Работа дизелей на водотопливных эмульсиях

Работа дизелей на водотопливных эмульсиях

B.А. Марков,

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

C.Н. Девянин,

профессор МГАУ им. В.П. Горячкина, д.т.н.,

B.А. Шумовский,

аспирант МГТУ им. Н.Э. Баумана,

C.А. Тарантин,

аспирант МГТУ им. Н.Э. Баумана

Проведены экспериментальные исследования дизеля Д-245.12С на водотопливных эмульсиях различного состава. Показана возможность улучшения показателей токсичности отработавших газов при использовании водотопливных эмульсий в качестве топлива для автомобильных дизелей.

Ключевые слова: дизельный двигатель, дизельное топливо, водотоп-ливная эмульсия.

Diesel Engines Running on Water-Fuel Emulsions

V.A. Markov, S.N. Devyanin, V.A. Shumovsky, S.A. Tarantin

Experimental work on D-245.12S diesel engine fueled with water-fuel emulsions of different percentage has been carried out. Possibility of exhaust toxicity characteristics improvement by using these water-fuel emulsions as a fuel for automobile diesel engines is demonstrated.

Keywords: diesel engine, diesel fuel, water-fuel emulsion.

Одной из главных задач совершенствования экологических показателей транспортных дизелей является снижение выбросов с отработавшими газами (ОГ) их основного токсичного компонента - оксидов азота, на долю которых приходится до 95 % суммарной токсичности ОГ [1]. При этом около 42 % выбросов этого вредного вещества в атмосферу приходится на автомобильный транспорт [2].

Образование NOx в камере сгорания (КС) дизеля происходит с поглощением теплоты, поэтому определяющее влияние на эмиссию этого

компонента с ОГ оказывает температура сгорания топлива, которую необходимо снижать. Это достигается при использовании эмульгированных топлив - водотопливных эмульсий (ВТЭ), которые являются эмульсиями дизельного топлива (ДТ) и воды [3].

Для оценки экологических показателей при использовании ВТЭ проведены экспериментальные исследования дизеля Д-245.12С (4 ЧН 11/12,5). Описание исследуемого дизеля и моторного стенда приведено в работе [4]. Дизель типа Д-245.12С испытывался на чистом ДТ и на ВТЭ

с объемным содержанием воды от 0 до 15 %. Для получения этих эмульсий использовано эмульгирующее устройство (рис. 1). Его конструкция защищена патентом РФ на полезную модель [5].

Эмульгирующее устройство состоит из основания 7 в виде массивной плиты, на которой закреплены четыре направляющие стойки 3. Реактор 76 выполнен в виде цилиндрической емкости с верхней 74 и нижней 77 крышками. Каждая из крышек снабжена патрубком 73 для впуска и выпуска реакционных сред. Нижняя крышка 77 имела четыре отверстия для стоек 3. Реактор 76 фиксировался с помощью гаек 2. В реакторе 76 установлены чередующиеся неподвижные 4 и подвижные 75 диски. Последние через шток 78 связаны с якорем 6 электромагнитного двигателя, статор 7 которого посредством фланца 8 связан со стойками 3 с помощью гаек 9. Между якорем 6 и реактором 76 на стойках 3 смонтированы три параллельных диска: внешние 5 и внутренний 72. Внешние диски фиксируются на стойках 3 с помощью гаек 77, а внутренний диск закреплен на штоке 78 на равном расстоянии от внешних дисков. В промежутках между

дтв

Рис. 1. Схема эмульгирующего устройства

Свойства ДТ и эмульгированных топлив

Физико-химические свойства Топлива

ДТ 92,5 % ДТ + 7,5 % воды 85,0 % ДТ + 15,0 % воды

Плотность при 20 °С, кг/м3 830,0 842,6 855,2

Вязкость кинематическая при 20 °С, мм2/с 3,800 - -

Коэффициент поверхностного натяжения при 20 °С, мН/м 27,1 - -

Теплота сгорания низшая, МДж/кг 42,5 39,3 36,1

Цетановое число 45 - -

Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 14,30 11,51 10,89

Массовая доля, % С Н О Н2О 87,0 12,6 0,4 0 80.5 11.6 0,4 7,5 74,0 10,7 0,3 15,0

Массовая доля серы, % 0,200 0,185 0,170

Примечание: « - » - параметр не приведен.

дисками установлены пружины 10, в совокупности с дисками образующие упругую систему устройства.

При эмульгировании топлива среды, подлежащие перемешиванию (ДТ и вода), через верхний патрубок 13 вводятся в реактор. При этом включается электромагнитный двигатель. Якорь 6 совершает колебательные движения с заданной частотой и амплитудой, которые определяют свойства ВТЭ. Колебательные движения якоря 6 через шток 18 передаются на подвижные диски 15, которые перемещаются между неподвижными дисками 4, что вызывает попеременное растяжение и сжатие сред, находящихся между дисками, и их турбулизацию. За счет перемещения внешних дисков 5 относительно внутреннего 12 корректируется собственная частота подвижной части устройства для приближения ее к фиксированной частоте вынуждающей силы, развиваемой якорем 6, и достижения резонансного режима работы устройства.

Для получения стойких ВТЭ этих компонентов применен эмульгатор (ПАВ) - алкенилсукцинимид мочевины (ТУ 38.1011039-85), представляющий собой вязкую, прозрачную, растворимую в углеводородах жидкость светло-коричневого цвета. Массовая

доля ПАВ в ВТЭ не превышала 0,5 %. Полученные эмульсии были достаточно стабильны: расслоение на две фракции происходило лишь после нескольких недель хранения. Однако первоначальные вид и свойства эмульсии (таблица) восстанавливались путем ее простого взбалтывания.

Свойства воды, используемой для получения ВТЭ, при 20 °С следующие: плотность 998,2 кг/м3; кинематическая вязкость 1,006 мм2/с; коэффициент поверхностного натяжения 72,7 мН/м.

При определении низшей теплоты сгорания эмульсий Ни (кДж/кг) применялась эмпирическая формула Д.И. Менделеева [3]

Ни = [81 С + 246 Н - 26 (О-Б) -

- 6 W] 4,1868,

где С, Н, О, Б, W - массовое содержание соответственно углерода, водорода, кислорода, серы и воды, %.

С учетом массовых долей С, Н, О, Б, W формула принимает вид

Ни = 33913 С + 102995 Н -

- 10886 О +10886 Б - 2512 W.

Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива

Рис. 2. Зависимость эффективной мощности Nв , крутящего момента Ме , расхода топлива вт , коэффициента избытка воздуха а, дымности ОГ Кх и удельного

эффективного расхода топлива де от частоты вращения п дизеля Д-245.12С на режимах ВСХ: 1 - ДТ; 2 - эмульсия 92,5 % ДТ и 7,5 % воды; 3 - эмульсия 85,0 % ДТ и 15,0 % воды

(кмоль/кг), определялось из выражений [3]

/.„=(1/0,21) (С/12 + Н/4 - О/32).

Для пересчета в (кг/кг) использовалась молекулярная масса воздуха Мв =28,93. Тогда l„=L„ Мв .

Испытания дизеля Д-245.12С проведены на моторном стенде АМО «ЗиЛ», оборудованном необходимой измерительной аппаратурой. Дизель исследовался при неизменном положении упора дозирующей рейки ТНВД с постоянным штатным УОВТ, равным 0 = 13° поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки (п.к.в. до ВМТ). На первом этапе испытания проведены на режимах внешней скоростной характеристики (ВСХ) дизеля в диапазоне частот вращения n от 1000 до 2400 мин-1. Затем были определены показатели дизеля при его работе на режимах 13-ступенчатого цикла Правил 49 ЕЭК ООН.

Результаты испытаний дизеля (рис. 2) свидетельствуют о том, что перевод дизеля с ДТ на ВТЭ не приводит к существенному изменению часового расхода топлива Gr (за исключением режимов с n < 1400 мин-1). Но при этом из-за пониженного содержания горючих углерода С и водорода Н в ВТЭ при их использовании мощност-ные показатели дизеля заметно снижаются. Так, при переводе дизеля с ДТ на эмульсию, содержащую 85 % ДТ и 15 % воды, на режиме максимального крутящего момента при n = 1500 мин-1 крутящий момент Ме снизился от 355 до 305 Н^м, а на режиме максимальной мощности при n = 2400 мин-1 - от 271 до 231 Н^м.

С ростом содержания воды в ВТЭ С от 0 до 7,5 % коэффициент избытка воздуха а сначала заметно увеличивается: на режиме максимального крутящего момента при n=1500 мин-1 - от 1,67 до 2,14, а на режиме максимальной мощности при n=2400 мин-1 - от 2,28 до 2,78. При дальнейшем росте С до 15,0 % не-

смотря на снижение содержания в эмульсии горючих компонентов (углерод С и водород Н) коэффициент избытка воздуха а изменяется незначительно. Это вызвано снижением температуры ОГ при росте С , падением эффективности системы газотурбинного наддува и уменьшением подачи воздуха в цилиндры двигателя.

Пониженное содержание горючих компонентов в эмульсиях (их пониженная теплотворная способность) при питании дизеля этими ВТЭ приводило к росту удельного

эффективного расхода топлива де (см. рис. 2). Однако при этом эффективность сгорания, характеризуемая эффективным КПД г|е, на большинстве режимов даже повышалась. Так, на режиме максимального крутящего момента при п=1500 мин-1 переход с ДТ на ВТЭ с содержанием воды С 7,5 и 15,0 % привел к росту Г|е от 0,386 до 0,402, а на режиме максимальной мощности при п=2400 мин-1 эффективный КПД пе сначала повысился от 0,332 до 0,342, а затем снизился до 0,327.

Использование ВТЭ позволило снизить дымность ОГ. Так, при

Рис. 3. Зависимость часового расхода топлива вт (а), объемной концентрации в ОГ оксидов азота СМОг (б), монооксида углерода СсО (в) и несгоревших углеводородов Ссн (г) от частоты вращения п и эффективного крутящего момента Ме дизеля Д-245.12С: 1 - ДТ; 2 - эмульсия 92,5 % ДТ и 7,5 % воды; 3 - эмульсия 85,0 % ДТ и 15,0 % воды

переходе от ДТ на эмульсию с содержанием воды С = 15,0 % на режиме максимального крутящего момента при л=1500 мин-1 дымность ОГ Кх снизилась от 28,0 до 18,0 %, а на режиме максимальной мощности при л=2400 мин-1 - от 16,0 до 8,5 % по шкале Хартриджа (см. рис. 2).

На втором этапе исследований дизель Д-245.12С испытывался на режимах 13-ступенчатого цикла. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при использовании ВТЭ на большинстве режимов расход топлива Gт несколько возрастал (рис. 3а). Это объясняется большей плотностью воды р=998,2 кг/м3 по сравнению с плотностью ДТ р=830 кг/м3 и, следовательно, большей плотностью ВТЭ.

Некоторое уменьшение часового расхода эмульгированных топлив Gт на режимах с пониженной частотой вращения и малой нагрузкой (например, на режимах с л=1500 мин-1 и Ме от 40 до 100 Н^м) объясняется повышенными утечками ВТЭ, вызванными их меньшей вязкостью, и снижением объемных подач этих топлив.

Вид топлива оказывает заметное влияние на выброс с ОГ оксидов азота. Характеристики содержания в ОГ оксидов азота СМОх (рис. 36) подтверждают возможность значительного снижения эмиссии этого токсичного компонента ОГ за счет подачи воды в КС дизеля. В частности, на режиме максимального крутящего момента при л=1500 мин-1 переход от ДТ на эмульсии с содержанием воды С 7,5 и 15,0 % привел к уменьшению С|П от 0,0750 до 0,0650 и 0,0550 %, а

ИОх I I

на режиме максимальной мощности при л=2400 мин-1 - от 0,0495 до 0,0460 и 0,0360 %.

Тип топлива влияет и на эмиссию с ОГ продуктов неполного сгорания топлива - монооксида углерода СО и углеводородов СН (рис. 3е,г). На режиме максимального крутящего

дс,г/

кг/ч

18

14

ю

3,0

2,6

2,2

1,8

1,4

-1

У

/

\ *">,, \ *" )». \

\

Ме, Нм

360

320

280

240

300

280

260

240

220

% 30

20

10

7,5

15,0 См,0,%

)Эе ,

—>

•ч кх

0,40

0,38 0,36

0,34

0,32

7,5

15,0 Сн2о,%

Рис. 4. Зависимость часового расхода топлива вт , эффективного крутящего момента М, коэффициента избытка воздуха а (а), удельного эффективного расхода топлива дв, эффективного КПД и дымности ОГ Кх (б) дизеля Д-245.12С от содержания воды СН О в ВТЭ на режимах ВСХ: 1 - на режиме максимальной мощности при п=2400 мин-1; 2 - на режиме максимального крутящего момента при п=1500 мин-

момента при л=1500 мин-1 переход с ДТ на эмульсии с содержанием воды С 7,5 и 15,0 % сопровождается снижением ССО от 0,0420 до 0,0270 и 0,0240 %. На режиме максимальной мощности при л=2400 мин-1 при таком переходе на ВТЭ эмиссия монооксида углерода сначала уменьшается от 0,0270 до 0,0210 %, а затем возрастает до 0,0240 %.

Влияние вида топлива на выбросы углеводородов неоднозначно. Это подтверждается следующими данными. На режиме максимального крутящего момента при л=1500 мин-1 переход от ДТ на эмульсии с содержанием воды С 7,5 и 15,0 % привел к изменению содержания ССН от 0,0340 до 0,0570 и 0,0325 %, а на режиме максимальной мощности при л=2400 мин-1 - от 0,0320 до 0,0540 и 0,0432 %.

Анализируя сводные характеристики (рис. 4) основных показателей дизеля Д-245.12С, работающего на режимах ВСХ на эмульсиях с различным содержанием воды С (от 0 до 15 %), следует отметить слабую зависимость часового расхода топлива Gт от содержания воды в ВТЭ СН2О , заметное снижение крутящего момента Ме при росте С от 0 до 15 % и повышение коэффициента избытка воздуха а с увеличением СН О.

При росте С в ВТЭ заметно увеличивался удельный эффективный расход топлива де. Однако на большинстве исследованных режимов эффективный КПД дизеля не снижался.

Переход на ВТЭ позволял заметно уменьшить выброс сажи. Так, на режимах ВСХ дымность ОГ Кх снижалась в целом на 35...50 %.

ёнО*п ÖCOj öCHl г/

©со /

/

7,5

15,0 CHjOP%

Рис. 5. Зависимость удельных массовых выбросов оксидов азота еМОх , монооксида углерода есО и несгоревших углеводородов есн с ОГ дизеля Д-245.12С от содержания воды СН О в ВТЭ на режимах 13-ступенчатого цикла

Оценка эксплуатационного расхода топлива на режимах 13-ступен-чатого цикла проведена по среднему условному удельному эффективному расходу топлива, который определялся с использованием зависимости [3]

13

а =М_,

беусл 13

IX,*,

где Gт . - расход топлива, г/ч; . - эффективная мощность на /-м режиме, кВт; К. - весовой коэффициент /-го режима (доля времени работы двигателя на этом режиме).

Поскольку ВТЭ имеют меньшую теплотворную способность (низшая теплота сгорания Ни), топливную экономичность дизеля целесообразно оценивать не удельным эффективным расходом топлива де , а эффективным КПД дизеля . Причем для интегральной оценки работы дизеля на режимах 13-ступенча-того цикла использован условный эффективный КПД, определяемый из соотношения

1еусл

3600

Ни Seyen

Результаты расчетов по изложенной методике подтверждают возможность заметного снижения эмиссии оксидов азота с ОГ дизеля Д-245.12С при его переводе с ДТ на ВТЭ. Так, при работе на режимах 13-ступенчатого цикла и переходе с ДТ на эмульсии с содержанием воды Сн О 7,5 и 15,0 % удельный массовый выброс оксидов азота еМОх уменьшился от 6,610 до 5,916 и 4,849 гДкВт^ч), то есть в целом на 26,6 %. При этом эффективный КПД дизеля г|е повысился от 0,341 до 0,360 и 0,361, то есть в целом на 5,9 %. Более сложная зависимость от содержания воды в ВТЭ характерна для выбросов монооксида углерода еСО и углеводородов еСН . При переходе с ДТ на эмульсии с содержанием воды С 7,5 и 15,0 % на режимах 13-ступенчатого цикла интегральный удельный массовый выброс монооксида углерода еСО сначала уменьшился от 3,612 до 2,905, а затем возрос до 4,648 г/(кВт^ч). При этом выброс углеводородов есн сначала возрос от 1,638 до 2,730, а затем снизился до 2,522 г/(кВт^ч).

Рост эффективности сгорания (эффективный КПД дизеля и снижение дымности ОГ при работе на ВТЭ объясняются улучшением смесеобразования за счет возникновения так называемых микровзрывов, наблюдающихся при повышенных температурах в КС дизеля и обусловленных более высокой испаряемостью воды по сравнению с ДТ [3].

При использовании ВТЭ с большим содержанием воды возникают проблемы с организацией эффективного сгорания. В частности, при испытаниях дизеля Д-245.12С на эмульсии, содержащей 70 % ДТ и 30 % воды, не удалось организовать запуск холодного дизеля. Это объясняется недостаточной температурой на конечной стадии сжатия для стабильного самовоспламенения указанной эмульсии (эта температура

снижается за счет большой теплоты испарения ВТЭ), вследствие чего полный цикл испытаний дизеля на этой эмульсии не был закончен.

Для работы двигателя на эмульсиях с большим содержанием воды необходимо повышение температурного уровня деталей КС и рабочей смеси. Это возможно при работе на предварительно прогретом двигателе с поздней подачей топлива (работа с уменьшенным углом опережения впрыскивания топлива), увеличении давления наддувочного воздуха (без его охлаждения), рециркуляции части ОГ, теплоизоляции поверхностей деталей, образующих КС, и др.

Проведенный комплекс экспериментальных исследований подтвердил возможность и эффективность использования эмульгированных топлив в отечественных транспортных дизелях.

Литература

1. Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 376 с.

2. Чертков Я.Б. Моторные топлива. - Новосибирск: Наука, 1987. - 208 с.

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

4. Марков В.А., Девянин С.Н., Маркова В.В. Использование подсолнечного масла в качестве топлива для дизеля // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - № 5. - С. 42-47.

5. Патент на полезную модель № 104091. Деникин Э.И., Нетеса Ю.Д., Тарантин Д.С., Тарантин С.А. Устройство для осуществления физико-химических превращений в разнофаз-ной среде // Изобретения. Полезные модели. - 2011. - № 13.