Исследование экологических показателей работы дизеля на биоминеральных топливных смесях

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В условиях внешнеполитического давления, оказываемого на различные отрасли нашей экономики, промышленности, а также санкций в отношении экспорта зарубежных товаров — в РФ взят курс на обеспечение суверенитета, в том числе и технологического. Под данным термином здесь понимается правительственная программа, предполагающая приоритет замены импорта сельскохозяйственных товаров, оборудования, электроники собственными продуктами, которые предназначаются для госзаказа и для дальнейшего роста отечественного хозяйства.

Одним из приоритетных направлений, необходимых для обеспечения технологического суверенитета является развитие собственного транспорта. Данное направление отражено в актуальной на сегодняшний день Транспортной стратегии РФ до 2030 года [1]. Документ затрагивает рекомендации в области развития транспорта, а также, в качестве составляющей, уделяется внимание переводу доли транспортных средств на альтернативные источники энергии.

Долгое время вопросами, связанными с альтернативными видами топлива, занимаются как отечественные, так и зарубежные ученые, что говорит о неослабевающем научном интересе к обозначенному исследовательскому направлению [2–4].

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью настоящего исследования является обоснование актуальности применения составов биоминеральных топливных смесей (БМТС) для работы дизельного двигателя в режимах различных нагрузок опираясь на сравнение их итогового значения удельного выброса с удельным выбросом токсичных компонентов чистого ДТ согласно методике ЕЭК ООН № 96 (02).

Для достижения данной цели были определены следующие задачи:

1. Оценка работоспособности дизеля на БМТС.
2. Перевод суммарных значений относительных величин исследуемых токсичных компонентов за все испытательные циклы (процентов — % и миллионных долей — ppm) в действительное содержание данных веществ от общего содержания удельного выброса в отработавших газах (согласно Правил ООН № 96(2) — г/кВт·ч) [5].
3. Определение зависимости экологических показателей работы двигателя в зависимости от разных режимов нагрузки.

МЕТОДЫ

Для приготовления БМТС были использованы следующие компоненты: этанол (Э), сурепное масло (СурМ) и дизельное топливо (ДТ). Биологические компоненты примешивались в разных концентрациях к ДТ. Их соотношение в смеси определялось путем лабораторных исследований физико-химических свойств компонентов (плотности, кинематической вязкости и времени стабильности) [6].

На данном этапе лабораторных исследований были определены два принципиальных состава БМТС:

1. БМТС-10, состоящий из 10% Э, 10% СурМ и 80% ДТ;
2. БМТС-25, содержащий 25% Э, 25% СурМ и 50% ДТ.

Для увеличения времени стабильности смесей добавлялся 1% диспергирующей сукцинимидной присадки С-5А от общего содержания смеси [6].

В последующем данные смеси были подвергнуты стендовым испытаниям на установке оснащенной дизелем Д-245.5S2 c электротормозным стендом RAPIDO SAK N670 с балансировочной маятниковой машиной (производство Германия), при помощи которого устанавливалась необходимая нагрузка на коленчатый вал (КВ) двигателя (рис. 1).

 

Рис. 1. Электротормозной стенд RAPIDO SAK N670 с балансировочной маятниковой машиной.

Fig. 1. The RAPIDO SAK N670 electric brake rig with a balancing pendulum machine.

 

Следует отметить также, что в связи с отличными от чистого ДТ физико-химическими свойствами БМТС были изменены установочные углы опережения впрыскивания. В процессе предыдущих стендовых испытаний (ГОСТ 18509-88) на предмет определения рациональных регулировок топливоподающей аппаратуры (ТПА) (ЯЗДА-773-40.28) удалось установить, что оптимальными установочными углами опережения впрыскивания топлива являются: Ɵ_{впр ДТ} = 18° п.к.в., Ɵ_{впр БМТС-10} = 20° п.к.в., Ɵ_{впр БМТС-25} = 22° п.к.в. Указанные значения установочных углов опережения впрыскивания позволяют достичь оптимальных показателей в отношении эмиссии вредных веществ в отработавших газах, а также сохранить эффективные показатели при работе дизеля на БМТС.

Снятие экологических показателей отработавших газов фиксировалось с помощью газоанализатора MGT-5 MAHA через выхлопную систему (рис. 2).

 

Рис. 2. Газоанализатор MGT-5 MAHA.

Fig. 2. The MGT-5 MAHA gas analyzer.

 

Измерение экологических показателей проводилось согласно методике Правил ООН № 96 (02) «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения двигателей с воспламенением от сжатия для установки на сельскохозяйственных и лесных тракторах и внедорожной мобильной технике в отношении выброса загрязняющих веществ этими двигателями» [5]. В соответствии с указанной методикой, было установлено, что паспортные характеристики данного двигателя, относительно номинальной мощности соответствуют диапазону мощности G (согласно паспортной документации для дизеля Д-245.5S2 N_e=70±2 кВт) (табл. 1). Определение экологического класса представляется возможным установить только после анализа полученных результатов при стендовых испытаниях двигателя.

 

Таблица 1. Диапазоны мощности и значения удельного выброса для двигателей, работающих от сжатия

Table 1. Power ranges and specific emission values for compression-operated engines

Диапазон мощности	Экологический класс	Полезная мощность двигателя, P, кВт	Удельный выброс, г/(кВт·ч)
			Оксид углерода CO	Углеводороды HC	Оксиды азота NOx	Твердые частицы PT
E1	Stage II (до 01.09.2023 г.)	130≤P≤156	3,5	1,0	6,0	0,2
E2		156≤P<560	3,5	4,0		0,2
F		75≤P<130	5,0	1,0	6,0	0,3
G		37≤P<75	5,0	1,3	7,0	0,4
D		19≤P<37	5,5	1,5	8,0	0,8
H	Stage IIIA (до 01.09.2023 г.)	130≤P≤560	3,5	4,0		0,2
I		75≤P<130	5,0	4,0		0,3
J		37≤P<75	5,0	4,7		0,4
K		19≤P<37	5,5	4,5		0,6

 

Испытательный цикл двигателя данного класса, согласно Правилам ООН № 96(02), подразумевает постепенное снижение скоростного режима двигателя с соответствующим данному режиму снижению нагрузки (крутящего момента) (табл. 2).

 

Таблица 2. Испытательный цикл дизеля согласно Правилам ООН № 96 (02)

Table 2. Diesel engine test cycle according to UN Regulation No. 96 (02)

Номер режима	Скоростной режим двигателя	Крутящий момент, % от наибольшего на данном скоростном режиме
1	номинальный	100
2	номинальный	75
3	номинальный	50
4	номинальный	10
5	промежуточный	100
6	промежуточный	75
7	промежуточный	50
8	холостого хода	0

 

Указанная методика исследования экологических показателей предусматривает, что определение количества продуктов сгорания фиксируется в виде удельного выброса (г/(кВт·ч) за весь испытательный цикл (табл. 1).

По мнению А.Р. Кульчицкого на сегодняшний день в системе Минсельхоза, проводящем испытания сельхозтехники, имеются определенные сложности с оборудованием («туннелем»), позволяющим получать данные удельного выброса токсичных веществ [7]. В России станции технического обслуживания оснащены газоанализаторами для измерения концентрации газообразных веществ (оксидов азота, оксидов углерода, суммарных углеводородов).

Таким образом дополнительной задачей, требующей решения, для достижения поставленной цели исследования стал перевод полученных суммарных значений концентрации токсичных веществ за весь испытательный цикл (%, ppm) в значения удельного выброса (г/(кВт·ч) путем математического расчета полученных данных газоанализатора.

Сначала необходимо было определить эффективный расход топлива g_e (ДТ, БМТС-10 и БМТС-25) и воздуха для достижения эффективной мощности N_e.

Для расчета часового расхода воздуха, необходимого для полного сгорания определенных составов смесей были рассчитаны стехиометрические числа:

• ДТ — 14,6;
• БМТС-10 — 14,03;
• БМТС-25 — 13,16.

С помощью указанных числовых параметров были определены показатели теоретически необходимого расхода воздуха (L_теор.), связанные с эффективным расходом топлива g_e (при α = 1). Также известно, что дизельные двигатели работают при избыточном количестве воздуха, поступающего в цилиндры (α > 1). В этой связи было рассчитано среднее значение коэффициента избытка воздуха на всех испытательных режимах α = 2. Таким образом, получается, что общее содержание удельного выброса являет собой сумму показателей эффективного расхода топлива g_e с теоретически необходимым удвоенным расходом воздуха (2L_теор.). Расчеты позволили определить искомые суммарные значения удельного выброса за весь испытательный цикл исходя из концентраций конкретных веществ.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Как представлено в табл. 2, методика испытания дизеля по Правилам ООН № 96 (02) представляет собой восьмирежимный цикл, предполагающий поступательное снижение скоростных режимов от номинального через промежуточный до режима холостого хода. При каждом из скоростных режимов наблюдается снижение оказываемой на двигатель нагрузки. Так, номинальный скоростной режим в зависимости от нагрузки подразделяется еще на четыре режима, промежуточный — на три, а в режиме холостого хода нагрузка на КВ полностью отсутствует.

Снижение нагрузки при каждом из режимов ведет к снижению эффективной мощности и, как следствие — к снижению номинального среднего эффективного давления P_e. Участки графиков, отмеченные серым цветом, показывают переходы на следующие скоростные режимы. Для двигателя Д-245.5S2 в паспортной документации номинальная частота вращения КВ составляет n = 1800 мин^-1, т.е. именно этот скоростной режим принимается за номинальный. В используемой нами методике испытаний поясняется, что под промежуточным скоростным режимом понимается режим максимального крутящего момента, который имеет место при частоте КВ n = 1400 мин^-1 [5]. В режиме холостого хода допустимой частотой вращения КВ является n = 700 мин^-1.

На основе полученных данных были построены графики зависимости концентрации токсичных компонентов сгорания ДТ, БМТС-10 и БМТС-25 от среднего эффективного давления.

График (рис. 3) демонстрирует, что при работе двигателя на составах БМТС наблюдается снижение эмиссии монооксида углерода CO при каждом режиме испытаний. Так, например, в промежуточном режиме работы двигателя при максимальной нагрузке эмиссия монооксида углерода CO в отработавших газах при среднем эффективном давлении P_e = 1.18 МПа для ДТ составляет 0,085%, для БМТС-10 при P_e = 1.12 МПа – 0,07%, а для БМТС-25 при P_e = 1.07 МПа – 0,065%. Таким образом для данного режима среднее эффективное давление P_e с увеличением биологического компонента (СурМ и Э) в смеси снижается приблизительно на 0,065 МПа. Концентрация CO в отработавших газах имеет подобную динамику, т.е. снижается в сравнении с ДТ приблизительно в 1,2 раза для каждой последующей БМТС.

 

Рис. 3. Нагрузочные характеристики испытательного цикла согласно Правилам ООН №96 (02) (концентрация монооксида углерода CO).

Fig. 3. Load curves of the test cycle according to UN Regulation No. 96 (02) (concentration of carbon monoxide CO).

 

Снижение эмиссии монооксида углерода CO в отработавших газах может быть связано с тем, что БМТС благодаря своим биологическим компонентам, содержат в своем составе больше кислорода, чем минеральное ДТ. При сгорании этих топливных смесей этот кислород участвует в реакции окисления, что как раз и увеличивает полноту сгорания БМТС и, соответственно, снижает эмиссию монооксида углерода CO.

Как видно из графика, концентрация сажи (рис. 4) в отработавших газах с увеличением биологических компонентов в смесях также снижается. Наибольшее значение углерода было отмечено на номинальном скоростном режиме испытаний при 100% от максимального крутящего момента; оно составляет для ДТ, БМТС-10 и БМТС-25 — 18,2%, 14,7% и 12,8%, соответственно. Подобная динамика наблюдается для всех режимов испытательного цикла двигателя.

 

Рис. 4. Нагрузочные характеристики испытательного цикла согласно Правилам ООН №96 (02) (концентрация углерода C).

Fig. 4. Load curves of the test cycle according to UN Regulation No. 96 (02) (carbon concentration C).

 

Снижение количества углерода в БМТС объясняется тем, что СурМ и Э, входящие в состав этих смесей, содержат меньшее количество атомов углерода C, чем нефть, из которой производится минеральное ДТ (средняя химическая формула для ДТ C12H24, для Э C2H5OH, для СурМ C_58.2H_103.7O₆).

График (рис. 5) наглядно демонстрирует обратно пропорциональную зависимость снижения эмиссии углеводородов в выхлопных газах от увеличения биологического компонента в БМТС на всех режимах работы дизеля. Наибольшее значение содержания углеводородов C_xH_y в отработавших газах зафиксировано на номинальном скоростном режиме работы при 50% от максимальной нагрузки на КВ. Обозначенный режим отмечается низким средним эффективным давлением P_e. При данном режиме минимальное количество углеводородов имеет БМТС-25; при P_e = 0,53 МПа значение эмиссии составляет 12%. Для БМТС-10 — при P_e = 0,56 МПа 16%, а для чистого ДТ при P_e = 0,59 МПа 23%. Динамика снижения эмиссии C_xH_y при увеличении среднего эффективного давления P_e характерна для всех режимов работы дизеля.

 

Рис. 5. Нагрузочные характеристики испытательного цикла согласно Правилам ООН №96 (02) (концентрация углеводородов C_xH_y).

Fig. 5. Load curves of the test cycle according to UN Regulation No. 96 (02) (concentration of hydrocarbons C_xH_y).

 

Результаты исследования можно объяснить составом БМТС; поскольку биологические компоненты, входящие в состав, содержат большее количество кислорода, имеет место более полное окисление продуктов сгорания и, соответственно, снижение как монооксида углерода CO, так и углеводородов C_xH_y.

Из графика (рис. 6) видно, что при увеличении биологических добавок в БМТС в процессе работы двигателя снижается эмиссия оксидов азота NO_x в отработавших газах по сравнению с минеральным топливом на всех режимах испытательного цикла. Установлено, что наибольшее значение NO_x наблюдается при работе двигателя на промежуточном скоростном режиме с максимальной нагрузкой на КВ. Так, для ДТ при P_e = 1,18 МПа концентрация NO_x составляет 1775 ppm, для БМТС-10 P_e = 1,12 МПа — 1420 ppm, для БМТС-25 P_e = 1,07 МПа — 1220 ppm.

 

Рис. 6. Нагрузочные характеристики испытательного цикла согласно Правилам ООН №96 (2) (концентрация оксидов азота NO_x).

Fig. 6. Load curves of the test cycle according to UN Regulation No. 96 (2) (concentration of nitrogen oxides NO_x).

 

Снижение оксидов азота NOx в отработавших газах в процессе работы двигателя на БМТС по сравнению с ДТ объясняется тем, что указанные топливные смеси содержат меньшее количество атомов азота, чем ДТ. Кроме того, из-за своей биологической составляющей БМТС имеют более высокую температуру воспламенения и более низкий коэффициент избытка воздуха, что также может повлиять на снижение NO_x.

ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты, представленные на рис. 3–6, позволяют рассчитать итоговые значения эмиссии вредных веществ согласно методике Правил ЕЭК ООН №96 (02). Сравнение итогового (суммарного) значения эмиссии CO, C_xH_y, NO_x, C для ДТ, БМТС-10, БМТС-25 отражено на диаграммах (рис. 7).

 

Рис. 7. Суммарные значения удельного выброса токсичных веществ за весь испытательный цикл.

Fig. 7. Total values of specific emission of toxic substances for the entire test cycle.

 

Данные графиков указывают, что при увеличении концентрации биологического компонента в изучаемых топливах наблюдается снижение эмиссии всех рассматриваемых вредных веществ в отработавших газах (см. рис. 7). Экологическому стандарту Stage II дизельный двигатель Д-245.5S.2 при работе на ДТ, БМТС-10, БМТС-25 соответствует только в отношении значений эмиссии углерода. Так, пороговое итоговое значение за весь испытательный цикл по удельному выбросу углерода C по методике Правил ЕЭК ООН №96 (02) для двигателей с диапазоном мощности G составляет 0,4 г/(кВт·ч). Из диаграммы (см. рис. 7) видно, что значения удельного выброса для ДТ, БМТС-10, БМТС-25 составляют 0,34 г/(кВт·ч), 0,33 г/(кВт·ч), 0,28 г/(кВт·ч), соответственно. В остальных же случаях в отношении эмиссии монооксида углерода (CO), оксидов азота (NO_x) и углеводородов (C_xH_y) полученные значения завышены. В связи с тем, что БМТС по своим характеристикам отличаются от ДТ, для достижения необходимого результата, кроме изменения угла опережения впрыскивания, предположительно, необходимо произвести оптимизацию давления начала впрыскивания топлива форсунками; для чего в последующем произвести индицирование давления в топливопроводе высокого давления для чистого ДТ, БМТС-10 и БМТС-25).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итоги проделанной работы позволяют заключить следующее:

1. Использование БМТС в качестве топлива не вызывает сбоев в работе двигателя.
2. Увеличение содержания биологических компонентов в БМТС значительно снижают общую токсичность отработавших газов; но при этом также, из-за снижения среднего эффективного давления, незначительно снижается эффективная мощность.
3. Хотя БМТС показывают сниженные значения эмиссии вредных веществ в выхлопных газах по сравнению с чистым ДТ, они не могут привести дизель к экологическим показателям Stage II Правил ЕЭК ООН № 96 (02) для всех компонентов; необходима оптимизация системы топливоподачи, установка дополнительных систем фильтрации отработавших газов.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. С.А. Плотников — общее руководство, постановка задач исследования; А.Н. Карташевич — теоретический анализ, формулировка выводов; Г.Э. Заболотских — проведение стендовых испытаний. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов, связанных с проведенным исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Финансирование при проведении исследования осуществлялось согласно договору о взаимном сотрудничестве между УО «Белорусская государственная орденов Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени сельскохозяйственная академия» (РБ, г. Горки) и ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет» (РФ, г. Киров).

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. S.A. Plotnikov — general guidance, formulation of research objectives; A.N. Kartashevich — theoretical analysis, formulation of conclusions; G.E. Zabolotskikh — conducting bench tests. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. Funding for the research was carried out in accordance with the agreement on mutual cooperation between the Educational institution “Belarusian State Agricultural Academy” (Gorki, Republic of Belarus) and the Federal Government-financed Educational Institution of Higher Professional Education “Vyatka State University” (Kirov, Russian Federation).

Об авторах

Сергей Александрович Плотников

Вятский государственный университет»

Email: plotnikovsa@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-8887-4591
SPIN-код: 4899-9362

д-р техн. наук, профессор кафедры «Технология машиностроения»

Россия, Киров

Анатолий Николаевич Карташевич

Белорусская государственная орденов Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени сельскохозяйственная академия

Email: kartashevich@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3649-1521
SPIN-код: 8541-5330

заслуженный работник образования Республики Беларусь, профессор, д-р техн. наук, заведующий кафедрой «Тракторы, автомобили и машины для природообустройства»

Белоруссия, Горки

Георгий Эдуардович Заболотских

Вятский государственный университет»

Автор, ответственный за переписку.
Email: zabolotskikh88@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0006-8796-5180
SPIN-код: 4836-5702

аспирант кафедры «Технология машиностроения»

Россия, Киров

Список литературы

Дополнительные файлы