Investigation of the environmental performance of a diesel engine when operating on multicomponent biofuel

Full Text

Введение

Подразделение «Россети Сибирь» внедрит в Томской области автономные гибридные энергетические установки (АГЭУ) – солнечные электростанции (СЭС), сопряженные с дизель-генераторами и аккумуляторами. Такое технологическое решение будет использовано в 21 населенном пункте, в которых проживает свыше 12 000 человек [8]. Большинство из этих населенных пунктов – поселки, расположенные более чем в 400 км от Томска. Проект, по оценкам компании, позволит сократить как затраты поселков на дизельное топливо (с 245 млн до 134 млн руб. в год), так и объемы вредных выбросов в атмосферу [8].

С учетом особенностей климата альтернативную генерацию можно развивать в России скорее как нишевую, а не массовую отрасль энергетики – так считают учёные из Института энергетики Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. К числу потенциальных ниш, по их мнению, относится Арктика, где «сооружение комбинированных ветродизельных установок могло бы снизить зависимость от Северного завоза», и сегмент частных домохозяйств (без привязки к конкретной географии), в котором широкое распространение могли бы получить малые солнечные панели [8].

В Кировской области отмечается динамика по снижению объемов использования дорогих завозных видов топлива (мазута и угля) и росту объема использования местных видов топлива и природного газа в сфере энергетики и ЖКХ [4].

Основную долю в топливном балансе Кировской области составляют природный газ (45%), опил, и щепа (21,8%), каменный уголь (14,6%), дрова (10,4%), мазут (6,5%). Завозные виды топлива продолжают занимать значительную часть топливного баланса области, но доля потребления местных видов топлива увеличивается уже с 2009 года и сейчас составляет 33,6%. Этот показатель является одним из самых высоких среди регионов России. В этой работе есть и позитивный экологический результат: в регионе не образуются новые свалки опила и горбыля. Сейчас отходы деревообработки успешно используются для отопления, что является позитивным примером ресурсосбережения [4].

Исходя из анализа опыта Министерства энергетики и ЖКХ регионов России, можно сказать следующее – Министерству транспорта Кировской области желательно идти по аналогичному пути, увеличивая доли использования альтернативного топлива (АТ) на транспорте. Ранее был изучен потенциал Кировской области для определения перспективных видов АТ [9]. Данные показывают, что возможными представителями АТ в нашем регионе на сегодняшний день будут являться этанол и РМ. Исследования работы автотракторных дизелей на топливах с добавками РМ, Э и ГГ уже ведутся [2, 5, 6, 7]. Еще одним направлением исследований научной школы является применение многокомпонентных составов биотопливных композиций (МКБТК-15 и МКБТК-25) [3]. Использование названных составов позволит скомпенсировать отдельные отличительные их свойства для дальнейшего применения в ДВС без изменения конструкции и регулировок.

Цель и задачи

Цель – исследование возможности применения многокомпонентных биотопливных композиций в качестве топлива для дизелей.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

• оценить работоспособность дизеля на МКБТК;
• определить зависимости экологических показателей работы дизеля от его нагрузки.

Методы исследования

В эксплуатационных условиях ДВС, в зависимости от условий работы потребителя энергии, работают при различных частотах вращения коленчатого вала (КВ) и крутящих моментах. На данном этапе исследований (рис. 1, 2, 3) определялись зависимости экологических показателей дизеля от среднего эффективного давления при работе на ДТ, МКБТК-15 и МКБТК-25 на номинальном режиме при n = 1800 мин^-1 и режиме максимального крутящего момента при n = 1400 мин^-1.

 

Рис. 1. Экологические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при n=1800 мин^-1 :

Fig.1. Environmental indicators of diesel engine 4CHN 11.0 / 12.5 at n = 1800 min^-1:

 

Рис. 2. Нагрузочные характеристики дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при n=1800 мин^-1 :

Fig. 2. Load characteristics of the diesel engine 4ChN 11.0 / 12.5 at n = 1800 min^-1:

 

Рис. 3. Нагрузочные характеристики дизеля 4ЧН 11,0×12,5 при n = 1400 мин^-1 :

Fig. 3. Load characteristics of the diesel engine 4ChN 11,0×12.5 at n = 1400 min^-1:

 

Для приготовления МКБТК нужные количества рапсового масла и биоэтанола добавляли в нужное количество дизельного топлива с предварительно растворенными в нем эмульгатором (0,5%) и присадкой ЭКОЦЕТАН (0,5%) и подвергали диспергированию.

Нагрузочные характеристики дизеля 4ЧН 11,0/12,5 снимали в соответствии с ГОСТ 18509-80 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний» при постоянной частоте вращения коленчатого вала, последовательно увеличивая подачу топлива в пределах изменения нагрузки от нулевой до полной. Частота вращения КВ не отличалась от заданной более чем на 10 мин^-1.

Результаты и обсуждение

Сгорание топлива является химическим процессом, но специалистов по ДВС интересуют, в основном, физические явления, происходящие в процессе сгорания. К таким относятся изменение температуры и давления рабочего заряда, характер протекания химических реакций, если их продукты представляют какую-либо опасность (некоторые составляющие отработавших газов, продукты, способствующие загрязнению масла, увеличивающие отложения на деталях двигателя и т. д.). С точки зрения термодинамики, цикл с адиабатическими сжатием-расширением и сгоранием при постоянном объёме является наивыгоднейшим [1].

Кроме продуктов полного сгорания – углекислого газа СО₂ и паров воды, в выпускных газах объекта исследования содержатся в небольших количествах вещества, обладающие токсическим действием. Это продукты неполного сгорания топлива: оксид углерода СО, углеводороды различного состава и строения С_хН_у, в том числе пары несгоревшего топлива, сажа, а также оксиды азота NO_x, образующиеся при высоких температурах в процессе сгорания.

Как видно из кривых графика (рис. 1), содержание суммарных оксидов азота NO_x в ОГ практически одинаково при работе на всех испытуемых топливах, но, всё-таки на многокомпонентных составах несколько ниже. Так, на номинальном режиме при р_е = 0,98 МПа концентрация NO_x в ОГ для случая ДТ составляет 978 ppm, а для случаев МКБТК-15 и МКБТК-25, соответственно, равна 920 ppm и 870 ppm.

С увеличением среднего эффективного давления от р_е = 0,01 МПа до р_е = 0,98 МПа (рис. 1, 2) при снижении часового расхода воздуха наблюдается рост максимального давления цикла, температуры отработавших газов (ОГ). Если при работе объекта исследования на ДТ при р_е = 0,1 МПа температура ОГ на выходе составляет t_r = 162°C, то при р_е = 0,96 МПа температура ОГ на выходе уже равна t_r = 316°C. При добавлении в топливо этанола и рапсового масла температура ОГ на выходе снижается во всём диапазоне нагрузок. Так, при работе дизеля на МКБТК-15 и МКБТК-25 при р_е =0,1 МПа температура ОГ на выходе составляет, соответственно, t_r = 137°C и t_r = 115°C, а в номинальном режиме температура ОГ составляет, соответственно, t_r = 291°C и t_r = 273°C.

С увеличением нагрузки дизеля от р_е = 0,01 МПа до р_е = 0,98 МПа (рис. 2) часовой расход воздуха G_в снижается, причём, на всех исследуемых видах топлива. К примеру, на МКБТК-25 G_в = 468 кг/ч при р_е = 0,01 МПа, тогда как при р_е = 0,98 МПа часовой расход воздуха равен G_в = 413 кг/ч. Данное снижение обусловлено возрастанием цикловой подачи топлива и снижением коэффициента наполнения [10]. При изменении нагрузочного режима также изменяются показатели рабочего цикла, температура отработавших газов.

В области больших нагрузок от р_е = 0,6 МПа до р_е = 0,98 МПа увеличивается также и химическая неполнота сгорания испытуемых топлив, что приводит к увеличению содержания в ОГ на выходе суммарных углеводородов С_хH_у. Как видно на графике (рис. 2), при работе на МКБТК-15 и МКБТК-25 содержание С_хH_у возрастает по сравнению с ДТ практически во всем диапазоне нагрузки.

В дизеле мощность обычно снижают уменьшением подачи топлива топливным насосом, воздушный заряд не регулируют. Поэтому коэффициент остаточных газов практически не изменяется, свежий заряд с уменьшением нагрузки до р_е = 0,01 МПа становится менее загрязнённым такими продуктами сгорания, как диоксид углерода СО₂ и пары воды, вследствие увеличения часового расхода воздуха. Характер кривых уровня концентрации СО₂ в ОГ одинаков как при работе на ДТ, так и на многокомпонентных составах (рис. 1). При увеличении нагрузки содержание СО₂ в ОГ дизеля возрастает. Так, при работе дизеля на ДТ при р_е = 0,1 МПа содержание СО и СО₂, соответственно, равны 0,01% и 2%, а в номинальном режиме при р_е = 0,98 МПа, соответственно, равны 0,04% и 7%. При добавлении в топливо этанола и РМ содержание в ОГ СО₂ увеличивается. Так, при р_е = 0,1 МПа и работе на МКБТК-15 и МКБТК-25 содержание СО в ОГ, соответственно, равно 0,01% и 0,01%, а содержание СО₂, соответственно, равно 2,5% и 3%. При работе в номинальном режиме на тех же топливах содержание СО в ОГ на выходе, соответственно, равно 0,03% и 0,01%, а содержание СО₂ в ОГ, соответственно, равно 8% и 9%.

Характер кривых (рис. 3) содержания токсичных компонентов в ОГ при работе двигателя на режиме максимального крутящего момента схож с характером кривых на номинальном режиме. Содержание сажи в ОГ снижается в случае работы дизеля на МКБТК-15 и МКБТК-25, по сравнению с работой на чистом ДТ. Так, увеличение нагрузки от р_е = 0,1 МПа до р_е = 0,98 МПа влечёт за собой рост выброса сажи от 4,8 % до 15 %, в то время, как работа на составах сопровождается меньшей эмиссией сажи во всём диапазоне нагрузок. Снижение, как и следовало ожидать, вызывается меньшей склонностью к дымлению композиций в сравнении с ДТ. Так, на номинальном режиме уменьшение выбросов сажи с ОГ составляет, соответственно, 6,1 %, и 4,7 % для случаев работы на МКБТК-15 и МКБТК-25. Повышение содержания сажи в ОГ с повышением нагрузки как при работе на ДТ, так и на МКБТК, обуславливается, в первую очередь, недостатком в воздухе кислорода воздуха, необходимого для окисления впрыскнутого в цилиндр топлива [10].

Подводя итог анализа нагрузочных характеристик, следует сделать практический вывод о том, что работа двигателей на частичных нагрузочных режимах нецелесообразна с точки зрения топливной экономичности, износостойкости и токсичности. То же относится и к режимам перегрузки ДВС.

 

Рис. 4. Система питания трактора для работы на МКБТК

Fig.4. Tractor power system for work on MKBTK

 

Для дальнейших исследований работы трактора на МКБТК в условиях эксплуатации была разработана оригинальная система питания (рис. 4) [11].

Выводы

1. В России и, в частности, в Кировской области имеется огромный потенциал сырьевой базы для получения АТ.
2. Применение МКБТК-15 и МКБТК-25 в качестве АТ для двигателей улучшит экологическую обстановку в регионе и сократит потребность в товарном топливе.
3. Работа дизеля на МКБТК-15 и МКБТК-25 даёт возможность снизить дымность ОГ на 65% и 85%, содержание суммарных оксидов азота остаётся на прежнем уровне или несколько снижается.
4. Существует некоторое увеличение содержания углекислого газа СО₂ до 22,3% при работе на МКБТК-15 и МКБТК-25, решения данной проблемы известны.
5. Для дальнейших исследований работы трактора на МКБТК в условиях эксплуатации разработана оригинальная система питания.

About the authors

S. A. Plotnikov

Vyatka State University

Author for correspondence.
Email: PlotnikovSA@bk.ru

DSc in Engineering

Russian Federation, Kirov

D. G. Sergeyev

Vyatka State University

Email: PlotnikovSA@bk.ru

PhD in Engineering

Russian Federation, Kirov

M. V. Smol'nikov

Vyatka State University

Email: PlotnikovSA@bk.ru

PhD in Engineering

Russian Federation, Kirov

A. I. Shipin

Vyatka State University

Email: PlotnikovSA@bk.ru
Russian Federation, Kirov

References

Supplementary files