Анализ влияния характеристик альтернативных видов топлива и смеси на рабочий процесс дизелей

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА И СМЕСИ НА РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ДИЗЕЛЕЙ

В.Т. Данковцев, канд. техн. наук, доц., В.В. Лукьянченко, аспирант

Аннотация. В статье рассмотрены физико-химические и эксплуатационные свойства альтернативных видов топлив применяющихся в транспортных средствах, дана оценка перспектив их использования. Обоснованна эффективность работы дизельного двигателя на смеси дизельного топлива и бутан-пропанового сжиженного газа. Предложены организационные мероприятия, позволяющие обеспечить надежную работу дизельного двигателя на этой смеси.

Ключевые слова: дизельный двигатель, сжиженный нефтяной газ, цетановое число, самовоспламенение.

Введение

Необходимость разработки и применения альтернативных видов моторного топлива обусловлена прогнозируемым падением добычи нефти после 2015 года. К этому времени Россия будет испытывать дефицит нефтепродуктов в размере до 4 млн.т в год (рисунок 1) [1].

В то же время добыча каменного угля и природного газа в период до 2020 года будет увеличиваться. Наряду с уменьшением мировых запасов нефти наблюдается тенденция повсеместного повышения цен на нефть и нефтяные топлива. В России цена одного литра дизельного топлива приблизилась к 20 рублей. Отмеченное повышение цен на нефть и нефтепродукты обусловлено также удорожанием добычи нефти и увеличением затрат на нефтепереработку, вызванным, главным образом, увеличением ее глубины и использованием при производстве моторных топлив, продуктов вторичных (деструктивных) процессов переработки конечных фракций и мазута (термического и каталитического крекинга).

т

2015 2020 2025 2030 2035Годы

Рис.1 Прогноз нарастания дефицита нефти в мире:

1- спрос на нефть, млн. баррелей в день;

2- добыча нефти, млн. баррелей в день

В США глубина переработки нефти составляет 90-98%. В России в настоящее время она достигла уровня 70% [1]. В соответствии с энергетической программой, реализуемой в России, планируется к 2020 году увеличить глубину переработки до 90%. Это позволит увеличить производство моторных топлив почти в 1,5 раза. Перспектива развития топливного баланса России характеризуется сравнительно небольшим приростом общего объема добычи и переработки нефти и значительным увеличением потребления моторных топлив, что приведет к их дефициту.

Проблема работы двигателей на других видах топлива тесно связана с задачей расширения и наиболее рационального использования топливных ресурсов. Это обусловлено возможностью более гибкого приспособления двигателей к изменяющемуся топливному балансу, определяемому добычей нефти, затратами на производство и транспортировку различных нефтепродуктов, использованием альтернативных топлив.

Виды альтернативных топлив и их эксплуатационные свойства

В настоящее время первое место в мире по потреблению на транспорте среди альтернативных топлив занимают сжиженные нефтяные газы (сжиженные углеводородные газы: пропан (С3Н8), бутан(С4Н10)), получаемые при переработке нефтяного (попутного) газа (рисунок 2).

Рис. 2 Схема переработки попутного нефтяного газа

Также к альтернативным видам топлива в настоящее время относятся:

• Природный газ: метан (СН4);

• Спирт: метанол (СН3ОН) и этанол (С2Н5ОН);

• Диметиловый эфир(СН3ОСН3);

• Водород (Н2);

• Биотоплива.

Природный газ в большинстве стран является наиболее распространенным видом альтер-

нативного моторного топлива. Природный газ в качестве моторного топлива может применяться как в виде компримированного, сжатого до давления 200 атмосфер, газа, так и в виде сжиженного, охлажденного до -160°С газа. Это и является основным недостатком, так как давление в баках 200 кгс/см2, само по себе представляет повышенную опасность, что усложняет штатную топливную систему. Физико-химические и моторные свойства топлив представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Физико-химические и моторные свойства топлив

показатели Дизельное топливо Природный газ (метан СН4) Сжиженный газ Этанол С2Н6 Деметил эфир С2Н6О Водо- род Н2

Пропан С3Н8 Бутан С4Н10

летнее зимнее

Массовые доли элементов углерода д водорода д кислорода д серы д 0,865 0,120 0,005 0,01 0,855 0,130 0,005 0,01 0,75 0,25 0,818 0,182 0,828 0,172 0,522 0,13 0,348 0,522 0,13 0,348 1

Молярная масса кг/кмоль 230 235 16 44 58 46 46 2

Плотность р при 20°С, кг/м3 836 820 0,66 502 578 810 660 0,082

Нормальная температура кипения (пределы разгонки), °С 180-360 180-340 -161,58 -42 -0,6 78 25 -252,8

Теплота па-рообразова- 220... 240 511(1=1 61,5°С) 420 390 910 -410 при 20°С -

ния при р=0,1 МПа, кДж/кг

Низшая теплота сгорания Нм, МДж/кг 42,8 43,03 50 46,35 45,75 26,9 27,6 120

Цетановое число Не менее 45 - - 12 8 >55 -

Температура самовоспламенения при р=1 бар, °С 250 650 504 430 420 235 -

Этанол (этиловый спирт), обладающий высоким октановым числом и энергетической ценностью, добывается из отходов древесины и сахарного тростника, обеспечивает двигателю высокий КПД и низкий уровень выбросов. Метанол как моторное топливо имеет высокое октановое число и низкую пожароопасность. Метанол может смешиваться с бензином и служить основой для эфирной добавки - ме-тилтретбутилового эфира, который в настоящее время замещает в США большее количество бензина и сырой нефти, чем все другие альтернативные топлива вместе взятые. Мало пригоден для использование в дизельных двигателях из-за низкого цетанового числа и высокой стоимости. Недостатком является возможное достижение больших значений среднего давления цикла из-за высокого значения теоретического коэффициента молекулярного изменения ц, вслед за метанолом по величине ц располагаются этанол и диммети-лэфир (ДМЭ).

Диметиловый эфир является перспективным видом топлива, где перспективность обусловлена тем, что сырьем для производства ДМЭ является природный газ и высокими эксплуатационными и экологическими свойствами (Таблица 1). Среди положительных эксплуатационных качеств ДМЭ в первую очередь необходимо отметить высокое цетановое число (5560 единиц). Наличие в молекуле ДМЭ атома кислорода обеспечивает полноту сгорания, что приводит к практическому отсутствию в камере сгорания нагара и сажистых частиц в отработавших газах, а также снижение температуры горения топлива в камере сгорания и, как следствие, снижение содержания оксидов азота в отработавших газах.

Отсутствие серы решает проблему содержания оксидов серы в отработавших газах, что является одной из наиболее актуальных проблем использования нефтяного дизельного топлива.

Наиболее существенными недостатками ДМЭ является в 1,5 раза меньшая теплота сгорания, 28900 и 42500 кДж/кг для ДМЭ и дизельного топлива соответственно, что ведет к увеличению расхода топлива. Недостатком является низкая кинематическая вязкость, что решается применением противоизносных присадок. Определенные сложности при внедрении ДМЭ связаны с его низкой температурой кипения (-24,8°С), что потребует создания инфраструктуры для хранения и использования данного вида топлива.

Из таблицы 2 следует, что наибольшее содержание трехатомных газов характерно для этанола и диметилэфира. Большое содержание трехатомных газов может оказать отрицательное влияние на экономичность и эффективность соответствующих циклов. Из других топлив минимальное содержание диоксида углерода обеспечивается при сгорании природного газа. На основании анализа данных таблицы 1 и таблицы 2 сжиженный нефтяной газ в сравнении с дизельным топливом имеет такие преимущества, как меньшее содержание СО2 в продуктах сгорания, экологичность при производстве, наличие заправочных станций. К достоинствам пропан-бутановых смесей можно отнести их более низкую цену по сравнению с традиционными моторными топливами. В то же время при применении сжиженного нефтяного газа сохраняются известные преимущества дизелей такие, как: высокая экономичность, воспламенение от сжатия и качественное регулирование, являющиеся наиболее надежным способом инициирования горения, высокая надежность.

Таблица 2 - Компоненты продуктов сгорания 1 кг топлива

Вид топлива Состав продуктов сгорания

СО2 ,% Н2О, % N2 , % I , % СО2 % Трехатомные газы, %

Дизельное топ- 3,190 1,134 11,256 15,450 20,65 28

лива

Пропан 2,995 1,647 12,166 16,800 17,80 27,6

Бутан 3,032 1,557 12,012 16,600 18,20 27,6

Метан 2,750 2,250 13,4 18,400 14,95 27,2

Метанол 1,375 1,125 5,02 7,520 18,30 33,2

Диметилэфир 1,914 1,170 6,976 10,060 19,00 30,65

Водород 0 9 26,780 35,780 0 25,15

Известно, что если в состав дизельного топлива входят различные углеводороды с числом атомов углерода в молекуле (п) примерно от 9 до 25, то в состав сжиженных газов входят углеводороды от 2 до 5, иногда до 7 атомов углерода. Последнее обстоятельство указывает на то, что сжиженные газы состоят из углеводородов с малым молекулярным весом, имеющим короткие структурные цепи. Поскольку воспламеняемость парафиновых и других углеводородов улучшается с увеличением числа углеродных атомов в молекуле, воспламенительные свойства сжиженных газов ухудшаются по сравнению с дизельным топливом. Так, если цетановое число для дизельного топлива имеет значение порядка 40 - 60, то для сжиженного газа оно составляет 16-25. Следует отметить, что худшая воспламеняемость газовых топлив влечет за собой увеличение периода задержки воспламенения. При этом наблюдается повышение максимального давления сгорания, неустойчивая работа, вызванная нестабильным самовоспламенением топлива, особенно на режимах с низкими частотами вращения и нагрузкой, ухудшением пусковых качеств двигателя. Одним из путей улучшения самовоспламеняемости пропан-бутановой смеси в дизеле является введение в ее состав некоторого количества дизельного топлива, а также повышение степени сжатия до £=22. На представленной на рисунке 3 зависимости нижняя кривая 1 изображает изменение ЦЧ смеси пропана дизельным топливом, а верхняя кривая 2 - смеси бутана. Заключенная между ними заштрихованная площадь соответствует ЦЧ различных по составу смесей бутана с пропаном и дизельным топливом [2]. Для современных транспортных дизелей, не приспособленных к работе на различных топливах, минимально допустимым с точки зрения нормального протекания рабочего процесса является цетановое число, равное 40. Надеж-

ная работа дизеля на топливной смеси обеспечивается при содержании в ней 60% дизельного топлива и 40% пропан-бутановой смеси. Для сохранения основной цели метода, требуется использование 15-20% дизельного топлива, что позволяет увеличить ЦЧ до 25-33 единиц (в зависимости от содержания бутана). Для достижение необходимого ЦЧ, вводятся присадки интенсифицирующие горение. При добавлении в дизельное топливо 1-1,5% такой присадки его ЦЧ увеличивается на 6-12 единиц. В качестве присадок, повышающих ЦЧ пропан-бутановой смеси, применяются бутил-нитрат, гидроперекись кумола.

ЦЧ

40

30

20

15

2 \ /£> У 1

О

40

80 Сдт. %

Рис. 3 Зависимость цетанового числа сжиженных газов и их смесей с дизельным топливом от их состава: смесь пропана (1) и бутана (2) с дизельным топливом; Сдт-концентрация дизельного топлива

Введение в топливную смесь 1-1,5% присадок повышает ее ЦЧ на 5-10 единиц (рисунок 4) [2]. В связи с тем, что введение дизельного топлива в топливную смесь необходимо для смазки деталей топливной аппаратуры, минимальное количество его ограничивается.

Углеводороды, входящие в состав сжиженных нефтяных газов, значительно различаются по давлению насыщенных паров [3], что позволяет производить сжиженные нефтяные газы, соответствующие времени года и климатическим условиям применения. Давление насыщенных паров пропан-бутановых смесей в зависимости от концентрации компонентов может изменятся в диапазоне, ограниченном кривыми 4 и 6 на рисунке 5. Сжиженный нефтяной газ, содержащий более 70% пропан, хорошо отвечает требованиям зимней эксплуатации. В летний период необходимо увеличить содержание в смеси бутана.

ич

36

32

28

20

16

Сгпк \ 1 *** I V \

Ч/

/ А 4^1 ^1 Сбн

/уК .г Сбн , \ ^

С у/ ш

с? у / \ Сгпк

0

1

2 Свн.Сгпк, %оШ

Рис. 4 Зависимость цетанового числа сжиженных газов и их смесей с дизельным топливом от содержание присадки: бутана (1) и пропана (2); Сбн-концентрация бутилнитрата; Сгпк- концентрация гидроперекиси кумола

Рис. 5 Зависимость давления насыщенных паров углеводородов, входящих в состав сжиженных газов, от температуры: 1-этилен;

2-этан; 3-пропилен;4-пропан; 5-изобутан; 6-нормальный бутан; 7- бутилен; 8-пентан

Важной с точки зрения эксплуатации особенностью сжиженных нефтяных газов является их относительно высокий коэффициент объемного расширения. Так плотность жидкого пропана при 0°С равна р=530кг/м3, а при +50°С - р=460кг/м3 видно, что удельный объем возрастает на 15,4% (рисунок 6) [2,3]. Это приводит к необходимости наличие до 10% свободного объема в топливных баках. При эксплуатации этот объем заполнен парами углеводородов, входящих в состав сжиженных смесевых топлив. Однако отбор газового топлива необходимо организовать в жидкой фазе. Длительная работа двигателя с отбором топлива из свободного объема недопустима, так как это приводит к переохлаждению топлива и неравномерному расходу компонентов, входящих в топливо. В первую очередь расходуются компоненты, обладающие наибольшим давлением насыщенных паров - пропан и пропилен. Это приводит к изменению свойств сжиженных смесей и может привести к нарушению работы топливоподающей системы.

1

. 3

.6 v 7

\

рт,кг/м

650

610

570

530

4.50

-60 -40 -20 О 20 40 ГО

Рис. 6 Зависимость плотности углеводородов парафинового и олефинового ряда в сжиженном виде от температуры: 1-нормальный пен-тан; 2-изопетан; 3-нормальный бутилен;

4-норамальный бутан; 5- изобутан; 6 -пропилен; 7-пропан

По сравнению с дизельным топливом сжиженный нефтяной газ имеет меньшую кинематическую вязкость, что приводит к увеличению утечек топлива в ТНВД и форсунках и ухудшению условий работы прецизионных пар топливоподающей аппаратуры. Для предотвращения повышенного износа плунжерных пар, нагнетательных клапанов и распылителей форсунок, обусловленного меньшей вязкостью сжиженного газа в сжиженный нефтяной газ вводят 15-20%дизельного топлива. Дизельное топливо хорошо растворяется в сжиженном нефтяном газе, образуя устойчивые смеси с более высокой вязкостью. Это не только улучшает смазывающие свойства топлива, но улучшает его воспламеняемость в камере сгорания дизеля, как указывалось выше. Добавление в сжиженный нефтяной газ дизельного топлива с целью увеличения его вязкости и улучшения воспламеняемости благоприятно скажется и на сжимаемости топлива. Так, сжимаемость смеси, состоящей из 80% сжиженного нефтяного газа и 20% дизельного топлива на 30-35% ниже сжимаемости чистой пропан-бутановой смеси.

Наши теоретические предположения процентного содержания сжиженного нефтяного газа и дизельного топлива в смеси подтвердились после запуска экспериментального стенда с быстроходным двухцилиндровым вихрекамерным дизелем 2Ч8,5/11. В холодном состоянии серийный дизель Ч8,5/11 запускается лишь при большой присадке дизельного топлива (30 - 40 %). В горячем состоянии двигатель запускается хорошо и при меньших присадках дизельного топлива (20 - 25 %), реагируя на изменение нагрузки и оборотов.

Заключение

Эксперимент показал, что для нормальной работы двигателя нужна смесь, состоящая из 30 - 40 % дизельного топлива и 60 - 70 % сжиженного газа. Для снижения содержания дизельного топлива в составе смеси сжиженного газа было решено использовать присадки. Введение присадок, интенсифицирующих горение, позволило добиться следующего состава обеспечивающего устойчивую работу: 15-20 % дизельного топлива, 76 - 83 % бутан-пропанового сжиженного газа, 2 - 4 % присадки. Смеси сжиженного газа с дизельным топливом составлялись в массовых единицах.

Библиографический список

1. Марков В.А., Гайворонский А.И., Грехов Л.В., Иващенко Н.А. Работа дизелей на нетрадиционных топливах. - М.: «Легион-Атодата», 2008. - 464 с.

2. Мамедова М.Д. Работа дизеля на сжиженном газе. - М.: Машиностроение, 1980. - 150 с.

3. Гуреев А.А., Иванова Р.Я., Щеголев Н.В. Автомобильные эксплуатационные материалы. -М.: Транспорт, 1974. - 280 с.

Study of the effect of alternative fuels and blends on the performance of diesel engine

V.T. Dankovcev, V.V. Lukyanchenko

This article deals with physicochemical and operational features of existing alternative fuel and evaluates the perspectives of their use. The author proves the efficiency of the use of blends of diesel oil and butane-propane liquefied gas for diesel engines. The author suggests organizational procedures which secure reliable performance of the diesel engine running on a given alternative fuel.

Данковцев Вячеслав Тихонович - канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры "Локомотивы" Омского государственного университета путей сообщения. Основное направление научных исследований - повышение эффективности работы дизелей подвижного состава. Имеет более 60 опубликованных работ.

Лукьянченко Вячеслав Вячеславович - аспирант кафедры "Локомотивы" Омского государ-

ственного университета путей сообщения. Ос- движного состава. Имеет 5 опубликованных ра-новное направление научных исследований - по- бот. E-mail: Omsk_develop@mail.ru вышение эффективности работы дизелей по-

Статья поступила 07.05.2009г.

УДК 629.113

ВЛИЯНИЕ ИЗНОСА ДЕТАЛЕЙ ГИДРОЦИЛИНДРА НА ТЕХНИКОЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ГИДРОПРИВОДОВ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДОРОЖНЫХ МАШИН

С.Н. Нураков, д-р техн. наук, проф.,

А.К. Томашец, канд. техн. наук, проф., В.В. Савинкин

Аннотация. В данной статье рассмотрены вопросы эффективности и надежности гидропривода, а именно влияние эксплуатационных факторов и физикохимических свойств рабочей жидкости гидросистемы на показатели долговечности гидропривода строительных и дорожных машин (СДМ).

Исследовано влияние величины износа сопряженных деталей гидроцилиндра «шток-цилиндр» на работоспособность гидропривода и технико-экономические и экологические показатели СДМ. Износ гидропривода определялся в зависимости от содержания железа в масле, которое устанавливалось весовым и спектральным способами. В результате испытаний установлено предельно допустимое значение износа геометрических параметров штока гидроцилиндра гидропривода СДМ.

Ключевые слова: гидромеханизмы, предельно-допустимые значения, механические примеси, технико-экономические показатели.

Предисловие

В 1927 году Нильс Бор дал формулировку одного из важнейших принципов квантовой механики - принципа дополнительности: дополнительными в квантовой механики являются пространственно - временная и энергетически - импульсная картины. Этот принцип получил широкое распространение, успешные попытки его применения имеются в машиностроении, психологии, биологии, этнографии, лингвистике и даже литературе [1].

В нашем случае принцип дополнительности проявляется как «система (гидропривод) -подсистема (механизмы) - элемент (детали)». Где каждое звено сложной конструктивнотехнологической системы должно обладать функциональной надежностью, подчиняться единому технологическому регламенту, а закономерности процессов взаимодействия гарантировать бесперебойность общего технологического ритма операций.

Введение

На большинстве строительных и дорожных машинах (СДМ) используется гидравлический тип привода рабочих органов. Широкое

применение гидравлических приводов на СДМ объясняется рядом их преимуществ: относительно малые габариты и масса, плавность хода, приспособленность к различным условиям работы, способность рабочей жидкости компенсировать ударные нагрузки и др.

Однако тяжелые условия эксплуатации СДМ, удаленность от баз и режимы циклически изменяющейся нагрузки отрицательно сказываются на эффективности их использования по причине снижения долговечности одного из основных агрегатов - гидропривода. Значительное влияние на долговечность гидроприводов оказывает техническое состояние такого дорогостоящего и дефицитного механизма, каким является гидроцилиндр.

На масленой поверхности штока гидроцилиндра, работающего в повышенной запыленности и жестких температурных режимах, оседает пыль, капли влаги и частицы грунта. Перемещаясь, шток увлекает их за собой, что приводит к нарушению герметичности манжет и повышенному изнашиванию сопряженных деталей гидропривода. Эти факторы являются причиной снижения безопасности, технико-