Способ улучшения экологических показателей работы дизеля
METHOD FOR IMPROVING THE ENVIRONMENTAL PERFORMANCE OF A DIESEL ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно, двигателестроения.
Из уровня техники известен способ нейтрализации отработавших газов дизеля, осуществляемый при помощи каталитического нейтрализатора, содержащего корпус с входным и выходным патрубками и реактор с катализатором, и жидкостного нейтрализатора, частично заполненного жидкостью [Комбинированная система нейтрализации отработавших газов дизеля. Автор: Медведев Ю.С. МПК F01N 3/04. Заявка на изобретение №2001124134/06 от 29.08.2001].
2
x
y
x
Недостатком данного способа является невозможность улучшения экологических показателей работы дизеля, таких как снижение эмиссии монооксида углерода (CO), диоксида углерода (CO), несгоревших углеводородов (CH), оксидов азота (NO), сажи (C).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ снижения содержания вредных ингредиентов в отработавших газах дизельного двигателя [Патент RU 2510469 C1. Способ снижения содержания вредных ингредиентов в отработавших газах дизельного двигателя. Автор: Ильин С.А. МПК F02M 43/00, F02M 25/00, F02D 19/12. Заявка на изобретение №2012146461/06 от 01.11.2012].
Недостатком известного способа является применение дополнительного жидкого активатора, который подают во впускной трубопровод совместно с основным топливом. Использование дополнительного жидкого активатора приводит к снижению мощностных показателей работы дизеля.
Существенным отличием предлагаемого способа от всех ранее известных решений является возможность улучшения экологических и сохранения мощностных показателей работы дизеля достигаемая тем, что предварительно смешивают рапсовое масло, этиловый спирт и эфиры до получения единой смеси и подают посредством двойной системы топливоподачи во впускной трубопровод раздельно или совместно с дизельным топливом, а также в камеры сгорания дизеля подают дизельное топливо или единую смесь дизельного топлива, рапсового масла, этилового спирта и эфиров.
2
x
y
x
Известно, что основной причиной эмиссии CO, CO, CH, NO, C с отработавшими газами дизеля является процесс сгорания нефтяного топлива. Характерной особенностью дизеля является периодичное горение предварительно не перемешанных топлива и окислителя. Указанное обстоятельство обусловливает наличие гомофазного и диффузионного типов горения: первый определяется сгоранием топливовоздушной смеси, образовавшейся за период задержки воспламенения, второй - сгоранием остального количества топлива в диффузионном фронте пламени [Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / Пер. с англ. Г.Л. Агафонова. Под ред. П.А. Власова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 352 с.].
2
x
y
x
Процесс образования CO, CO, CH, NO и C протекает в камере сгорания дизеля, а также в потоке отработавших газов (последнее - в ходе охлаждения газов как за счет естественной теплоотдачи, так и перемешивания с атмосферным воздухом) [Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени: Пер. с англ./Ред. Н.А. Чигир. - М.: Машиностроение, 1981. - 407 с., ил.; ГОСТ Р 41.96-2011 (Правила ЕЭК ООН N 96) Единообразные предписания, касающиеся двигателей с воспламенением от сжатия, предназначенных для установки на сельскохозяйственных и лесных тракторах и внедорожной технике, в отношении выброса вредных веществ этими двигателями (Переиздание): принят 13.12.2011; действ. с 01.01.2013. М., 2011. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200094453 (дата обращения 31.01.2021)].
2
2
2
2
В дизеле образующийся CO при последующем сгорании на такте расширения или в выпускном тракте окисляется до CO в присутствии водяного пара или водорода. Основная причина образования CO в камере сгорания дизеля - это неравномерное распределение топлива по камере, в результате чего возникают локальные зоны с низким коэффициентом избытка воздуха (α), где происходит недогорание части топлива. Другим же источником образования CO являются высокотемпературные зоны топливного факела, в которых химическое равновесие смещено в сторону диссоциации COс образованием CO и кислорода (O) [Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени: Пер. с англ./Ред. Н.А. Чигир. - М.: Машиностроение, 1981. - 407 с., ил.; Ассад М.С.Продукты сгорания жидких и газообразных топлив: образование, расчет, эксперимент / М.С. Ассад, О.Г. Пенязьков. - Минск: Беларус. навука, 2010. - 305 с.]. Скорость окисления CO в разных зонах камеры сгорания зависит от ряда локальных факторов: α, степени однородности смеси, концентрации O, температуры газа и времени, отведенного на окисление [Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени: Пер. с англ./Ред. Н.А. Чигир. - М.: Машиностроение, 1981. - 407 с., ил.].
2
2
2
Основная доля образовавшегося в камере сгорания дизеля СО окисляется до СО, не выходя за пределы камеры сгорания. Окисление СО в СО происходит в выпускной трубе. Величина выбросов СО зависит от физико-химических и теплофизических свойств топлив и их расхода [Ассад М.С.Продукты сгорания жидких и газообразных топлив: образование, расчет, эксперимент / М.С. Ассад, О.Г. Пенязьков. - Минск: Беларус. навука, 2010. - 305 с.].
x
y
2
x
y
x
y
x
y
2
x
y
В дизеле CH образуются в переобогащенных зонах, где происходит пиролиз молекул горючего. На режимах холостого и принудительного холоста хода в следствие снижения температуры стенок камер сгорания происходит увеличение задержек воспламенения, в связи с чем успевают образовываться зоны с переобедненной смесью, уже практически неспособной гореть. А разбавление таких зон избыточным O воздуха приводит к полному прекращению химических реакций и соответственно к увеличению выхода CH [Ассад М.С.Продукты сгорания жидких и газообразных топлив: образование, расчет, эксперимент / М.С.Ассад, О.Г. Пенязьков. - Минск: Беларус.навука, 2010. - 305 с.]. Легкие газообразные CHобразуются в дизеле при термическом распаде топлива в зонах срыва пламени, в ядре струи, в топливной пленке на стенках камеры сгорания, в переднем фронте факела и в результате вторичного впрыскивания топлива [Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени: Пер. с англ./Ред. Н.А. Чигир. - М.: Машиностроение, 1981. - 407 с., ил.]. Механизм образования и окисления молекул CHв дизелях зависит от ряда параметров рабочего процесса и конструктивных факторов: состава смеси, нагрузки, наличия наддува, степени завихрения заряда, угла опережения впрыска топлива [Ассад М.С.Продукты сгорания жидких и газообразных топлив: образование, расчет, эксперимент / М.С. Ассад, О.Г. Пенязьков. - Минск: Беларус.навука, 2010. - 305 с.]. Наличие в смеси достаточного количества O повышает температуру горения, что приводит к ускорению реакции окисления CHи, следовательно, к снижению их эмиссии.
x
x
При сгорании в дизелях, где смесь почти всегда бедная и значение α всегда существенно больше единицы, образование NO определяется локальным составом смеси и температурой. В этих условиях наиболее интенсивно окисление азота происходит до момента достижения максимальной температуры в зонах, которые сгорают первыми и имеют наибольшее время пребывания. На образование NO в дизелях влияет множество факторов: тип горючего, его цетановое число состав смеси, завихрение воздушного потока, момент впрыска, наличие наддува [Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени: Пер. с англ./Ред. Н.А. Чигир. - М.: Машиностроение, 1981. - 407 с., ил.; Ассад М.С. Продукты сгорания жидких и газообразных топлив: образование, расчет, эксперимент / М.С. Ассад, О.Г. Пенязьков. - Минск: Беларус.навука, 2010. - 305 с.].
2
Сажеобразование в цилиндрах дизеля происходит в результате пиролиза, а также окислительного крекинга углеводородных молекул в зонах богатой смеси при достаточно высокой температуре и недостатке O. Обильное образование C в дизелях в основном происходит в фазе замедленного диффузионного горения, когда продолжающие поступать из форсунки капли топлива встречают на своем пути уже не воздух, а продукты сгорания ранее впрыснутых его порций. При относительно сильном обеднении смеси (α≥1,4-1,5) и интенсивной турбулизации горючей смеси большая часть образовавшихся при сгорании C успевает окислиться в самом цилиндре на такте расширения. Догорание C может продолжаться также и в выпускном тракте. Образование C дизелях может также происходить при попадании топлива на сравнительно холодные стенки цилиндра. Интенсивность сажеобразования в дизелях зависит от многих конструктивных и рабочих параметров, среди которых - вид топлива, его цетановое число, момент и скорость впрыска, тип форсунки, температура входящего воздуха [Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени: Пер. с англ./Ред. Н.А. Чигир. - М.: Машиностроение, 1981. - 407 с., ил.; 6].
Технический результат заявляемого изобретения заключается в улучшении экологических показателей работы дизеля.
Данный технический результат достигается тем, что предварительно смешивают рапсовое масло, этиловый спирт и эфиры до получения единой смеси и подают посредством двойной системы топливоподачи во впускной трубопровод раздельно или совместно с дизельным топливом, а также в камеры сгорания дизеля подают дизельное топливо или единую смесь дизельного топлива, рапсового масла, этилового спирта и эфиров.
2
2
x
y
x
Рапсовое масло, этиловый спирт и эфиры, характеризуются более высокой активностью при горении по сравнению с традиционным нефтяным (основным) топливом. Связано это с тем что в условиях высоких температур происходит их диссоциация, что в свою очередь приводит к образованию активных гидроксильных, карбоксильных, гидроксо-карбоксильных и углеводородных радикалов, облегчающих начало цепных реакций и активизирующих весь процесс горения топливо-воздушной. Благодаря этому горение протекает более устойчиво, а предел воспламенения топливовоздушной смеси смещается в сторону обедненной области [Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / Пер. с англ. Г.Л. Агафонова. Под ред. П.А. Власова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 352 с.]. Вследствие более высокой химической активности радикалов и наличие O, препятствующего возникновению условий для крекинга, способствует снижению эмиссии CO, CO, CH, NO и C при сгорании масел, спиртов и эфиров в сравнении с традиционным (основным) топливом, что в свою очередь улучшает экологические и позволяет сохранить мощностные и экономические показатели работы дизеля [Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени: Пер. с англ./Ред. Н.А. Чигир. - М.: Машиностроение, 1981. - 407 с., ил.; Ассад М.С. Продукты сгорания жидких и газообразных топлив: образование, расчет, эксперимент / М.С. Ассад, О.Г. Пенязьков. - Минск: Беларус.навука, 2010. - 305 с.].
2
x
y
x
Проведен комплекс исследований по определению эмиссии CO, CO, CH, NO, C с отработавшими газами дизеля (экологических показателей) при его работе по внешней скоростной характеристике (далее - ВСХ) на чистом дизельном топливе (далее - ДТ)Э с добавками рапсового масла (далее - РМ) в количестве 20% и 45% по массе [Черемисинов П.Н. Увеличение предела применяемости альтернативных топлив с добавками рапсового масла в автотракторных дизелях: дис.канд. техн. наук; 05.04.02/ Черемисинов Павел Николаевич. - М. 2019. - 133 с.], этилового спирта (далее - Э) в количестве 20% и 40% по массе [Смольников М.В. Улучшение показателей применяемости альтернативных топлив с добавками этанола в автотракторных дизелях: дис.канд. техн. наук; 05.04.02/ Смольников Михаил Владимирович. - М. 2020. - 173 с.] и диметилового эфира (ДМЭ) в количестве 20% и 30% по массе [Гвоздев А.М. Улучшение экологических характеристик дизеля путем добавки диметилового эфира к топливу: дис.канд. техн. наук; 05.04.02/ Гвоздев, Алексей Михайлович. - М. 2007. - 149 с.] путем его предварительного смешивания с ДТ до получения единой смеси и последующей заправки в топливный бак.
2
x
y
x
Результаты экспериментальных исследований по определению эмиссии CO, CO, CH, NO, C с отработавшими газами дизеля представлены в таблице 1.
2
x
y
x
Анализ таблицы 1 показал, что при добавлении к основному топливу рапсового масла, этилового спирта и эфиров приводило к снижению эмиссии CO, CO, CH, NO и C, что в свою очередь улучшало экологические показатели работы дизеля.
2
x
y
x
Проведен комплекс исследований по определению эмиссии CO, CO, CH, NO, C с отработавшими газами дизеля (экологических показателей) при его работе по внешней скоростной характеристике (ВСХ) на чистом ДТ с добавками РМ в количестве 10% и 20% по массе, Э в количестве 15% и 20% по массе и метиловом эфире рапсового масла (далее - МЭРМ) в количестве 10% и 20% по массе, подаваемые в цилиндры при помощи двойной системы топливоподачи [Копчиков В.Н. Улучшение экологических показателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла с двойной системой топливоподачи путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газах: дис.канд. техн. наук; 05.04.02/ Копчиков Виктор Николаевич. - М. 2017. - 175 с.; Арасланов М.И. Исследование показателей рабочего процесса быстроходного тракторного дизеля при работе на этаноле и рапсовом масле: дис.канд. техн. наук; 05.04.02/ Арасланов М.И. - М. 2021. - 181 с.].
2
x
y
x
Результаты экспериментальных исследований по определению эмиссии CO, CO, CH, NO, C с отработавшими газами дизеля представлены в таблице 2.
2
x
y
x
Анализ таблицы 2 показал, что при использовании двойной системы топливоподачи рапсового масла, этилового спирта и эфиров приводило к снижению эмиссии CO, CO, CH, NO и C, что в свою очередь улучшало экологические показатели работы дизеля.
Способ осуществляется следующим образом. Предварительно взятые по массе количества ДТ, рапсового масла, эфира смешиваются в специальной таре до получения единой смеси и после этого производится заправка топливного бака дизеля. Также рапсовое масло, этиловый спирт и эфиры можно подавать в камеры сгорания дизеля при помощи двойной системы топливоподачи, состоящей из двух систем топливоподачи основной для подачи ДТ и вспомогательной для подачи рапсового масла, этилового спирта и эфиров. Обе эти системы работают параллельно друг другу, т.е. основная система топливоподачи осуществляет подачу ДТ, а вспомогательная подачу рапсового масла, этилового спирта и эфиров.
2
x
y
x
2
При совместной подаче ДТ, рапсового масла, этилового спирта и эфиров путем добавления последних в топливный бак к основному топливу с получением единой смеси, в камеры сгорания дизеля при помощи двойной системы топливоподачи, работающей параллельно с основной, происходит снижение эмиссии CO, CO, CH, NO и C с отработавшими газами дизеля, что в свою очередь позволит улучшить экологические показатели за счет интенсификации химических реакций процесса горения топливо-воздушной смеси, снижения температуры горения и отработавших газов, а также наличием в альтернативном топливе O. В результате совместной подачи ДТ, рапсового масла, этилового спирта и эфиров не ухудшает процессы смесеобразования, фракционирования и турбулизации заряда, что приводит к сохранению мощностных показателей работы дизеля.
Технико-экономическое обоснование предлагаемого изобретения заключается в улучшении экологических и сохранении мощностных показателей работы дизеля.
Промышленная применимость данного способа заключается в возможности улучшить экологические показатели работы дизеля путем предварительного смешивания рапсового масла, этилового спирта и эфиров до получения единой смеси и подаче ее посредством двойной системы топливоподачи во впускной трубопровод раздельно или совместно с дизельным топливом, а также подаче в камеры сгорания дизеля дизельного топлива или единой смеси дизельного топлива, рапсового масла, этилового спирта и эфиров.
Дизель, в котором применен данный способ улучшения экологических показателей работы конструктивно не отличается от серийных дизелей, поэтому при конструктивных доработках, связанных с использованием предлагаемого технического решения может быть промышленно применен во всех конструкциях дизельных двигателей с использованием любых углеводородных топлив.
Таблица 1 - Результаты экспериментальных исследований экологических показателей работы дизеля при заправке в топливный бак
Параметр
Значения
ДТ100%
ДТ80%+20РМ%
ДТ55%+45%РМ
ДТ80%+20%Э
ДТ60%+40%Э
ДТ80%+20%ДМЭ
ДТ70%+30%ДМЭ
CO, %
0,10
0,095
0,081
0,09
0,08
0,092
0,082
CO<sub>2</sub>, %
12
11,6
10,1
11
10
9,8
9
C<sub>x</sub>H<sub>y</sub>, ppm
70
50
20
40
10
30
21
NO<sub>x,</sub>, ppm
1500
1300
800
1000
700
900
600
C, %
35
28
14
20
15
15
14
Таблица 2 - Результаты экспериментальных исследований экологических показателей работы дизеля при использовании двойной системы топливоподачи
Параметр
Значения
ДТ100%
ДТ90%+10РМ%
ДТ80%+20%РМ
ДТ75%+15%Э
ДТ80%+20%Э
ДТ90%+10%МЭРМ
ДТ80%+20%МЭРМ
CO, %
0,090
0,085
0,081
0,081
0,075
0,094
0,072
CO<sub>2</sub>, %
10
9,6
8,1
10
9
8,8
8
C<sub>x</sub>H<sub>y</sub>, ppm
60
50
25
30
20
28
24
NO<sub>x,</sub>, ppm
1400
1310
900
1100
800
950
700
C, %
32
29
19
21
18
16
15