Об использовании сжиженного нефтяного газа в качестве топлива для тепловозных дизелей

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СЖИЖЕННОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

ПРОАНАЛИЗИРОВАНЫ ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МОТОРНЫЕ КАЧЕСТВА СЖИЖЕННОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА В ЖИДКОЙ ФАЗЕ КАК ТОПЛИВА ДЛЯ ТЕПЛОВОЗНЫХ И ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ. ПРЕДЛАГАЮТСЯ РАЗРАБОТАННЫЕ СХЕМЫ ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ ДИЗЕЛЕЙ, УСТАНОВЛЕННЫХ НА СТЕНДЕ И В УСЛОВИЯХ ТЕПЛОВОЗА, КОТОРЫЕ ОБЕСПЕЧИВАЮТ УСТОЙЧИВУЮ РАБОТУ ДВИГАТЕЛЕЙ НА СМЕСИ СЖИЖЕННОГО ГАЗА, ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА И ПРИСАДКИ.

Важнейшими характеристиками любого моторного топлива являются энергетические свойства, отношение содержания водорода к углероду (Н/С), размеры и характер строения молекул.

При использовании газовых видов моторного топлива выхлопные газы двигателей практически не содержат твердых веществ (сажи и пыли), а также окислов серы, гораздо меньше содержат диоксида и оксида углерода (угарного газа) и несгоревших углеводородов. Поэтому газ - наиболее совершенный вид топлива с экологической точки зрения (охраны окружающей среды).

К сжиженным нефтяным газам (СНГ) относятся предельные углеводороды парафинового ряда СпН2п<2: этан С2Нв, пропан С3Н8, нормальный бутан Н-С4Н10 и изобутан И-С^Н,!,, а также непредельные углеводороды олефинового ряда С Н^: этилен С2Н4, пропилен С3Нв, нормальный бутилен Н-СДидр.

Основными составляющими дизельного топлива и сжиженных газов являются углеводороды парафинового ряда (Н-алканы).

Обширные эксперименты по определению воспламеняемости сжиженного газа и его смесей с дизельным топливом, а также с присадками, повышающими

В. Р. ВЕДРУЧЕНКО

A.И.ВОЛОДИН В. Т. ДАНКОВЦЕВ

B. В. КРАЙНОВ Е. В. ПАНЬКИН

Омский государственный университет путей сообщения

УДК 621.431.72:532.525.001

цетановое число топлива, приведены в работах [1-3], а также в работе [7]. Из полученных данных (рис. 1 и 2) следует, что в составе сжиженного газа бутан имеет

24

20

76

г

К

40

80

Рис. 1. Зависимость цетанового числа пропан-бутановой смеси от содержания бутана

цч

«I о

30

см

/ j

о/ЧХ р

>

О SO gí/nl%

Рис. 2. Зависимость цетанового числа топливной

смеси от содержания дизельного топлива: 1 - пропан + дизельное топливо;

2 - бутан + дизельное топливо

лучшую воспламеняемость (большее цетановое число), чем пропан. Для обеспечения надежного пуска дизеля и работы его на неноминальном режиме в сжиженный газ необходимо добавить не менее 70 % дизельного топлива (рис. 2). Другим направлением, более рациональным по мнению автора работы [3], следует считать приготовление смеси в составе: 40 - 50% - сжиженный нефтяной газ в жидкой фазе, 40 - 45% - дизельное топливо и 1 — 2 % — присадки (бутилнитрат или гидроперекись кумола). Было доказано, что введение в топливную смесь сжиженного газа и дизельного топлива 1 % присадки улучшает воспламеняемость смеси так же, как добавка 15 - 20% дизельного топлива.

Сжиженные газы в основном состоят из пропана, изо-бутана, Н-бутана и весьма небольших количеств других составляющих. Качество сжиженного газа зависит от физико-химических свойств его компонентов, что определяется как месторождением, так и технологией переработки исходного сырья.

В табл. для сравнения приведены физико-химические и теплотехнические свойства основных компонентов сжиженных газов и других марок жидкого топлива, принципиально возможных для использования в дизелях. Следует отметить, что сжиженный газ по своим физико-химическим свойствам (удельный вес, вязкость, температура воспламенения и др.) может быть отнесен к типу легкого моторного топлива и использован для тепловозных и судовых дизелей. Однако из-за повышенной температуры самовоспламенения газа, малой вязкости, большой испаряемости необходимо предусмотреть ряд мероприятий, которые позволили бы применять сжиженные газы в серийных дизелях.

Рис. 3. Схема универсальной системы топливоподачи быстроходного дизеля, установленного на стенде, работающего на смеси сжиженного газа, дизельного топлива и присадки, либо на дизельном топливе

Весовая теплотворность (низшая) сжиженного газа больше теплотворности дизельного топлива зависит от соотношения его составляющих (Ои = 10800 -12000 ккал/кг).

Температура самовоспламенения 1 сжиженного газа значительно превышает температуру самовоспламенения дизельного топлива (при коэффициенте избытка воздуха а равном 1).

Сжиженные газы не являются ядовитыми и по своей токсичности приравниваются к обычным светлым сортам топлива. Кроме того, они имеют высокую степень очистки в части механических примесей, серы и сернистых соединений [4-6].

Для отработки практических решений и рекомендаций по использованию в тепловозных дизелях сжиженного нефтяного газа в жидкой фазе, его смесей с дизельным топливом и присадками на кафедре «Локомотивы» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС) была разработана и реализована на стенде газодизельная система на базе быстроходного вихрекамерного дизеля марки 248,5/11 (рис 3).

Разработанная газодизельная система является универсальной и предназначена для работы двигателей на традиционном моторном топливе или на смеси, состоящей из сжиженного пропано-бутанового газа и дизельного топлива с добавкой соответствующих присадок.

Таблица

Физико-химические свойства различных сортов топлива, потенциально пригодных для использования в дизелях

Топливо Удельный вес, Г. Теплотворность, <Э„ Тем пература воспламенения, °С (при а = 1 ) Кинематическая вязкость, V Сжим ае-м ость, р • 1 О6 Давлен не насыщенных паров при 20»С,р„

к г/л ккал/л ккал/кг 1 ати 30 ати сст с м '/к Г кГ/см'

Д иэел ь ное 0,86 9600 I 0000 300 - 360 200 2,5 - 6,5 80 0

Керосин 0,8 I 6 8400 I 0300 340-370 220 2,5 - 3,5 93 0

Л игроин 0,80 8 3 0 0 I 0400 380-420 240 1 ,0 - 0

Бензин 0,74 8 I 00 1 1 000 4 1 5 - 500 275 0,6-0,9 250 0,2

Сжижен-

ный неф-

тяной газ 0.55 6600 12000 490 - 560 300 0.3 900 - 1200 6-9

(в жидкой

фазе)

Кроме известных узлов и элементов топливоподающих систем дизелей, дополнительно предусматривается газовое оборудование, которое включает: баллоны для сжиженной смеси 1, 2, перепускные, заправочные и дренажные вентили 3,4,5,6 и 7, стрелочные манометры 8, 9, предохранительные клапаны 10, 11, водогазовый теплообменник 12, газовый фильтр 13, редуктор давления сжиженной смеси 14 и золотниковый переключатель с электроприводом 15.

В разработанной газодизельной системе предусмотрена топпивоотводящая система от насосов 23 и форсунок 25 в топливный бак 18 через дренажный коллектор 26 и испаритель 27, а также предусмотрена связь баллонов 1, 2 с одним из цилиндров дизеля посредством трубопровода 28, перепускных вентилей 29, обратного клапана 30 и редуктора давления 31.

Для исключения скопления «чистого» сжиженного газа в трубках высокого давления 32 предусматривается установка на каждый топливный насос 27, после нагнетательных штуцеров, противопоточных смесителей 24.

Газодизельная система при работе двигателя под нагрузкой функционирует следующим образом.

После заправки смесь, состоящая из сжиженного пропано-бутанового газа, дизельного топлива и многокомпонентной присадки, под действием избыточного давления подводится к золотниковому переключателю 15 через вектили 3, 4, 5, водогазовый теплообменник 12, фильтр 13 и редукционный клапан 14. Далее, вручную или автоматически, золотниковый переключатель 15 переводится в одно из двух положений - «Работа на газе» или «Работа на дизельном топливе». При положении «Работа на газе» топливная смесь с избыточным давлением 1,6 МПа поступает через переключатель 15 и топливный коллектор 17 к штатным насосам высокого давления 23. С этого момента обеспечивается работа двигателя на газодизельном топливе.

За счет такой связи исключается использование дополнительного компрессора высокого давления, и тем самым упрощается система поддержания необходимого давления (1,9-2,0 МПа) в баллонах 1 и 2.

При переводе золотникового переключателя в положение «Работа на дизельном топливе» в коллектор 17 подводится дизельное топливо из бака 18 по штатной схеме топливообеспечения.

Показанные на схеме газоводяной -12 и водотопливный -22 теплообменники необходимы для подогрева топлива в холодное время года.

Для обеспечения устойчивости работы на холостом режиме и пусковых качеств рекомендуется режим «Работа на дизельном топливе».

Таким образом, разработанная газодизельная система обеспечивает работу двигателя на разных сортах топлива и оперативность при переводе с одного вида топлива на другой.

Принцип отвода части топливной смеси от насосов 23 и форсунок 25 заключается в том, что смесь с избыточным давлением 0,01 - 0,02 МПа из дренажного коллектора 26 поступает в испаритель 27, где происходит переход (испарение) пропано-бутановой смеси в газовую фазу и далее, посредством газоотводящей системы, газ (пропан-бутан) поступает в цилиндры двигателя совместно с воздушным потоком. Этим самым исключается отвод газа в атмосферу, что, естественно, повышает экономичность работы дизеля.

Для упрощения системы, обеспечивающей поддержание необходимого уровня избыточного давления в баллонах 1 и 2, предусмотрена связь, которая обеспечивает поступление в баллоны от одного из цилиндров дизеля сжатого отработанного газа через обратный клапан 30, вентиль 29 и редуктор давления 31.

В результате проведенных исследований [2,3] и данных стендовых испытаний, полученных на кафедре «Локо-

Рис 4. Схема тошшеоподготовки и топливоподачи дизеля 6ЧНЭ1,8/33, работающего по гщо дизельному циклу, либо на дизельном топливе

мотивы» ОмГУПС, по переводу дизеля на сжиженный нефтяной газ в жидкой фазе было установлено, что для транспортных дизелей рациональным способом является непосредственный впрыск в цилиндр двигателя топливной смеси, состоящей из сжиженного газа (пропан-бутан), дизельного топлива и присадки, интенсифицирующей процесс горения (гидроперекись кумола или бутилнитрат). При этом требуется менее сложная реконструкция топ-ливоподающей аппаратуры, обеспечивается конвертация и облегчается регулировка двигателя.

После проработки различных вариантов реконструкции топливной системы тепловоза для использования в качестве топлива указанной смеси сжиженного газа в жидкой фазе, дизельного топлива и присадки, а также учитывая особенности эксплуатации тепловозного дизеля (маневровый тепловоз типа ТЭМ-2), была разработана схема топливоприготовления и топливоподачи (рис. 4), где двойной линией обозначена штатная система топливопроводов дизеля 6ЧН31.8/33 тепловоза ТЭМ-2, работающего на дизельном топливе, а одной линией - дополнительно устанавливаемая система топливопроводов для работы дизеля по газожидкостному циклу.

На рис. 4 обозначения с 1 по 32 включительно те же, что и на рис. 3. Позиции узлов и устройств в штатной системе топливоподачи тепловоза обозначены: 33 -топливоподогреватель, 34 - пробка для выпуска воздуха, 35 - топливоподкачивающий насос, 36 (28), 36 (26) - краны, 37-разгрузочный клапан на р = 5,2-105 Па (5,3 кгс/см2), 38-регулирующий клапан на р = 2,45-105 Па (2,5 кгс/см2), 39-фильтр тонкой очистки топлива, 40 - дизель, 41 -электроманометр, 42 - обратный шариковый клапан, 43 (18) - топливный бак, 44 - клапан слива топлива из отстойника, 45 - топливные фильтры грубой очистки, 46 (27) - вентиль. На рис. 4 цифры в скобках означают номера бирок, укрепленных на вентилях и кранах.

Особенностью принятого решения является то, что штатная топливная система тепловоза сохранена. Это позволяет работать как на дизельном топливе, так и на смесевом, обеспечивая пуск двигателя и работу на холостом ходу только на дизельном топливе. После прогрева дизеля, а также под нагрузкой переключением клапана 11 переводят дизель для работы на соответствующей смеси, состоящей из сжиженного газа, дизельного топлива и присадки в пропорциях, устанавливаемых на основании теоретического анализа данных стендовых и модельных экспериментов, а также опытом на борту тепловоза.

Реконструкция топливной системы тепловоза ТЭМ-2 для работы на смеси сжиженного газа, дизельного топлива и присадки выполняется на станции Рубцовск ЗападноСибирской железной дороги.

Гаэотопливная (газодизельная) смесь приготавливается на пункте экипировки маневровых тепловозов при использовании стандартного оборудования и баллонов. Технико-экономические предпосылки, некоторые результаты экспериментов и обоснование выполнены авторами ранее [7]. Поставщик, оптовые и закупочные цены и объемы на топливо, а также оборудование будут конкретно определяться после ходовых испытаний тепловоза.

Литература

1. Ведрученко В. Р. О методах оценки воспламеняемости топлив в дизелях // Омский научный вестник. Выпуск девятый: Омск, ОмГТУ, 1999. С. 50-52.

2. Семенов Б. Н. Применение сжиженного газа в судовых дизелях. Л.: Судостроение. 1969.176 с.

3. Мамедова М. Д. Работа дизеля на сжиженном газе. М: Машиностроение, 1980.149 с.

4. Смайлис В. И. Малотоксичные дизели. Л.: Машиностроение, 1972.128 с.

В. В. РОБУСТОВ, А. С. НЕНИШЕВ

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

УДК 621.43

Многочисленными исследованиями и наблюдениями установлено, что тепловой режим ДВС при массовой эксплуатации в условиях отрицательных температур является пониженным относительно оптимального.

По данным, приведенным в [1], 95% двигателей легковых автомобилей переохлаждается в течение 90% времени их работы. И хотя это относится к двигателям начала 70-х годов, проблема нереохлаждения ДВС не решена до настоящего времени. Работа двигателей на пониженных тепловых режимах приводит к ухудшению качества сгорания топлива, увеличению его расхода, повышению токсичности выбросов, возрастанию интенсивности износа деталей цилиндрово-поршневой группы (ЦПГ) и кривошипно-шатунного механизма (КШМ): при температуре охлаждающей жидкости (ОЖ) 40"С износы гильз цилиндров возрастают вчетверо, а при температуре ОЖ 50°С - вдвое [2,3]. По данным [26] при снижении температуры охлаждающей жидкости с 80°С до 40°С

5. Боксерман Ю. И., Мкртычан Я. С., Чириков К. Ю. Перевод транспорта на газовое топливо. М.: Недра, 1988. 224 с.

6. Гладков О. А., Лерман Е. Ю. Создание малотоксичных дизелей речных судов. Л.: Судостроение, 1990.112 с.

7. Сковородников Е. И., Панькин Е. В. Оценка эффективности перевода транспортных дизелей на газодизельное топливо // Повышение надежности и экономичности дизельного подвижного состава: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2000. С. 69 - 79.

ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, д.т.н., профессор кафедры "Теплоэнергетика" ОмГУПС. ВОЛОДИН Александр Иванович, д.т.н., профессор, академик АТ РФ, первый проректор, проректор по учебной работе, кафедра "Локомотивы" ОмГУПС. ДАНКОВЦЕВ Вячеслав Тихонович, к.т.н., доцент кафедры "Локомотивы" ОмГУПС.

КРАЙНОВ Василий Васильевич, преподаватель кафедры "Теплоэнергетика" ОмГУПС.

ПАНЬКИН Евгений Викторович, директор дорожных ремонтно-механических мастерских ст. Рубцовск ЗападноСибирской ж.д.

объемное содержание оксида углерода в отработавших газах (ОГ) увеличивается в 1,5-2 раза, а углеводородов (С„Нт)-наЮ%.

Первейшим требованием к системе охлаждения (СО) является требование"поддерживать тепловое состояние двигателя в определенных пределах при заданных условиях эксплуатации" [4], а входящие в СО технические средства регулирования тепловой эффективности СО, в свою очередь, должны "обеспечивать автоматическое поддержание теплового состояния двигателя в заданных пределах при любых скоростных и нагрузочных режимах его работы и любых температурах окружающей среды (в расчетном диапазоне)" [4]. СО должна также обеспечивать "быстрый прогрев двигателя после пуска" и "исключать опасность размораживания радиатора во время работы двигателя" [4].

Однако, как было показано выше, традиционные системы охлаждения отечественных ДВС с заданными им функциями не справляются.

К ПРОБЛЕМЕ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ДВС В УСЛОВИЯХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ: КОНЦЕПЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ_

В СТАТЬЕ ОБСУЖДАЕТСЯ ПРОБЛЕМА ЗИМНЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОТРАНСПОРТНОЙ ТЕХНИКИ ЯВЛЯЕТСЯ ВЕСЬМА АКТУАЛЬНОЙ ДЛЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ, БОЛЕЕ 80% ТЕРРИТОРИИ КОТОРОЙ РАСПОЛОЖЕНО В ЗОНЕ ХОЛОДНОГО КЛИМАТА.