Газодизель, работающий на природном газе с запальной дозой ДМЭ

Газодизель, работающий на природном газе с запальной дозой ДМЭ

А.И. Гайворонский,

заведующий отделом ООО «Севморнефтегаз», к.т.н.,

A.М. Савенков,

заведующий лабораторией ООО «Газпром ВНИИГАЗ»,

B.А. Марков,

профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.

Проведены экспериментальные исследования дизеля типа ЯМЗ-236НЕ, работающего на природном газе. Для воспламенения природного газа в камере сгорания дизеля поочередно использовались запальные дозы дизельного топлива и диметилового эфира. Показана эффективность использования диметилового эфира в качестве запального топлива и возможность улучшения показателей токсичности отработавших газов дизеля при его работе на природном газе с запальной дозой диметилового эфира.

Ключевые слова: дизельный двигатель, дизельное топливо, диметило-вый эфир (ДМЭ), запальная доза топлива, токсичность отработавших газов.

Experimental Research on a Diesel Engine Using Natural Gas with Diesel Fuel and Dimethyl Ether as Pilot Fuels

A.I. Gajvoronsky, A.M. Savenkov, V.A. Markov

Experimental research on a diesel engine of the JAMZ-236NE type using natural gas has been conducted. For natural gas ignition in the diesel engine combustion chamber diesel fuel and dimethyl ether were used alternately as pilot fuels. Efficiency of dimethyl ether as a pilot fuel has been shown. A potential for exhaust toxicity characteristics improvement for a diesel engine using natural gas with dimethyl ether as a pilot fuel has been demonstrated.

Keywords: diesel engine, diesel fuel, dimethyl ether, pilot fuel, exhaust gas toxicity.

Одним из наиболее распространенных видов организации рабочего процесса двигателя, использующего природный газ (метан), является газодизельный процесс, при котором газ в цилиндрах двигателя воспламеняется от запальной дозы дизельного топлива [1, 2]. Более широкое внедрение газодизельного процесса в двигателях транспортного назначения сдерживается

необходимостью установки на двигателе двух систем топливоподачи (для газа и для запальной дозы дизельного топлива) и повышенными выбросами токсичных компонентов отработавших газов (ОГ) при реализации газодизельного цикла. Это объясняется, в частности, трудностью обеспечения требуемого качества рас-пыливания малой дозы дизельного топлива, обычно составляющей 5-15 %

от полной максимальной подачи топлива.

Перспективным представляется использование в качестве запального топлива легковоспламеняющихся альтернативных топлив. Особый интерес вызывает применение для этой цели диметилового эфира, который может быть получен из природного газа непосредственно на борту транспортного средства [3, 4], что исключает необходимость заправки транспортного средства одновременно двумя видами топлива. Кроме того, ДМЭ обладает хорошей воспламеняемостью в условиях КС дизеля, то есть отличается более высоким цетановым числом (55-60) в сравнении с традиционным дизельным топливом (45) и при нормальных условиях находится в газовой фазе (температура кипения составляет Г=-25 °С) [4]. Это создает предпосылки для повышения качества смесеобразования и сгорания и, следовательно, улучшения показателей топливной экономичности и токсичности ОГ.

Для определения возможности использования ДМЭ в качестве запальной дозы легковоспламеняющегося топлива в газодизельном двигателе и оценки его экологических показателей в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» проведены соответствующие экспериментальные исследования на моторном стенде, оборудованном необходимой измерительной аппаратурой [3] (рис. 1). При этом в качестве базового выбран двигатель ЯМЗ-236 НЕ (6 ЧН 13/14), который может работать как по традиционному дизельному, так и по газожидкостному циклам, то есть на природном газе, воспламеняющемся от впрыскиваемой в КС запальной дозы дизельного топлива или ДМЭ.

Система подачи газового топлива дизеля 7 содержала баллоны 2 с компримированным природным газом и газовый редуктор 3. Из дозатора 4 газ поступал в смеситель 5, установленный на входе во впускной патрубок центробежного компрессора 8, газовый дозатор 4, управляющий количеством подаваемого в газовоздушный смеситель природного газа, а также в заслонку 6 регулирования количества газовоздушной смеси.

Научные разработки и исследования

Система подачи запальной дозы дизельного топлива или диметилово-го эфира включала штатный для исследуемого двигателя шестиплунжерный топливный насос 9 высокого давления (ТНВД), который подает либо дизельное топливо из бака 13, либо ДМЭ из баллона 11. Используемый в качестве запального топлива ДМЭ хранился в баллоне 11 в жидкой фазе под давлением около 0,5...1,0 МПа. При этом в ДМЭ вводилась антифрикционная присадка лубризол, частично компенсирующая низкую вязкость ДМЭ (у ДМЭ Ут=0,22 мм2/с, у дизельного топлива Ут=3,8 мм2/с) и уменьшающая износ прецизионных деталей ТНВД и форсунок. Подача ДМЭ из баллона на вход ТНВД осуществлялась двумя подкачивающими насосами 10 с электроприводами, поддерживающими давление подкачки на уровне р>1,5 МПа. Это обеспечивало поддержание ДМЭ в жидком агрегатном состоянии в линии 12 подачи ДМЭ к ТНВД и предотвращало появление паровых пробок, нарушающих нормальную работу топливоподающей аппаратуры. Из топливного насоса ДМЭ под высоким давлением поступал к штатным форсункам 7 двигателя.

Управление количеством подаваемого в двигатель топлива осуществлялось регулированием количества как подаваемого природного газа, так и впрыскиваемого в КС запального дизельного топлива или ДМЭ. При этом регулировался и угол опережения впрыскивания ДМЭ в соответствии со скоростным режимом дизеля с помощью штатной муфты опережения впрыскивания ТНВД.

При испытаниях объемные концентрации в ОГ монооксида СО и диоксида СО2 углерода, а также углеводородов СН измерялись инфракрасным газоанализатором МЕХА-574GE фирмы НОШВА (Япония), а оксидов азота NOx - хемилюминесцентным газоанализатором RS-232L фирмы ЖЕМ (Япония). Дополнительно определялась дымность ОГ с помощью ручного дымомера МК-3 фирмы Наг^де (Великобритания). Дизель вначале исследовался на режимах внешней скоростной характеристики с частотой вращения коленчатого вала от 1000 до 2100 мин-1, затем были определены

показатели двигателя при его работе на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла, предусмотренного Правилами 49 ЕЭК ООН.

При работе на природном газе с запальной дозой дизельного топлива или диметилового эфира крутящий момент М и мощность N

кВт

150 130 110

90

GTn, кг/ч 40

30

20

Gr,Gn

кг/ч 25

20

15

10

ме

л ж i*

иг GB Ж

У N i

Йтд л- /

Стяз У н *

— ---О

Gr ---д

/ V У > / Сдмэз

£ ¿г * у X-X 1 О-----о 2 л---а 3

900 300 700

Gb , кг/ч 900

600 300

бтдз, кг/ч 6

1000 1200 1400 1600 1800 2000 П, мин'1

Рис. 2. Зависимость эффективной мощности N , крутящего момента М, расходов воздуха бв, дизельного топлива бтд, запальной дозы дизельного топлива бтдз,

природного газа бг, запальной дозы диметилового эфира бДМЭз от частоты вращения коленчатого вала п дизеля ЯМЗ-236 НЕ при работе на режимах внешней скоростной характеристики на различных видах топлива: 1 - дизельное топливо; 2 - природный газ + запальная доза дизельного топлива; 3 - природный газ + запальная доза ДМЭ

«Транспорт на альтернативном топливе» № 1 (19) январь 2011 г.

1Щ. tm .м^йв, чтФ т, в% пш чянш

исследуемого двигателя сохранялись практически такими же, как и при работе на дизельном топливе (рис. 2). На режиме с номинальной частотой вращения п=2100 мин-1 крутящий момент двигателя составил Ме=770 Н^м (N,=169 кВт), а на режиме с частотой вращения п=1300 мин-1 (режим максимального крутящего момента) получен крутящий момент двигателя Ме=880 Н^м (N=120 кВт).

При работе дизеля на режимах внешней скоростной характеристики на дизельном топливе его расход Отд увеличивался с 18 кг/ч на режиме с п=1000 мин-1 до 40 кг/ч на режиме с п=2100 мин-1. В процессе работы дизеля на природном газе с запальной дозой дизельного топлива увеличение частоты вращения в указанном диапазоне сопровождалось ростом расхода газа Gг. с 10 до 26 кг/ч. Такой же характер изменения подачи природного газа (10...24,9 кг/ч) отмечен и при организации его воспламенения от запальной дозы ДМЭ. При этом расход запальной дозы дизельного топлива Gтдз возрос с 3 до 8 кг/ч, а расход запальной дозы ДМЭ GДМЭз - с 10 до 21,9 кг/ч. Такое увеличение GДМЭз обусловлено заметно меньшей теплотворной способностью ДМЭ в сравнении с дизельным топливом (соответственно 28,9 и 42,5 МДж/кг), несколько меньшим расходом природного газа при работе с запальной дозой ДМЭ, а также утечками ДМЭ в ТНВД и форсунках из-за значительно меньшей, чем у дизельного топлива, вязкости ДМЭ.

Стендовые испытания дизеля ЯМЗ-236 НЕ с различной организацией рабочего процесса и опытным образцом системы топливоподачи показали, что при работе двигателя на природном газе с запальной дозой дизельного топлива на отдельных режимах замещение жидкого топлива природным газом составило 85 %. При работе на природном газе с запальной дозой ДМЭ жидкое моторное топливо (дизельное) полностью замещается газовым топливом.

Переход на работу с газовым топливом привел к изменению показателей токсичности ОГ исследуемого дизеля на режимах внешней скоростной характеристики (рис. 3). В частности, отмечено значительное

Рис. 3. Зависимость объемных концентраций в ОГ оксидов азота СШх, монооксида Ссо и диоксида Ссо углерода, углеводородов Ссн и дымности ОГ Кх от частоты вращения коленчатого вала п дизеля ЯМЗ-236 НЕ при работе на режимах внешней скоростной характеристики на различных видах топлива: 1 - дизельное топливо; 2 - природный газ + запальная доза дизельного топлива; 3 - природный газ + запальная доза ДМЭ

снижение дымности отработавших газов Кх. Так, на режиме с п=1000 мин-1 при переходе с дизельного цикла на газодизельный с воспламенением газа от запальной дозы дизельного топлива дымность ОГ снизилась с 67 до 8 % по шкале Хартриджа, а на режиме с п=2100 мин-1 - с 30 до 12 %. Еще значительнее оказалось снижение Кх при работе на природном газе с запальной дозой ДМЭ: на указанных скоростных режимах эта величина оказалась равной соответственно 4 и 9 %. Очень малая дымность ОГ газодизеля с воспламенением газа от запальной дозы дизельного топлива или ДМЭ по сравнению с дизельным циклом обусловлена отсутствием в природном газе ароматических и нафтеновых углеводородов, склонных к сажеобразованию в КС дизеля. Дополнительное снижение дымности

ОГ при воспламенении газа от запальной дозы ДМЭ объясняется наличием в молекуле этого эфира около 35 % кислорода, который участвует в окислении частиц сажи, образующихся в результате высокотемпературного разложения углеводородов топлива. В результате при сгорании ДМЭ общий коэффициент избытка воздуха оказывается более высоким, что способствует снижению выброса сажи.

Анализ других показателей токсичности ОГ дизеля, работающего на режимах внешней скоростной характеристики, показал, что газодизель отличается несколько большей концентрацией в ОГ оксидов NOх на режиме максимального крутящего момента при п=1300 мин-1 и близких к нему режимах, и несколько меньшей - на номинальном режиме при п=2100 мин-1. Так, на режиме

Научные разработки и исследования

Рис. 4. Зависимость расходов воздуха бв, запальной дозы дизельного топлива бтдз, природного газа вг, запальной дозы диметилового эфира бДМЭз от эффективной мощности Nв дизеля ЯМЗ-236 НЕ при работе с частотой вращения коленчатого вала п =1300 мин1 (а) и п=2100 мин1 (б) на различных видах топлива: 1 - природный газ + запальная доза дизельного топлива; 2 - природный газ + запальная доза ДМЭ

с п=1200 мин-1 концентрация NOx в ОГ газодизеля максимальна и составляет 1600^10-4 % (1600 ррт), а в ОГ дизеля - 1125^10-4 % (газовый двигатель, работающий на этом режиме с запальной дозой ДМЭ, имеет такую же концентрацию оксидов азота в ОГ, как и дизельный двигатель). На режимах, близких к номинальному, переход от дизельного цикла к газодизельным циклам с запальными дозами дизельного топлива и ДМЭ сопровождается уменьшением концентрации NOx в ОГ примерно в два раза (ориентировоч-

но с 1000^10-4 до 500^10-4 %). В целом, следует отметить, что наиболее низкие концентрации оксидов азота NOx в ОГ исследуемого дизеля отмечаются при его работе по газодизельному циклу с запальной дозой ДМЭ. Это объясняется более равномерным распределением топлива по объему КС дизеля с такой организацией рабочего процесса и снижением температур сгорания из-за внутреннего охлаждения рабочей смеси испаряющимся ДМЭ, имеющим почти в два раза большую теплоту испарения в

Ссог Д 8

5 2

С со

*104,% 2000

1500

1000

600

Ско*х104,% 1800

Ссог,%

л-ш • —2 к 1

И N Ссо 1 2 У

Снох £ //

я* /

ё Ссо Я

а ч \

¡1 и \\ V

1 л ,0- у"- < ;нх

4 N ч

1400 1000 ООО 200

Сен* *104,% 500

300

100

10 40 70 100 Ие.кВт

Ссо х104,%

2000 1500 1000 500

*---*>2 Сс к >2

.А" ¿-Л,

С| —«А 10* Л

й-в' Ц' —л, Ч \

// /,' О \\

/ л г

С М :нх

„Ъ %

Ч V

С мох х104% 600

200

Сен* *104,%

500 300 100

10

40 70 100 130 Л/е. кВт б

Рис. 5. Зависимость объемных концентраций в ОГ оксидов азота СМОг, монооксида СсО и диоксида СсО углерода и углеводородов Ссн от эффективной мощности Ыв дизеля ЯМЗ-236 НЕ при работе с частотой вращения коленчатого вала п =1300 мин1 (а) и п =2100 мин1 (б) на различных видах топлива: 1 - природный газ + запальная доза дизельного топлива; 2 - природный газ + запальная доза ДМЭ

ы

сравнении с дизельным топливом (соответственно 467 и 250 кДж/кг).

При экспериментальных исследованиях отмечено увеличение концентраций монооксида углерода СО и углеводородов СН в ОГ газодизеля, работающего на режимах внешней скоростной характеристики с запальными дозами дизельного топлива и ДМЭ в сравнении с дизельным циклом. Однако содержание диоксида углерода СО2 в ОГ газодизеля с воспламенением природного газа от запальной дозы дизельного топлива или ДМЭ значительно снижается в сравнении с дизельным циклом, что вызвано меньшим содержанием в природном газе атомов углерода (76 против 87 %) и большим содержанием водорода (24 против 12 %). Несколько меньшее содержание СО2 в ОГ газодизеля, работающего с запальной дозой ДМЭ, связано с еще меньшим содержанием углерода в молекуле ДМЭ

- всего около 52 %.

При снятии нагрузочных характеристик регулятор частоты вращения воздействовал на рычаг поворота заслонки газового дозатора. В результате расход природного газа Gr в исследуемом газодизеле возрастал при увеличении частоты вращения с п=1300 мин-1 (рис. 4а) до п=2100 мин-1 (рис. 46). Постоянная частота вращения коленчатого вала двигателя поддерживалась путем корректирования положения рычага управления регулятора после каждого очередного изменения нагрузки тормозного устройства испытательного стенда. Расход запальной дозы дизельного топлива сравнительно слабо изменялся при росте нагрузки и составлял около Gтдз=4,4...4,2 кг/ч на режимах с п=1300 мин-1 и G =9,5...8,5 кг/ч

тдз

- на режимах с п=2100 мин-1. Расход запальной дозы ДМЭ в этих условиях заметно возрастал до своих максимальных значений ДМЭ - GДМЭз=14 кг/ч на режимах с п=1300 мин-1 и G =21,9 кг/ч - на режимах с п=2100 мин-1 (см. рис. 4а и 46 соответственно).

Существенно зависят от нагрузочного режима и показатели токсичности ОГ. Концентрация NOx в ОГ возрастала по мере увеличения нагрузки, причем ее рост более интенсивен при п=1300 мин-1 (рис. 5а) и менее

Удельные массовые выбросы токсичных компонентов ОГ дизеля ЯМЗ-236 НЕ при различной организации рабочего процесса

Организация рабочего процесса Удельные массовые выбросы токсичных компонентов ОГ, г/

eNO» eCO eCH

Природный газ + запальная доза дизельного топлива 8,252 7,248 0,746

Природный газ + запальная доза диметилового эфира 6,786 6,154 0,819

Нормы на токсичность ОГ

«Евро-2» «Евро-3» «Евро-4» 7,0 4,5 3,5 4,0 2,0 1,5 1,1 0,6 0,5

интенсивен при п=2100 мин-1 (рис. 56). Максимальные концентрации NOx в ОГ отмечены на режиме максимального крутящего момента при п=1300 мин-1 (см. рис. 5а): при работе с запальной дозой дизельного топлива она оказалась равна СМОх=1600^10-4 %, а при работе с запальной дозой ДМЭ - С|П =1200^10-4 %.

ИОх

Концентрации СО и СН в ОГ имели максимальные значения на режимах с частичной нагрузкой. Максимум содержания оксида углерода в ОГ ССО=(2200...2300)-10-4 % наблюдался на режимах с п=2100 мин-1 и М,=100...120 кВт (см. рис. 56), а максимум содержания углеводородов в ОГ ССН=(400...420Н0-4 % - на режимах с п=1300, 2100 мин-1 и N =30...70 кВт

' е

(см. рис. 5а,6). Лишь при работе дизеля на режиме с п=2100 мин-1 с запальной дозой ДМЭ концентрация СН в ОГ монотонно увеличивалась с уменьшением нагрузки до значения ССН=650^10-4 % (см. рис. 56). Наличие максимумов концентраций СО и СН в ОГ объясняется неполнотой сгорания газового топлива в газодизеле из-за относительно низких температур сгорания на указанных режимах с неполной нагрузкой. На содержание СО и СН в ОГ влияет также указанное выше относительное содержание основного газового топлива и запального дизельного топлива или ДМЭ в рабочей смеси. Концентрации в ОГ диоксида углерода СО2 возрастали по мере увеличения нагрузки, причем менее интенсивно при п=2100 мин-1 (рис. 56) и более интенсивно при п=1300 мин-1 (см. рис. 5а).

Для анализа показателей токсичности исследуемого газодизеля с воспламенением природного газа от запальной дозы дизельного топлива и ДМЭ проведен расчет удельных

массовых выбросов токсичных компонентов ОГ двигателя на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла Правил Р 49-02 ЕЭК ООН. При работе газодизеля с запальной дозой дизельного топлива на указанных режимах не удалось выполнить требования общеевропейских норм «Евро-2» и «Евро-3» к токсичности ОГ дизеля по удельным интегральным выбросам оксидов азота еМОх и монооксида углерода еСО. Воспламенение природного газа от запальной дозы ДМЭ позволило значительно сократить выбросы оксидов азота еМОх с 8,252 до 6,786 г/(кВт-ч), то есть на 17,8 %, и обеспечить требования норм «Евро-2» по этому показателю (таблица). При переводе дизеля на работу с запальной дозой ДМЭ значительно снизился и выброс монооксида углерода еСО - с 7,248 до 6,154 г/(кВт^ч), то есть на 15,1 %. Но нормы «Евро-2» по этому показателю не выполняются в обоих случаях. Лишь по выбросу углеводородов еСН отмечено некоторое ухудшение показателей - с 0,746 г/(кВт-ч) при работе с запальной дозой дизельного топлива до 0,819 г/(кВт^ч) - при работе с запальной дозой ДМЭ (то есть на 9,8 %). Однако требования норм «Евро-2» по этому показателю выполняются в обоих случаях.

Таким образом, при организации работы исследуемого дизеля на природном газе с запальной дозой ДМЭ не удалось выполнить требования норм «Евро-2» лишь по одному нормируемому компоненту ОГ - монооксиду углерода. Для обеспечения этих требований, а также повышения топливной экономичности дизеля необходимо проведение дальнейших работ по совершенствованию систем подачи природного газа и ДМЭ в КС дизеля. В частности, желательно уменьшение протяженности топливных магистралей подачи ДМЭ с целью исключения их нагрева, увеличение давления подкачки ДМЭ (в линии низкого давления системы подачи ДМЭ) свыше 2 МПа. Целесообразна оптимизация соотношения подач природного газа и ДМЭ и организация регулирования по оптимизированным законам угла опережения впрыскивания ДМЭ на каждом эксплуатационном режиме работы дизеля. Необходимо также оснащение исследуемого дизеля средствами очистки ОГ. Проведенный предварительный анализ показывает, что реализация этих мероприятий позволит обеспечить требования действующих и перспективных стандартов на токсичность ОГ («Евро-3» и «Евро-4»).

Литература

1. Гайворонский А.И., Марков В.А., Илатовский Ю.В. Использование природного газа и других альтернативных топлив в дизельных двигателях. М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. - 480 с.

2. Ерохов В.И., Карунин А.Л. Газодизельные автомобили (конструкция, расчет, эксплуатация): Учебное пособие. М.: Изд-во «Граф-Пресс», 2005. - 560 с.

3. Гайворонский А.И., Савенков А.М., Лисицын Е.Б. Использование диме-тилового эфира для инициирования воспламенения метановоздушных смесей в двигателях внутреннего сгорания // АГЗК+АТ. - 2005. - № 5. - С. 66-70.

4. Работа дизелей на нетрадиционных топливах: Учебное пособие / В.А. Марков, А.И. Гайворонский, Л.В. Грехов и др. М.: Изд-во «Легион-Автодата», 2008. - 464 с.