The toxicity study of diesel engines working on biofuels based on methyl alcohol

Full Text

Введение Хорошо известно, что для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) постоянно разрабатываются и совершенствуются нормы выбросов вредных веществ не только в масштабах конкретного региона, страны, но и в рамках международных программ ЕЭК ООН. В настоящее время экологические требования к ДВС являются наиболее приоритетными, при этом экологичность отработавших газов (ОГ) производители уже закладывают в их конструкцию на стадии проектирования, причем она не должна ухудшаться в процессе эксплуатации. Следовательно, несложно предположить, что будущее за экологически чистыми ДВС, работающими на альтернативных нефтяному видах топлива. Все более широкое распространение получают альтернативные виды биотоплива на основе спиртов и растительных масел (рапсового, подсолнечного, соевого, арахисового, пальмового), а также их производных. Интенсивные работы по переводу ДВС на биотопливо ведутся как в странах с ограниченным энергетическим потенциалом, так и в странах с большими запасами нефти, а также в высокоразвитых странах, имеющих финансовую возможность приобретения различных альтернативных видов топлива [1]. Наиболее исследованными и перспективными на сегодняшний день для применения в ДВС являются одноатомные первичные спирты, такие как метанол (СН3ОН). Среди положительных свойств метанола для применения в дизелях можно отметить наличие в его молекуле атома кислорода, что дает возможность использовать метанол в качестве оксигенатов (кислородсодержащих компонентов), способствующих снижению вредных выбросов сажи и СО в продуктах его сгорания. Метанол широко используется в химической промышленности, и немалые его объемы применяются в производстве топлив для автотранспорта. Применение этого спирта в качестве альтернативного биотоплива для ДВС стало возможным в результате получения его доступным способом из сельскохозяйственных и пищевых отходов, из газообразного топлива. Но более важная причина в применении метанола - это снижение выбросов токсичных компонентов с ОГ ДВС (рис. 1) [2]. Рис. 1. Относительное содержание вредных веществ в ОГ автотранспорта, работающего на дизельном топливе и метаноле, % (за 100% принято дизельное топливо по саже) При использовании метанола как топлива для дизелей, можно значительно снизить выбросы сажевых частиц и оксидов азота. Это происходит вследствие того, что при горении спирта в камере сгорания дизеля образуется меньше промежуточных продуктов (по отношению к дизельному топливу), способствующих зарождению ацетиленовых и ароматических углеводородов, которые и приводят к образованию сажи. Кроме того, в ОГ при сгорании метанола значительно меньше различных соединений серы. Метиловый спирт со своей более простой структурой и незначительными размерами молекул является одним из определяющих факторов более «чистого сгорания» топлива. Из всех существующих альтернативных видов топлива достаточно перспективными являются биотоплива и их смеси с дизельным топливом в разных пропорциях (растительно-минеральные смеси), а сельскохозяйственные предприятия, потребляющие в качестве топлива главным образом нефтепродукты, в настоящее время вполне способны производить как для городского автотранспорта, так и для своей техники экологически чистое возобновляемое биотопливо. Произведенные расчеты [2] показывают, что энергозатраты на получение рапсовых семян составляют 17700 МДж/кг, на получение масла - 700 МДж/кг, при этом энергия, получаемая от масла - 22200 МДж/кг. В связи с вышесказанным, можно сделать вывод, что энергетическая прибыль с одного гектара посева рапса составляет 3800 МДж (что соответствует 110 л нефтяного дизельного топлива по своей энергетической ценности) [2]. Растительное масло любого вида - это смесь триглицеридов, т.е. эфиров, соединенных с молекулой глицерина. Глицерин, в свою очередь, и придает вязкость и плотность растительному маслу. Таким образом, основной задачей при получении биотоплива является удаление глицерина путем замещения его на спирт. На данный момент альтернативные виды топлива из рапсового масла находят применение в натуральном виде, в виде метилового и диметилового эфиров рапсового масла. Метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ) можно охарактеризовать более низким уровнем коксования деталей дизелей, чем этиловый эфир рапсового масла из-за более низкой вязкости и молекулярной массы. К тому же, метиловые эфиры лучше сохраняются. К преимуществам этиловых эфиров можно отнести снижение дымности и температуры ОГ и меньшую агрессивность к деталям двигателя. В дальнейшем процессе производства этиловые эфиры менее вредны, но при очистке биотоплива с целью удаления излишков спирта возникают некоторые сложности, поскольку этиловый спирт формирует устойчивую водную эмульсию. В связи с этим из-за более низкой себестоимости метанола производство МЭРМ более рентабельное. Поэтому МЭРМ, как альтернативное экологичное биотопливо, приобретает наибольшую популярность в странах Европы [3]. По сравнению с другими альтернативными видами топлива стоимость метанола невысока, а одним из его недостатков является большая теплота испарения при низкой температуре кипения (1104 кДж/кг против 250 кДж/кг у штатного дизельного топлива). Это приводит к охлаждению воздушного заряда вследствие испарения спирта при низких цетановых числах и высоких температурах самовоспламенения, что в итоге является причиной плохого воспламенения в камере сгорания дизеля. Поэтому воспламенение метанола в таких условиях возможно с помощью дополнительно установленных источников воспламенения, подачей метанола на впуске или при использовании различных катализаторов, которые способствуют снижению температуры воспламенения метанола, а также ускоряют процесс реакций горения. К еще одному эффективному способу воспламенения метанола в камере сгорания дизеля можно отнести подачу запальной порции штатного дизельного топлива в камеру сгорания. С целью улучшения воспламенения спиртов используют двойные системы топливоподачи, которые одновременно с подачей спирта (основного биотоплива) осуществляют и подачу запальной порции дизельного топлива [2]. Требуемые физико-химические свойства альтернативного биотоплива обусловливают применение соответствующих технологий, способных обеспечить эксплуатационные, экономические и экологические показатели. При производстве биотоплива применяют различные виды растительных масел, таких как рапсовое, льняное, подсолнечное, пальмовое и др. При этом полученное биотопливо из разных растительных масел имеет ряд отличительных физико-химических признаков. К таким признакам относятся: низшая теплота сгорания, вязкость, плотность, фильтруемость, температура застывания, коксуемость, цетановое число и др. (табл. 1) [4]. Так, представленные данные таблицы 1 наглядно демонстрируют схожесть параметров биотоплива с дизельным топливом по плотности и расхождение по кинематической вязкости, низшей теплоте сгорания и цетановому числу. Естественно, все это говорит о том, что в чистом виде один вид биотоплива сложно применим в дизеле, поэтому и было принято решение о применении биотоплива в формате МТЭ и МЭРМ в сочетании с метанолом, что позволяет приблизить значения физико-химических свойств биотоплива к штатному дизельному топливу. Таблица 1 Физико-химические характеристики биотоплива и дизельного топлива Параметр Метанол Рапсовое масло МЭРМ Дизельное топливо Плотность при 20°С, кг/м3 795 877 860-900 863 Кинематическая вязкость при 20°С, мм2/с 0,55 80 12 3,0-6,0 Низшая теплота сгорания, МДж/м3 19,7 36,7 37,2 42,5 Цетановое число 3 44 51 45 Цель исследования Целью данной работы является применение экологичных видов биотоплива в дизелях для улучшения их экологических показателей и экономии нефтяного моторного топлива. Методы и средства Для проведения исследований создана экспериментальная база в научно-исследовательской лаборатории испытания дизелей кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов Вятской государственной сельскохозяйственной академии. Экспериментальная база включает электротормозной стенд SAK-N670 с балансирным маятниковым механизмом, устанавливаемые на него дизели, измерительную аппаратуру. Приготовление эмульсий осуществлялось гомогенизатором MPW-302 при частоте вращения вала 2000 мин-1. Отбор проб отработавших газов производился газозаборниками автоматической системы газового анализа (АСГА-Т), установленными в выпускном трубопроводе дизеля. Дымность отработавших газов измерялась с помощью дымомера «BOSCH-EFAW-68A». При работе на метаноле и МЭРМ дизель оборудовался двойной системой топливоподачи. При этом воспламенение метанола осуществлялось за счет подачи запальной порции МЭРМ. Такая схема топливоподачи полностью исключает необходимость использования нефтяного дизельного топлива. Запуск и прогрев дизеля происходил на МЭРМ, вслед за этим осуществлялась подача метанола, а подача МЭРМ снижалась до начала пропусков воспламенения. Затем для достижения устойчивой работы двигателя ее увеличивали. Таким образом, при использовании метанола и МЭРМ с двойной системой топливоподачи достигалось полное замещение нефтяного дизельного топлива [2, 5]. Результаты и обсуждение При испытаниях дизеля на спиртовой эмульсии использовался следующий состав: метанол - 25%, моюще-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А - 0,5%, вода - 7%, дизельное топливо - 67,5%. Также для дизеля было разработано экологичное биотопливо, состоящее из метанола (88%) и МЭРМ (12%) [2, 6, 7]. На рис. 2 представлены экологические показатели дизеля, работающего на метаноло-топливной эмульсии (МТЭ), от установочного угла опережения впрыскивания топлива (Θвпр). Анализируя графики токсичности и дымности ОГ дизеля при работе на МТЭ как при номинальном скоростном режиме (n = 2200 мин-1, рис. 2а), так и на режиме, соответствующем максимальному хрутящему моменту (n = 1700 мин-1, рис. 2б), видно, что происходит снижение содержания на всех исследуемых значениях Θвпр сажи С, CO2 и СО (кроме Θвпр = 29°). Результаты исследований экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 сведены в таблицу 2. а) б) Рис. 2. Изменение экологических показателей работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения Θвпр: а - n = 2200 мин-1; б - n = 1700 мин-1; - ДП; - МТЭ Таблица 2 Результаты исследований экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 на номинальном режиме работы (n = 2200 мин-1, pе = 0,64 МПа) Топливо Показатели NOx, ppm С, Bosch CO2, % CO, % Дизельное 1320 6,2 10,5 0,20 МТЭ 775 (снижение на 41,3%) 0,9 (снижение на 85,5%) 9,8 (снижение на 6,7%) 0,11 (снижение на 45,0%) На рис. 3 представлена зависимость выбросов NOx дизеля, работающего на метаноле и МЭРМ при различных сочетаниях установочных углов опережения впрыскивания топлива. а) б) Рис. 3. Концентрация NOx в ОГ дизеля 2Ч 10,5/12,0, работающего на метаноле и МЭРМ, в зависимости от изменения Θвпр: а - n = 1800 мин-1; б - n = 1400 мин-1 При анализе рис. 3а на номинальной чатоте вращения (n = 1800 мин-1) видно, что на оптимальном установочном угле подачи метанола (Θвпр мет) равном 34º поворота коленчатого вала и на аналогичных сочетаниях углов опережения впрыскивания МЭРМ (Θвпр мэрм) значения NOx снижаются и составляют соответственно 655, 401, 316 и 243 ppm. При дальнейшем снижении Θвпр мет до 30º выбросы NOx составляют 486, 335, 311, и 250 ppm при Θвпр мэрм равном 38º, 34º, 30º и 26º соответственно. Более поздняя подача метанола Θвпр мет равная 26º ведет к снижению выбросов NOx до 305, 280, 260 и 242 ppm при соответствующих установочных углах подачи Θвпр мэрм, равных 38º, 34º, 30º и 26º. При рассмотрении зависимости выбросов NOx на режиме максимального крутящего момента (рис. 3б) хорошо видна аналогичная тенденция роста значений оксидов азота при более ранней подаче топлив. Так, при Θвпр мет = 38º наблюдается максимум выбросов NOx, равный 1117 ppm, достигается который при Θвпр мэрм=38º. При других значениях Θвпр мэрм, равных 34º, 30º и 26º, величина выбросов NOx составляет 1070, 830 и 194 ppm соответственно. При оптимальном значении Θвпр мет = 34º и вариациях Θвпр мэрм, равных 38º, 34º, 30º и 26º выбросы NOx составляют соответственно 715, 582, 650 и 413 ppm. Дальнейшее снижение Θвпр мет до 30º на аналогичных сочетаниях углов Θвпр мэрм (38º, 34º, 30º и 26º) характеризует выбросы оксидов азота следующими величинами 750, 600, 551 и 470 ppm соответственно. Более поздняя подача метанола Θвпр мет = 26º ведет к снижению оксидов азота при всех исследуемых значениях Θвпр мэрм (38º, 34º, 30º и 26º) и составляет соответственно 550, 472, 400 и 368 ppm. На рис. 4 представлены зависимости от нагрузки экологических показателей работы дизеля, работающего на метаноле и МЭРМ с двойной системой топливоподачи. При анализе графиков токсичности и дымности ОГ дизеля на номинальном скоростном режиме (n = 1800 мин-1, рис. 4а) при работе на метаноле с МЭРМ видно, что происходит снижение содержания во всем диапазоне исследования нагрузки. Применение метанола и МЭРМ приводит к снижению оксида углерода СО при нагрузке, превышающей 0,47 МПа, и суммарных углеводородов СНх на максимальных нагрузках при ре > 0,60 МПа, при этом отмечен незначительный рост диоксида углерода СО2 во всем диапазоне исследования ре. Рассматривая же режим максимального крутящего момента (n = 1400 мин-1, рис. 4б), необходимо отметить, что применение метанола и МЭРМ приводит к снижению в ОГ сажи, СО2, NOx (кроме максимального значения ре = 0,69 МПа) и СО при ре > 0,55 МПа, при этом отмечен рост СНх. Результаты исследований экологических показателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 сведены в таблицу 3. а) б) Рис. 4. Изменение экологических показателей работы дизеля 2Ч 10,5/12,0 в зависимости от изменения нагрузки (ре): а - n = 1800 мин-1; б - n = 1400 мин-1; - ДП; - метанол и МЭРМ Таблица 3 Результаты исследований экологических показателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 на номинальном режиме работы (n = 1800 мин-1, pе = 0,59 МПа) Топливо Показатели NOx, ppm С, Bosch CO, % Дизельное 760 5,0 0,29 Метанол 88%, МЭРМ 12% 400 (снижение на 47,4%) 0,48 (снижение на 90,4%) 0,16 (снижение на 44,8%) Выводы Дано перспективное решение улучшения экологических показателей дизелей, работающих на биотопливе следующих составов: · МТЭ: метанол - 25%, моюще-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А - 0,5%, вода - 7%, дизельное топливо - 67,5%; · метанол - 88%, МЭРМ - 12%. При работе дизеля на МТЭ происходит снижение содержания в ОГ оксидов азота на 41,3%, сажи на 85,5%, диоксида углерода на 6,7%, оксида углерода на 45,0%; при работе на метаноле и МЭРМ - оксидов азота на 47,4%, сажи на 90,4%, оксида углерода на 44,8%.

About the authors

V. A Lihanov

Vyatka State Agricultural Academy

Email: nirs_vsaa@mail.ru
Dr.Eng.

O. P Lopatin

Vyatka State Agricultural Academy

Email: nirs_vsaa@mail.ru
Ph.D.

References

Supplementary files