Optimization of the ethanol-fuel emulsion composition for use in diesel engines

Full Text

Введение Использование альтернативных топлив биологического происхождения следует считать делом уже самой ближайшей перспективы. К настоящему времени исследователями всего мира накоплено значительное количество данных, сопровождающих применение биотоплив в виде добавки к нефтяному моторному дизельному топливу (ДТ) [1]. Исследовано значительное количество составов, объемов замещаемого этанолом дизельного топлива, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и других применяемых присадок [2-4]. При этом основной акцент делается на создание все более новых, более высококонцентрированных составов топливных эмульсий, с применением ранее неиспользованных добавок к топливу. Получаемый эффект обосновывается объемами экономии ДТ и снижением уровня экологической опасности. Тем не менее, до настоящего времени не определены целесообразные пределы замещения ДТ этанолом. Целью настоящей работы явилась оптимизация состава этаноло-топливной эмульсии (ЭТЭ) на основе анализа целого комплекса ограничений. Цель и задачи С учетом глубины проблемы, в первую очередь, необходимо рассматривать создание ЭТЭ с целым рядом необходимых свойств, что возможно только в случае применения комплексной присадки. Присадка должна не только стабилизировать ЭТЭ и воздействовать на процесс ее сгорания в цилиндре дизеля, но и сводить к минимуму свое влияние на процессы долговечности деталей дизеля. Методы исследования Для решения поставленных задач было определено несколько направлений. Первоначально был проведен теоретический анализ известной базы топливных присадок, обоснование и выбор добавок нового типа. Работоспособность форсунок 455.1112010-50 определялась на стенде V-107 CR. Исследовались и оценивались следующие показатели: давление начала впрыскивания, подвижность иглы, качество распыливания топлива, герметичность по запирающему конусу. В качестве технологических составов использовались смеси, содержащие от 0-100% ДТ, замещаемые 100-0% этанола с добавкой 1% присадки MoS2. Обобщенные экспериментальные данные были получены на основе стендовых испытаний дизеля 4ЧН 11,0/12,5 на моторном стенде SAK N670. Использовалось дизельное топливо по ГОСТ 302-2013 и ЭТЭ различного состава. В процессе испытаний производилось индицирование дизеля, записывались и обрабатывались мощностные, экономические и экологические показатели. Теоретические исследования Проведенный теоретический анализ [5] позволил отказаться от использования нитратных, сукцинимидных, пероксидных и других широко применяемых в испытаниях типов присадок. Дело в том, что присадки указанных типов действуют в качестве модификаторов воспламенения преимущественно на начальных стадиях процесса горения. Поэтому они практически не влияют на время сгорания и не решают проблему жесткости работы двигателя кардинальным образом. Применительно к работе дизеля целесообразнее присадки другого типа - улучшающие равномерность процесса горения путем ингибирования стадии разветвления цепи [6]. Рассмотрим, в частности, одну из них - дисульфид молибдена MoS2. Рис. 1. Структура дисульфида молибдена Известно, что содержание нафтенов в дизельном топливе составляет от 20 до 60%. В структуре MoS2 (рис. 1) имеется три типа атомов серы с разной координацией по молибдену. Часть ионов Mo локализована в частично недостроенных тригональных призмах - на торцевых гранях и углах слоев. Предположительно кинетические цепи обрываются по реакциям пероксидных радикалов с дисульфидом молибдена на поверхности его частиц, что выражается в присоединении радикалов к выступающим атомам молибдена. В результате замедляется процесс окисления топлива. Процесс горения растягивается во времени, нарастание температуры и давления происходит более плавно, что эквивалентно увеличению цетанового числа. Кроме того, MoS2 играет роль катализатора гидрокрекинга, который может происходить, например, согласно уравнению: CnH2n + H2 → CnH2n+2. (1) Подобным образом при гидрировании циклопентана раскрывается цикл с образованием н-пентана. Так как, при равном числе атомов углерода, цетановое число циклического углеводорода в среднем на 20…40 единиц меньше, чем у соответствующего алкана, это представляет собой частный случай общей тенденции повышения цетанового числа с ростом относительного числа атомов водорода (Н) в молекуле углеводорода [6]. Таким образом, результатом гидрокрекинга является повышение цетанового числа топлива. Дисульфид молибдена, обладая высокими антифрикционными свойствами из-за своей слоистой структуры, обычно применяется в качестве твердой смазки. При этом износы трущихся деталей снижаются на 30…50% даже в условиях граничной смазки. Тем самым нивелируется ухудшение смазывания трущихся пар при использовании ЭТЭ и снижение долговечности деталей. Учитывая, что дисульфид молибдена практически не растворяется в спирте, его присутствие в ЭТЭ также может быть оправдано необходимостью сохранения смазывающих свойств Ранее применение MoS2 в качестве стабилизатора ЭТЭ было обосновано до границы существования обратных эмульсий типа «вода-в-масле» - 50…55% масс. - вследствие его избирательного смачивания и прилипания к дисперсионным каплям [7, 8]. Анализ проведенных исследований стабильности высококонцентрированных ЭТЭ [9] позволил установить, что на границе фазового перехода имеет место всплеск времени их существования. Вполне резонно предположить, что в таких условиях образуется двойной липидный слой - «внешняя среда-масло-спирт-масло». Каркасом слоя служат добавки MoS2, взаимодействующего с молекулами воды (спирта) и координирующего гомологические группы ДТ (масла). В результате имеет место повышение поверхностного натяжения с образованием весьма термодинамически устойчивой конструкции. При обращении дисперсионной фазы в дисперсионную среду эффективность действия MoS2 в качестве стабилизатора ЭТЭ падает. Результаты и обсуждение Одним из ключевых вопросов остается работоспособность топливоподающей аппаратуры для обеспечения устойчивой работы дизеля на ЭТЭ. Повышение температуры смесевого топлива (рис. 2) вызывает снижение давления начала подъема иглы форсунки из расчета 0,5 МПа на каждые 50 градусов повышения температуры. Рис. 2. Зависимость давления начала впрыскивания от содержания этанола и температуры топлива Присутствие этанола в топливе уже на уровне 40% визуально показывает снижение параметров дальнобойности топливного факела. Из графика (рис. 3) также видно, что с увеличением процентной доли вводимого в смесь этанола показатели гидравлической плотности распылителей увеличиваются в 1,5-2 раза. Наряду с этим, на 5…8% снижается давление начала впрыскивания топлива. Герметичность прецизионной пары «игла-конус» по запирающему конусу в опыте с чистым дизельным топливом составляет 110 секунд, с увеличением доли этанола в этаноло-топливной эмульсии герметичность пары падает, и для случая чистого этанола уже составляет 10 секунд. Рис. 3. Сравнительные показатели работы топливной форсунки Учитывая, что этот параметр напрямую обеспечивает наличие или отсутствие подвпрыскиваний, увеличение неравномерности подачи, сдвиг угла начала подачи топлива, вызывая неработоспособность дизеля, снижение его ниже 15-25 секунд (45-55% этанола в ЭТЭ) вряд ли целесообразно. На рис. 4 приведены скоростные характеристики широко используемого в народном хозяйстве дизеля 4ЧН 11,0/12,5 (Д-245) при его работе на чистом дизельном топливе и ЭТЭ с содержанием 40% и 50% масс. этанола, соответственно. Рис. 4. Скоростные характеристики дизеля 4ЧН 11,0/12,5: - дизельное топливо; - 40% этанола в эмульсии; - 50 этанола в эмульсии Как видно из представленных данных, работа дизеля в номинальном режиме при частоте вращения коленчатого вала n = 1800 мин-1 на чистом ДТ сопровождается содержанием сажи в отработавших газах (ОГ) на уровне 23%. В случае присутствия в ЭТЭ 40% этанола эта цифра уже составляет 6% (снижение на 74%). Увеличение содержания этанола в ЭТЭ до 50% сопровождается выбросом сажи в объеме 2,5% - дополнительное снижение составляет всего 15%. Для суммарных оксидов азота эти цифры, соответственно, равны - для случая работы на чистом ДТ - 1120 ppm, для случая работы на ЭТЭ с содержанием 40% этанола - 900 ppm (снижение на 20%), для случая работы на ЭТЭ с содержанием 50% этанола - 810 ppm (дополнительное снижение на 7%). Вместе с увеличением присутствия этанола в ЭТЭ имеет место прогрессивный рост эмиссии в ОГ других токсичных компонентов - оксидов углерода CO, диоксидов углерода СО2 и несгоревших углеводородов CxHy. Таким образом, повышение экологического эффекта от увеличения доли этанола в ЭТЭ существенно замедляется. В таблице 1 приведены обобщенные сравнительные данные стендовых испытаний дизеля 4ЧН 11,0/12,0 при работе на различных составах топлива [10-14]. Как видно из данных таблицы, при условии сохранения мощностных показателей работы дизеля на уровне паспортных значений, равномерный рост присутствия этанола в ЭТЭ вызывает постепенное снижение эффекта замещения ДТ добавочным топливом. Так, на малых концентрациях, каждые 10% этанола в топливе экономят 9% ДТ. С ростом концентрации этанола в ЭТЭ цифра экономии снижается до 8,5% на 10% добавки этанола. И, при достижении состава 50% ДТ + 50% Э, экономия ДТ составляет уже 8% на 10% добавки этанола. Естественно предположить, что дальнейшее увеличение концентрации этанола в ЭТЭ будет сопровождаться все меньшим значением экономии замещаемого им нефтяного топлива. Вместе с тем прогрессивно увеличиваются суммарные затраты на создание и хранение готовой к применению ЭТЭ, подготовку и обслуживание топливоподающей аппаратуры, изменяются показатели рабочего процесса, влияющие на надежность и долговечность дизеля. Выводы 1. С учетом современного наличия специальных присадок для спиртосодержащих топлив, объем замещаемого этанолом дизельного топлива в эмульсии следует ограничить на уровне 45…55%, масс. Необходима разработка комплексной присадки, учитывающей широкий спектр свойств дополнительного спиртового топлива. 2. Работа дизельной ТПА на спиртосодержащих топливах с повышенным (свыше 50%) содержанием этанола влечет за собой заметные изменения ее технологических показателей, что может существенно снизить надежность и долговечность дизеля. 3. Относительное улучшение эффективных и экологических показателей дизеля при его работе на топливах с ростом присутствия до 50% этанола (в массовых долях) постепенно снижается в сравнении с показателями, полученными при работе на топливе с меньшей его концентрацией. 4. Работа дизеля на топливах с содержанием этанола свыше 50…60% в массовых долях потребует реализации дополнительных мероприятий, что может нивелировать полученный положительный эффект.

About the authors

S. A Plotnikov

Vyatka State University

Email: plotnikovsa@bk.ru
DSc in Engineering Kirov, Russia

A. N Kartashevich

Vyatka State University

DSc in Engineering Kirov, Russia

A. V Plyago

Vyatka State University

Kirov, Russia

G. V Pachurin

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: plotnikovsa@bk.ru
DSc in Engineering Nizhny Novgorod, Russia

References

Supplementary files