Improvement of environmental performance of diesel engine operating on water-biofuel emulsion

Abstract

Opportunities to reduce the emissions of toxic components with exhaust gases are evaluated, based on experimental tests of diesel engine operating on water-biofuel emulsion and diesel fuel.

Full Text

Современная стратегия защиты окружающей среды требует, чтобы экологические показатели транспортных дизелей удовлетворяли санитарным нормам мировых стандартов. Основные нормируемые экологическими стандартами токсичные компоненты ОГ двигателей: оксиды азота NОх, оксиды углерода СОу и углеводороды CnHm. Оксиды азота - наиболее токсичный компонент, на их долю приходится до 95% суммарной токсичности ОГ [1]. В соответствии с Международной конвенцией МАРПОЛ 73/78, к 2016 г. предельные значения выбросов оксидов азота нужно сократить в 3,5 раза. Следовательно, задача снижения выбросов токсичных компонентов с ОГ автотракторной техники весьма актуальна. Образование оксидов азота в камере сгорания дизеля происходит с поглощением теплоты, поэтому на выброс этого токсичного компонента с ОГ оказывает влияние температура сгорания. Снижение содержания оксидов азота в ОГ возможно при снижении максимальной температуры сгорания топлива. Это достигается при использовании в двигателе водно-топливной эмульсии - смеси ДТ и воды. Однако широкое применение водно-топливных эмульсий проблематично из-за сниженной смазывающей способности такого топлива. Для устранения этого основного недостатка использовали водно-биотопливную эмульсию (ВБТЭ) [2-10]. Оценка возможности улучшения экологических показателей при использовании ВБТЭ проводилась на дизеле Д-245.12С (4ЧН 11/12,5). Дизель типа Д-245.12С испытывался на чистом ДТ и ВБТЭ с содержанием воды от 0 до 15% об. Для получения ВБТЭ использовано эмульгирующее устройство роторного типа. Эффективная комплексная технология получения ВБТЭ основана на многофакторном энергетическом воздействии в импульсной форме, которое интенсифицирует процесс смешивания топлив, разрушает связи между отдельными частями молекул и влияет на изменение структурной вязкости, в результате чего происходит улучшение физико-химических параметров топлива, его эксплуатационных и экологических свойств. Для получения стойких ВБТЭ применен эмульгатор - алкенилсукцинимид мочевины, производимый по ТУ 38.1011039-85. Он представляет собой вязкую прозрачную растворимую в углеводородах жидкость светло-коричневого цвета. Содержание поверхностно-активных веществ в ВБТЭ не превышало 0,5% мас. Полученные эмульсии были достаточно стабильны: расслоение эмульсии на две фракции происходило лишь после нескольких недель хранения. Первоначальные вид и свойства эмульсии восстанавливались путем простого взбалтывания. Испытания дизеля Д-245.12С проведены на моторном стенде АМО «ЗиЛ», оборудованном необходимой измерительной аппаратурой. Дизель исследовался при неизменном положении упора дозирующей рейки топливного насоса высокого давления с постоянным штатным углом опережения впрыскивания топлива q = 13o поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки. Определены показатели дизеля при его работе на режимах 13-ступенчатого цикла Правил 49 ЕЭК ООН. Экспериментальные данные по часовому расходу топлива Gт, представленные на рис. 1, а, свидетельствуют о том, что при использовании ВБТЭ на большинстве режимов расход топлива Gт несколько возрастал. Это объясняется большей плотностью воды (ρ = 998,2 кг/м3) по сравнению с ДТ (ρ = 830 кг/м3) и, следовательно, большей плотностью ВБТЭ. Некоторое уменьшение часового расхода эмульгированных топлив Gт на режимах с пониженной частотой вращения и малой нагрузкой (например на режимах с n = 1500 мин-1 и Ме = 40…100 Н·м) объясняется повышенными утечками ВБТЭ, вызванными их меньшей вязкостью, и снижением объемных подач этих топлив. Вид топлива оказывает заметное влияние на выброс с ОГ оксидов азота. Показанные на рис. 1, б характеристики концентрации в ОГ оксидов азота СNOх подтверждают возможность значительного снижения эмиссии этого токсичного компонента ОГ за счет подачи воды в камеру сгорания дизеля. В частности, на режиме максимального крутящего момента при n = 1500 мин-1 переход с ДТ на эмульсии с содержанием воды СН2О=7,5 и 15% привел к уменьшению СNOх от 0,075 до 0,065 и 0,055% соответственно, а на режиме максимальной мощности при n = 2400 мин-1 - от 0,0495 до 0,046 и 0,036%. Из представленных на рис. 1, в данных по содержанию в ОГ монооксида углерода ССО следует, что на режиме максимального крутящего момента при n = 1500 мин-1 переход с ДТ на эмульсии с содержанием воды СН2О=7,5 и 15% сопровождался снижением ССО от 0,042 до 0,027 и 0,024%. Влияние типа топлива на выбросы углеводородов неоднозначно. Это подтверждается данными рис. 1, г, на котором приведены характеристики концентрации в ОГ несгоревших углеводородов ССНх. В частности, на режиме максимального крутящего момента при n = 1500 мин-1 переход с ДТ на эмульсии с содержанием воды СН2О=7,5 и 15% привел к изменению ССНх от 0,034 до 0,057 и 0,0325%, а на режиме максимальной мощности при n = 2400 мин-1 - от 0,032 до 0,054 и 0,0432%. Оценка эксплуатационного расхода топлива на режимах 13-ступенчатого цикла проведена по среднему (условному) удельному эффективному расходу топлива, который определялся с использованием зависимости [10]: , где Gт i и Ne i - часовой расход топлива и эффективная мощность на i-м режиме; Ki - весовой коэффициент i-го режима (доля времени работы двигателя на этом режиме). Поскольку ВБТЭ имеют меньшую теплотворную способность (низшую теплоту сгорания HU), топливную экономичность дизеля целесообразно оценивать не по удельному эффективному расходу топлива gе, а по эффективному КПД дизеля ηе. Причем для интегральной оценки работы дизеля на режимах 13-ступенчатого цикла использован условный эффективный КПД, определяемый по соотношению: . Результаты расчетов, проведенных по изложенной методике, представлены в таблице. Показатели дизеля Д-245.12С, работающего на ДТ и ВБТЭ Показатели дизеля ДТ ВБТЭ с 7,5% воды ВБТЭ с 15% воды Часовой расход топлива Gт, кг/ч: - на режиме максимальной мощности - на режиме максимального крутящего момента 17,42 12,25 17,42 11,78 17,7 11,9 Крутящий момент Ме, Н·м: - на режиме максимальной мощности - на режиме максимального крутящего момента 271 355 259 329 231 305 Дымность ОГ Kx, % по шкале Хартриджа: - на режиме максимальной мощности - на режиме максимального крутящего момента 16 28 12 20 8,5 18 Приведенные в таблице и на рис. 2 данные подтверждают возможность заметного снижения эмиссии оксидов азота с ОГ дизеля Д-245.12С при его переводе с ДТ на ВБТЭ. Так, при работе на режимах 13-ступенчатого цикла и переходе с ДТ на эмульсии с содержанием воды СН2О=7,5 и 15% удельный массовый выброс оксидов азота eNOx уменьшился от 6,61 до 5,916 и 4,849 г/(кВт×ч), т.е. в целом на 26,6%. При этом эффективный КПД дизеля ηе повысился от 0,341 до 0,36 и 0,361, т.е. в целом на 5,9%. Более сложная зависимость от содержания воды в ВБТЭ характерна для выбросов монооксида углерода еСО и углеводородов еСНх. При переходе с ДТ на эмульсии с содержанием воды СН2О=7,5 и 15% на режимах 13-ступенчатого цикла удельный массовый выброс монооксида углерода eСO сначала уменьшился от 3,612 до 2,905 г/(кВт×ч), а затем возрос до 4,648 г/(кВт×ч). При этом выброс углеводородов eCHx сначала возрос от 1,638 до 2,73 г/(кВт×ч), а затем снизился до 2,522 г/(кВт×ч). Рост эффективности сгорания (эффективного КПД дизеля ηе) и снижение дымности ОГ Kx при работе на ВБТЭ объясняются улучшением качества процесса смесеобразования за счет возникновения так называемых микровзрывов, наблюдающихся при повышенных температурах в камере сгорания дизеля и обусловленных повышенной испаряемостью воды по сравнению с ДТ. Процесс микровзрывов заключается в следующем: при нагревании вода вскипает, образующийся пар разрывает каплю, увеличивая дисперсность топлива. Это обусловлено большой разницей температур кипения топлива (200-360°С) и воды (100°С). В результате поверхность контакта воздуха и топлива увеличивается, они более эффективно перемешиваются, следовательно, топливо сгорает более полно. Нагрев воды, ее испарение и перегрев полученного пара отбирают часть тепла от цилиндровых газов, обусловливая снижение их температуры. В свою очередь, уменьшение температуры приводит к замедлению реакций образования оксидов азота и снижению их содержания в ОГ. При использовании ВБТЭ с большим содержанием воды возникают проблемы с организацией эффективного сгорания. В частности, при испытаниях дизеля Д-245.12С на эмульсии, содержавшей 70% биодизельного топлива и 30% воды, не удалось организовать запуск холодного дизеля. Это объясняется тем, что температура конца сжатия была недостаточна для стабильного самовоспламенения указанной эмульсии (она снижается за счет большой теплоты испарения ВБТЭ). По этой причине полный цикл испытаний дизеля на данной эмульсии не был закончен. Вывод Сравнительный анализ экспериментальных данных, полученных при работе дизельного двигателя на обычном моторном топливе и водно-биотопливной эмульсии с различной концентрацией воды, показывает заметное снижение концентрации оксидов азота, монооксида углерода и сажистых остатков в ОГ.