Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы, цель и задачи исследования 13
1.1. Анализ факторов, определяющих опасность применения топлив нефтяного происхождения на автомобильном транспорте 13
1.2. Современные топлива для автотранспорта и требования к их безопасности 27
1.3. Анализ исследований, посвященных разработке альтернативных топлив, в частности ВТЭ, для ДВС транспортных средств 35
1.4. Анализ исследований по изучению физико-химических основ воздействия воды на процесс сгорания углеводородных топлив 48
1.5. Анализ методов приготовления и применения ВТЭ в ДВС 53
1.6. Выводы по обзору. Цель и задачи исследования 61
2. Анализ и обоснование физико-химических гипотез влияния диспергированной воды на механизмы окисления топлива в цилиндрах ДВС 70
3. Постановка экспериментальных исследований, объекты испытаний, лабо-раторно-стендовое оборудование 94
4. Результаты экспериментальных исследований 114
4.1. Результаты исследования физических характеристик ВТЭ на лабораторных установках 114
4.2. Результаты моторных испытаний ВТЭ 132
5. Обоснование эффективности внедрения результатов диссертационного исследования 142
Общие выводы по диссертации 148
Список использованной литературы 157
- Современные топлива для автотранспорта и требования к их безопасности
- Анализ исследований, посвященных разработке альтернативных топлив, в частности ВТЭ, для ДВС транспортных средств
- Результаты исследования физических характеристик ВТЭ на лабораторных установках
- Результаты моторных испытаний ВТЭ
Введение к работе
Безопасность автомобильного транспорта гражданского и специального назначения сегодня в значительной степени определяется
во первых, пожароопасностыо (способностью к возгоранию) используемого топлива [63, 98] и
во вторых, эмиссией в окружающую среду с продуктами горения топлива в цилиндрах ДВС вредных (загрязняющих) веществ [1, 2, 20, 37, 41, 50, 99, 105], опасных для здоровья как гражданского населения (особенно в крупных городах), так и личного состава боевых расчетов, находящихся длительное время в зоне выброса отработавших газов и топливных испарений: СО, СН, NOx, БП, РМ [41, 48, 51, 57, 85].
В последние годы в крупных городах России наблюдалось резкое увеличение количества транспортных средств [56, 57, 62]. Так, в городе Санкт-Петербурге с 1980 года по настоящее время количество транспортных средств возросло более чем в восемь раз, примерно, с 200 тыс. до 1 млн. 700 тыс. единиц.
По состоянию на начало 2006 года [69, 70] только в городе Санкт-Петербурге было зарегистрировано за физическими лицами 1 279 493 единицы транспортных средств. Из них: 1 013 764 легковые автомобили, 104 841 грузовые, 18 735 автобусы и 58 158 единиц мототранспорта. Если учесть еще и транспортные средства в количестве 441 068 единиц, принадлежащих юридическим лицам, то общее количество ТС, зарегистрированных в Санкт-Петербурге, составило 1 720 561 единиц.
Автомобильный транспорт, благодаря наличию топлива, обладает пожарной опасностью [63, 98]. В конструкциях современных электронно-управляемых транспортных средств [57, 64, 68] появились новые источники мощного инфракрасного (теплового) излучения - пламегасители, системы термокаталитической нейтрализации ОГ, каталитически-регенерируемые сажевые фильтры и т. д.
Отмеченные обстоятельства привели сегодня к глобальной проблеме загрязнения ОГ атмосферного воздуха автотранспортом [43, 52, 56, 72, 75] и значительного роста числа возгораний автотранспорта, основную пожарную нагрузку которых составляет бортовое топливо, а основным источником воспламенения - топливные подтеки и топливные испарения.
Рассмотренные проблемы самым непосредственным образом касаются безопасности пожарных автомобилей (ПА) [63, 64, 98] и личного состава, в течение продолжительного времени подвергаемого опасному воздействию токсичных и канцерогенных веществ ОГ. ПА при выполнении боевых задач по локализации и тушению пожаров, порою, должны находиться в непосредственной близости с зонами огневого воздействия - в области интенсивного инфракрасного (теплового) облучения. Для таких чрезвычайных экстремальных условий желательно, чтобы применяемое топливо на ПА обладало более высокими значениями температуры вспышки и при сгорании выделяло в окружающую среду меньше токсичных и канцерогенных веществ, по сравнению с традиционным топливом нефтяного происхождения.
Уровень современного развития техники и технологии позволяет управлять отмеченными негативными явлениями [4, 6, 20, 40, 60, 70, 91, 99, 106, 121], способными приводить к опасным чрезвычайным ситуациям. Теоретическими предпосылками управления процессами образования вредных веществ является изучение физики и химии (кинетики) воспламенения и горения смесевых топлив в естественных условиях [1, 19, 54, 73, 79, 89, 90] и их сгорания непосредственно в цилиндрах ДВС [13, 38, 58, 59, 74, 75, 76, 84, 104, 120].
Эффективным способом решения обозначенных проблем является применение нетрадиционных, альтернативных топлив, обладающих необходимыми свойствами. Так, показана возможность создания стабилизированных ВТЭ на основе дистиллятиого топлива [22, 33 и др.]. Таким образом, мы сталкиваемся с вопросом управления свойствами топлива. Он может решатся заменой топлива на нетрадиционное горючее ( водород, биологическое сырье
6 и т. д.) [20, 71, 81, 95] или «легированием» традиционного топлива специальными присадками. Последние целенаправленно изменяют свойства топлива, например, температуру вспышки, или, одновременно с этим, изменяют кинетику окисления основного топлива таким образом, чтобы в результате его сгорания отработавшие газы содержали меньшее количество вредных веществ [23, 33, 48, 55, 61, 108].
То есть весьма актуальным становится решение задач понижения пожарной опасности и токсичности сгорания топлива путем «легирования» традиционного топлива такими присадками, которые бы одновременно приводили к росту температуры вспышки (уменьшения опасности возгорания топлива в естественных и экстремальных условиях пожара) и уменьшению эмиссии в окружающую среду с ОГ вредных (загрязняющих) веществ. Но, при этом данные задачи должны решаться компромиссно с минимизацией риска ухудшения эффективных энергетических показателей транспортных средств - мощности и расхода традиционного (основного) топлива ДВС.
Заметным событием, повышающим актуальность решения данных проблем для отечественной автомобильной промышленности, которое уже коснулось и ПА, стало принятие Правительством РФ специального Технического регламента «О требованиях к выбросам вредных (загрязняющих) веществ колесных транспортных средств, выпускаемых в обращение на территории Российской Федерации» (Постановление правительства РФ № 609 от 12 октября 2005 года) [82]. В соответствии с данным Постановлением определен порядок и сроки поэтапного введения требований ЕЭК ООН по нарастающему уровню в период с 2006 года до 2014 года (Евро-5). «Экологической планкой» для базовых шасси ПА становится, начиная с 2006 года, уровень нормативов Евро-2, что требует научно-технического поиска не только общих, но также и специфичных, применительно к особенностям боевой работы ПА, новых конструктивно-технологических решений.
В настоящее время на вооружении частей ГПС МЧС России находится значительная часть техники, оснащенная ДВС технического уровня Евро-0 и Евро-1. Это связано с тем, что,
во-первых, на полное перевооружение частей ГПС существенно более дорогой новой техникой не хватает финансовых средств,
во-вторых, ПА за 10-15 лет эксплуатации, как правило, нарабатывают ресурс от 50 до 70 тыс. км пробега, что позволяет их эффективно использовать по основному назначению в течение данного и, даже, более отдаленного периода времени.
В связи со сказанным, применительно к условиям реальной эксплуатации ПА, становится актуальным их перевод на альтернативные топлива.
На ранних этапах технического развития двигателестроения (первая половина прошлого века) в камеры сгорания ДВС автотракторного назначения могла подаваться вместе с топливом вода [76, 94]. В те годы необходимость добавок (впрыска) воды определялась исключительно снятием температурной напряженности деталей, ограничивающих камеру сгорания ДВС, так как применяемые конструкционные материалы имели сравнительно низкую температурную стойкость. По мере использования в двигателестроении жаропрочных сталей ослабевал интерес к применению воды, как доступного и относительно дешевого средства снижения тепловой напряженности двигателей. Однако в последние десятилетия новь возрос интерес к применению в ДВС воды, но уже по причинам пожарной опасности и токсичности сгорания топлива [66, 85, 92, 93, 96, 110, 110, 116, 121-123]. Например, по ранним исследованиям фирмы СЕМТ Пилстик [42] использование воды на дизельных двигателях рассматривалось в качестве безальтернативного, главным образом с коммерческой точки зрения, способа борьбы с окислами азота.
Известно, что наличие воды в топливе в форме «линз», т. е. в макрообъемах, недопустимо по действующим отечественным и международным стандартам [30-32, 82]. В такой форме вода - не обладает смазывающей спо-
собностью, как соляровое масло, необходимой для нормальной работы плунжерных пар ТНВД;
коррозионно и биологически агрессивна в отношении применяемых в ДВС металлов; наконец, попадая в цилиндры двигателя,
приводит к пропускам воспламенения топлива и, как следствию, -неустойчивой работе двигателя, а также повышенному выбросу с ОГ опасных углеводородов [33].
Совершенно другие свойства, противоположные отмеченным негативным признакам, проявляет вода, составляющая с топливом коллоидную систему - водно-топливную эмульсию (суспензию) [45, 46, 53, 65-70, 77, 112, 117-119]. При этом наилучшей смазывающей способностью и эффективностью сгорания обладают, так называемые в теории растворов, «обратные» эмульсии [17, 33, 35, 45, 46, 78], в которых частички воды микронных размеров находятся в топливных оболочках (пленках) и не вступают в контакт с металлическими поверхностями топливных баков, топливопроводов, ТНВД, форсунок. Такие частички разрушаются только при попадании в цилиндры двигателя в процессе испарения и смесеобразования, по некоторым известным гипотезам, - в форме «микровзрывов» [33, 97].
Однако, результаты апробации указанного метода, его широкое применение сдерживается рядом объективных и субъективных причин. Объясняется это все еще недостаточной изученностью теории данного явления и надежного подтверждения гипотез экспериментальной практикой. В частности, в случае присадки воды к топливу, все большее признание завоевывает точка зрения, что улучшение топливной экономичности и экологических параметров дизелей при сгорании ВТЭ связано с химическими аспектами воздействия воды на процессы в КС дизеля [42, 109 и др.]. Однако до сих пор существуют самые разнообразные версии механизмов воздействия воды, подтвержденные зачастую лишь косвенными результатами.
Следует отметить, что, несмотря на наличие значительного количества работ, подтверждающих целесообразность использования ВТЭ на транс-
портных двигателях, - как теоретические исследования, касающиеся объяснения природы (механизмов) воздействия топливных эмульсий на процессы окисления топлива в цилиндрах ДВС, так и результаты экспериментальных исследований, подтверждающих эффективность применения топливных эмульсий в ДВС, на сегодняшний день, разрозненны и во многом противоречивы. Они не содержат надежных (или универсальных) рекомендаций в отношении
способов приготовления и применения эмульсий на транспортных двигателях;
конструктивного исполнения оборудования для приготовления ВТЭ в стационарном и бортовом применении;
методов и аппаратуры контроля влагосодержания в эмульсии;
подбора ПАВ в зависимости от вида топлива (дизельное, бензин, мазут) и климатических условий его применения (для зимних условий - связанных с вопросом фильтрации ВТЭ);
конкретных сведений об особенностях молекулярной структуры рекомендуемых ПАВ и седиментационной стойкости ВТЭ и, самое главное,
оптимальных рецептур в отношении одновременного достижения эффектов пожарной и токсикологической безопасности в пределах требований на мощность и топливную экономичность транспортных энергетических установок.
Таким образом, на сегодняшний день становится весьма актуальным проведение изысканий по научному обоснованию и применению на транспортных средствах, в особенности, - специальных (ПА) альтернативного топлива - ВТЭ с целью уменьшения опасности и повышения эффективности их использования в реальных условиях эксплуатации.
Как было отмечено ранее, для решения этих вопросов необходима целенаправленная оптимизация состава и структуры ВТЭ с учетом применяемых конструкций и регулировочных возможностей ТА двигателей, прежде всего, - цикловой подачи ВТЭ. При этом для достижения отмеченной цели
уменьшения опасности и удовлетворения эффективности применения транспортных средств в реальных условиях, необходимо обеспечить более высокие значения температуры вспышки альтернативного топлива, требования к дымности и токсичности ОГ и основным показателям эффективности - мощности, топливной экономичности ДВС, при учете эксплуатационных свойств
втэ.
Таким образом, применительно к современному этапу эксплуатации транспортных средств, в особенности, - специальных (ПА), на которых установлены ДВС, становится актуальным решение следующих научно-технических задач:
систематизация современной информации и теоретическое (феноменологически - на уровне гипогез) обоснование эффективности применения ВТЭ, априорно обладающей пониженной пожароопасностью (более высокими значениями температуры вспышки), на ДВС транспортных средств;
разработка и изготовление оборудования для приготовления и контроля влагосодержания ВТЭ в стационарном и бортовом применении;
обоснование рецептуры ПАВ в зависимости от вида основного топлива (дизельное, бензин, мазут);
проведение лабораторных и стендовых (на полноразмерном транспортном двигателе) экспериментальных исследований по определению температуры вспышки, молекулярной структуры рекомендуемых ПАВ, седимен-тациоиной стойкости ВТЭ и оптимальных рецептур в отношении одновременного достижения эффектов пожарной и токсикологической безопасности в пределах требований на мощность и топливную экономичность транспортных энергетических установок.
Отмеченные цель и задачи легли в основу настоящего диссертационного исследования, экспериментальная часть которого была проведена на стендовой установке с транспортным двигателем Д21А1.
Научная новизна результатов диссертации определяется обоснованными феноменологическими гипотезами физико-химического воздействия ВТЭ
11 на смесеобразование и ингибирование процессов образования вредных веществ (сажи и оксида азота) в цилиндрах транспортных ДВС; выявленными отличиями молекулярной структуры ПАВ от молекулярной структуры дистиллированной воды, которые объясняют свойство седиментации (устойчивости) и гипотезы о механизмах воздействия ВТЭ на процесс сгорания основного топлива в цилиндрах ДВС; полученными закономерностями изменения показателей безопасности по Техническому регламенту Постановления Правительства РФ № 609 от 12 октября 2005 года (в отношении дымности и токсичности ОГ) в зависимости от состава ВТЭ; теоретически и экспериментально обоснованными рекомендациями по технологии приготовления и составу ВТЭ для двигателей транспортных средств применительно к эксплуатационным условиям.
Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Пожарная, аварийно-спасательная техника и автомобильное хозяйство» Санкт-Петербургского Университета ГПС МЧС России. Отдельные лабораторные и стендовые эксперименты проводились с участием автора на ПТЦ ГПС Санкт-Петербурга и Ленинградской области, в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН, СПб. химико-технологическом Университете, ОАО ЦНИТА.
Результаты выполненного исследования внедрены в учебном процессе и использовались при выполнении научно-исследовательских работ по целевым программам СПб университета ГПС МЧС России, внедрены в ООО «Новгородское пассажирское автотранспортное предприятие-1» ДУ, внедрены в ОАО ЦНИДИ, СПбГАУ. Полученные результаты могут быть также использованы на предприятиях, эксплуатирующих двигатели и транспортные средства в условиях ограниченного воздухообмена, разработчиками присадок к топливу.
По результатам диссертационного исследования на защиту выносятся следующие положения.
Обобщенная феноменология физико-химических механизмов воздействия ВТЭ на процесс горения основного топлива, ингибирования образования сажи и окислов азота в цилиндрах транспортных ДВС.
Выявленные отличия молекулярной структуры ПАВ от молекулярной структуры дистиллированной воды, объясняющие седиментацию (устойчивость) ВТЭ и ее специфические свойства воздействия на процесс сгорания в цилиндрах ДВС.
Теоретически и экспериментально обоснованные рекомендации по технологии приготовления и составу ВТЭ для двигателей транспортных средств в эксплуатационных условиях применения.
Закономерности комплексного влияния состава ВТЭ на показатели мощности, топливной экономичности, дымности и токсичности ОГ транспортного ДВС по стандартизованным процедурам испытаний.
Рекомендации по расширению применимости ВТЭ совместно с конвертированием системы выпуска ОГ в целях удовлетворения требованиям безопасности применения транспортных средств по специальному техническому регламенту, утвержденному Постановлением Правительства РФ № 609 от 12 октября 2005.
Современные топлива для автотранспорта и требования к их безопасности
Улучшение эксплуатационных характеристик ДВС (в первую очередь, повышение их экологической безопасности, коэффициента полезного действия и надежности) в современной автомобильной индустрии происходит по следующим основным направлениям [48, 57]: - разработка новых и совершенствование существующих конструкций энергосиловых установок; - применение современных технологий и конструкционных материалов при производстве автомобильных двигателей; - улучшение качества горюче-смазочных материалов (ГСМ).
Как было ранее отмечено, около 30 % интегральной опасности АТС связано с химическим загрязнением окружающей среды отработавшими газами и топливными испарениями двигателей внутреннего сгорания (ДВС), причем с явным негативным доминированием показателей качества топлива.
Что касается ГСМ, то характерной особенностью прогресса в данной области является систематический пересмотр национальных и международных стандартов, определяющих качество ГСМ, в сторону ужесточения требований пожарной, экологической безопасности и эксплуатационных требований.
Инициирующим фактором данного процесса являются постоянно ужесточаемые в законодательном порядке нормы токсичности выхлопа, а также расхода моторного топлива и масел [57]. Так, принятый в 1997 г. 160 странами Киотский протокол (ратифицирован Государственной Думой РФ в 2004 году), обязал промышленно развитые страны сократить к 2008 - 2012 гг. выбросы газов, способствующих парниковому эффекту (в т. ч. окислов азота, метана, углекислого газа и др.), в среднем на 5,2 % по сравнению с уровнем 1990 г.
Отмеченные обстоятельства в значительной мере определяют сегодня основные направления альтернативной энергетики (например, использования водорода в качестве топлива) и развития нефтеперерабатывающей промышленности в Мире - это, прежде всего [56]:
- коренная реконструкция и модернизация существующих нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) со строительством установок обессеривания для уменьшения содержания серы в бензине и дизельном топливе до сверхнизких уровней. По данным Национальной Ассоциации нефтехимических и нефтеперерабатывающих фирм (NPRA) в США, например, потребуется 8 млрд. долл. капвложений в НПЗ для повышения качества моторных топлив до уровня, соответствующего новым требованиям Американского Агентства по охране окружающей среды (ЕРА). Во Франции, по данным Объединения промышленных предприятий в области нефти (UFIP), для удовлетворения новых требований по качеству нефтепродуктов к 2005г. потребуется 1 млрд. франков капвложений на каждый НПЗ Франции. В Западной Европе общий объем необходимых капвложений оценивается в 20-25 млрд. долл. При этом, в связи с нехваткой средств на переоборудование в Европе ожидается закрытие 15-20 НПЗ;
- резкое, многократное увеличение мощностей по гидроочистке дис-тиллатов на НПЗ (в ряде случаев до 4-х раз), разработка прогрессивных способов очистки. В Калифорнии, США уже внедрены новые процессы очистки, позволившие начать производство бензинов и дизельных топлив нового поколения;
- общий рост доли деструктивных процессов глубокого превращения (крекинга) нефтепродуктов. Эта доля в странах Западной Европы и Азиатско-тихоокеанском регионе достигла 21%, от объема первичной перегонки, в Южной Америке -24%, а в странах Северной Америки приближается к 50% и к 2005г. достигнет 52%. В России и странах СНГ эта доля остается на значительно более низком уровне (9%);
- разработка и расширение применения специальных процессов деаро-матизации бензинов с целью снижения содержания ароматических углеводородов в них, особенно бензола, путем его гидрирования и насыщенищание комбинированных установок, сочетающих в одной установке проведение двух и более технологических процессов;
- расширение строительства в составе НПЗ целевых производств водорода из углеводородного сырья с целью удовлетворения растущих потребностей новых процессов глубокой и сверхглубокой гидроочистки, а также гидрокрекинга;
- разработка путей замены МТБЭ в качестве высокооктанового компонента на этанол, метанол, бензин-алкилат, изомеризат или другие добавки;
- разработка процессов переработки т. н. «синтетической нефти» (сланцевой смолы, битуминозной нефти, продуктов сжижения угля и т. п.), которые по своим свойствам близки к остаткам перегонки обычной нефти;
- расширение производства нового поколения смазочных масел с использованием процессов каталитической депарафинизации и изомеризации, в результате которых из масляных фракций удаляются ароматические и полициклические соединения с образованием изопарафинов;
- общее технологическое совершенствование процессов и конструктивно-техническое развитие оборудования с целью снижения энергозатрат, минимизации потерь продукции, повышения надежности и безопасности процессов, замена периодических процессов непрерывными технологиями.
Анализ исследований, посвященных разработке альтернативных топлив, в частности ВТЭ, для ДВС транспортных средств
На фоне наблюдаемых роста потребности к энергоресурсам и, в перспективе, - уменьшения добычи нефти (рис. 1.1), значительная часть современных исследований топлив посвящена разработке и применению на транспортных средствах, так называемых, альтернативных горючих, - водорода, СПГ, СНГ, спиртов (таблица 1.5), биологического топлива, и т. д., а также традиционных топлив (дизельное, бензин), «легированных» специальными присадками: органическими, металлоорганическими, водными [9, 21, 29, 34, 42, 48,49,55,71,78,96,97,114,122].
Разработка и внедрение новых моторных топлив со специальными присадками [48] всегда оказывало существенное положительное влияние на обеспечение безопасности применения топлив.
На протяжении многих десятилетий применение этиловой .жидкости в качестве присадки к легким моторным топливам (бензинам) позволяло эффективно использовать низкооктановые фракции перегона нефти, пока не были обнаружены и доказаны ее высокотоксичное действие и несовместимость применения с каталитическими нейтрализаторами отработавших газов.
Параллельно с внедрением бифункциональных каталитических конверторов и систем электронного дозирования топлива, на смену этиловой жидкости стали приходить антидетонационные присадки в виде различных ме-таллоорганических (на основе Mn, Ni, Fe, Ва, В, Li и т. п.), азот и прочее содержащих веществ. Затем, - оксигинатные кислородсодержащие соединения (спирты, эфиры и их производные) и т. д.
Первые широкомасштабные внедрения присадок «второго поколения» выявили, что они далеко не идеальны, как в отношении экологии, так и негативного влияния на двигатели [48]. С начала 90 - лет они и вовсе перестали удовлетворять растущим требованиям к долговечности и экологической безопасности автомобильных двигателей. Сегодня практически выведены из употребления металлоорганические соединения в виду их непосредственной опасности для здоровья и высокой окислительной способности с образованием кислот, оказывающих негативное влияние на ресурсные показатели двигателей.
Фактически запрещено к применению в странах Европы и США марганцевых антидетонаторов в виду установленного негативного его влияния, как на работу двигателей, так и на выбросы вредных веществ с отработавшими газами [48]. Известно, что присадки, содержащие марганец и железо, являются зольными. Даже незначительная их передозировка может привести, например, к нарушениям нормальной работы свечей зажигания. Изменение 1 к ГОСТ 51105 - 97 «Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Неэтилированный бензин. Технические условия» не разрешает поставлять бензин с марганцевым антидетонатором в регионы, где запрещено применение этилированных бензинов.
Высоко токсичными веществами признают сегодня и некоторые соединения из класса ароматических аминов. Кроме того, известно, что они способствуют смолообразованию со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями для деталей цилиндро-поршневой группы двигателей автомобилей [48]. Все с большей осторожностью, по этим же причинам, начинают относиться к оксигинатным антидетонаторам, в особенности, если не удается исключить их контакт с водной средой с последующими микробиологическими разрушениями деталей двигателя.
В случае применения альтернативных топлив, в том числе с присадками, необходимо учитывать способность топлив к воспламенению и их детонационную стойкость. Реализация внешнего смесеобразования в случае применения альтернативных топлив сопровождается опасностью появления детонации или преждевременным воспламенением. По этой причине в таких случаях, как правило, используются способы внутреннего смесеобразования и более позднее впрыскивание топлива (аналогично дизельным двигателям). Так как низкая склонность к воспламенению некоторых видов топлив, например спиртовых, делает затрудненной или даже невозможной воспламенение, двигатели в этом случае работают при чрезвычайно высоких степенях сжатия (двигатель MTU фирмы Mercedes-Benz, - Германия, имеет є = 25: [48]). Двигатель может быть оборудован дополнительным источником зажигания, например, свечами зажигания или накаливания (система FM фирмы MAN, - Германия). Степень сжатия в этих двигателях соответствует значениям = 14 - 5.
В двигателях, работающих на газовом и спиртовом топливах могут применяться специальные типы зажигания (KHD - Германия), когда дополнительная порция дизельного топлива (5 - 10% подачи топлива в дизеле на режиме полной нагрузки) впрыскивается непосредственно в камеру сгорания для обеспечения гарантированного воспламенения. При таком процессе смесь воздуха и основного топлива может образовываться как внутри, так и вне камеры сгорания.
Особое внимание исследователей сегодня уделяется водородному топливу и двигателям на топливных элементах [48]. Топливный элемент (ТЭ) -это химический источник тока (электрохимический генератор - устройство, обеспечивающее прямое преобразование химической энергии в электрическую). Принципиальным отличием ТЭ от электрической батареи является то, что электрическая энергия генерируется в нем до тех пор, пока на анод поступает топливо, в частности, водород, а на катод - окислитель, в частности, кислород. Основные «побочные» продукты ТЭ - тепло и вода.
Результаты исследования физических характеристик ВТЭ на лабораторных установках
Краткая характеристика свойств бензина и дизельного топлива.
Как было отмечено в главе 1, в транспортных средствах в основном используется химическое топливо, получаемое из нефти. По химическому составу это топливо, в виде различных марок бензина и дизельного горючего, в основном состоит из алкановых углеводородов общей формулы СпН2п+2, где п - число атомов углерода. В бензине основная масса углеводородов состоит из парафинов, в которых величина п находится в пределах 6 п 11. Кроме нормальных, в бензине присутствуют также изоалкановые углеводороды, вторичные гомологи бензола или циклогексана.
В дизельном топливе в основном присутствуют углеводороды с 13 п 20. Однако в нём содержатся и нормальные низкомолекулярные парафины с п = от 1 до 6, содержащие кроме групп 0 и групп СЦ, концентрация которых высока в низкомолекулярных углеводородах с числом атомов углерода п 6.
Как известно, и бензин и дизельное топливо получают из нефти на нефтеперегонных установках. В ней содержится 84 - 87% углерода, 12 -14 % водорода, 0,5 - 5 % серы и некоторые другие элементы.
При перегонке нефти фракцию, выпаренную в пределах 35 - 205С называют бензином, в пределах 120 - 240С - лигроином, 60 - 315С - реактивным топливом, 150 - 315 С - керосином, 150 - 360 С - дизельным топливом, 230 - 360 - газойлем, 300 - 400 - соляровым маслом, остатки после перегонки -мазутом.
При прямой перегонке нефти, в зависимости от её состава, можно получить 10 -15 % бензина, 15-20 % дизельного топлива.
Как видно из таблицы 3.5, в бензинах больше всего содержится нормальных углеводородов - (75 - 83)% с числом углеродных атомов в парафиновой цепи от 9 до 11. Низкомолекулярных парафинов с n = 1,2 содержится около 2%.
После удаления нормальных,углеводородов путём дальнейшей перегонки получают изоалкановые углеводороды, включая алкилгомологи цик-лопентана, (табл. 3.6). Из таблицы 3.6 видно, что в указанных фракциях в бензине ТС-1, при средней, эмпирической формуле Cio,iH2i,3, изоалкановых углеводородов содержится значительное количество низкомолекулярных углеводородов с числом углеродных атомов от п = 1 до п = 6.
Из таблицы 3.7 видно, что вторичных гомологов бензола в бензине ТС-1 содержится около 9%. В тоже время в дизельном топливе их концентрация зависит от температуры перегонки. При её изменении от 200 до 340 доля гомологов бензола падает от 28 до 1 %.
Инфракрасные спектры углеводородов.
Как следует из таблицы 4.1, в различных фракциях бензина содержатся различные нормальные углеводороды эмпирической формулы С Нгод до Сіо,8Н2з,б. В Ж-спектрах поглощения бензина наблюдаются интенсивные полосы в области 700-800 см"1, относящиеся к маятниковым колебаниям СН2 групп в нормальных алканах. Анализируя интенсивность и положение этих полос можно определить концентрацию группировок (СН2)П, где n = 2, 3,4.
Из анализа ИК-спектров циклановых углеводородов был сделан вывод о том, что в бензине присутствуют мрно-, пара-, мета- и тетразамещённые гомологи циклогексана. Присутствие алкилзамещённых структур подтверждается наличием в Ж-спектре полос 1170,1030,980, 880 и 700 см 1.
О наличии в бензине бициклических ароматических углеводородов свидетельствуют интенсивные полосы вблизи 1600 см"1, 810 и 750 см 1. Для ИК-спектров выделенных из топлива ароматических моноциклических угле-водородов характерна интенсивная полоса поглощения с частотой 1880 см", которая относится к С=С валентному колебанию.
В спектрах ароматических углеводородов присутствуют также полосы 700 и 750 см"1, относящиеся к СН2 маятниковым колебаниям монозамещён-ных бензолов и 750 см 1, относящаяся к таким же колебаниям в 1, 2 замещённых бензолах. В спектрах 1, 3, 5 тризамещённого бензола существуют полосы 700, 820 и 860 см"1. В целом из данных ИК- спектроскопии следует, что в топливах присутствуют моно-, ди- и триалкилзамещённые бензолы.
Исследование ИК-спектров поверхностно-активных веществ Поверхностно-активное вещес/гво (ПАВ) используется в качестве присадки к горючему в виде 5 % раствора в воде. На рис. 3.10 и рис. 3.11 представлен ИК - спектр 5 % раствора ПАВ в воде, имеющего следующую химическую формулу:
Результаты моторных испытаний ВТЭ
В соответствии с разработанной программой на водо-топливных эмульсиях, стабилизированных ПАВ и содержащих в своем составе 15, 20, 30,40 % (масс), воды были проведены моторные испытания на 2 цилиндровом дизельном двигателе воздушного охлаждения Д21А1 (24 10.5/12.0). Исследования предусматривали: - предварительные испытания ВТЭ с различным содержанием воды (15,20,30,40 % (масс.)) на контрольных режимах работы дизеля; - испытания дизельного топлива Л-0.5 ГОСТ-82; ВТЭ с присадкой циклогексилнитрата (ЦГН), активизирующей воспламенение топлива (69.5%) дизельного топлива Л-0.5 ГОСТ 305-82 + 30% воды с присадкой ПАВ + 0.5% ЦГН) в объеме Правил № 49 ЕЭК ООН; - длительные испытания ВТЭ с добавкой ЦГН (69.5% дизельного топлива + 0.5 % ЦГН + 30% воды с присадкой ПАВ) по ГОСТ 18509-86 в течение 200 часов.
Длительные стендовые испытания состояли из 4 часовых циклов с торможением работающего двигателя. Режимы работы в каждом цикле соответствовали ГОСТ 18509-88 и составляли (в мин.): максимальная частота вращения хо лостого хода 10 максимальный крутящий момент (п =1300 мин"1, Мкр= 106 нм) 10 -номинальный режим (п= 1800мин"1, Мкр=96нм) 210 - максимальная частота вращения хо лостого хода 10
Расход топлива контролировался аттестованными штихпробером и секундомером, для определения выбросов СО, СН, NOx, С02 использовалась газоаналитическая система АСГА-Т (НПО «Аналитприбор», г.Смоленск) и газоанализатор SUN MGA 1200, для измерения дымности ОГ использовался дымомер МК-3 (Hartridg, England).
Анализ приведенных в таблице 4 результатов испытаний позволяет отдать предпочтение композиции ВТЭ с содержанием воды 30% по следующим причинам: - возможности сохранения при заводских регулировках топливной аппара туры (вт = 26 град, п.к.в ., Рф = 17.5 МПа) максимального крутящего мо мента (М,ф = 106 н.м) при незначительной (1.5%, допускается в эксплуата ции до 5%) потере эксплуатационной мощности (Ne = 17.7 кВт); - седиментационная стабильность ВТЭ, обеспеченная соответствующим . подбором ПАВ; -возможности существенного уменьшения выброса с отработавшими газами (ОГ) окислов азота NOx (на 27-38 %) и дымового аэрозоля (на 40 -76%); - возможности значительного понижения теплонапряженности рабочего процесса сгорания (по температуре ОГ на 6 - 12 %) при сохранении и явно выраженной тенденции улучшения (до 3.5%) показателей топливной эко номичности.
На данной топливной композиции двигатель прошел длительные 200 часовые испытания. Частичная разборка двигателя показала, что после работы на ВТЭ огневые поверхности распылителей форсунок, элементов ци-линдропоршневой группы (ЦПГ), проточных элементов выпускных каналов оказываются практически без нагара.
В рамках данного исследования была показана принципиальная возможность устойчивой работы дизеля на ВТЭ с добавкой более дешевых мазутных фракций переработки нефти.
Результаты испытаний ВТЭ с добавкой мазута (по массе 70% дизельного топлива Л-0.5, 15% мазута IFO-180, 15% воды), приведенные в таблице 4.2, показали стабильную работу дизеля Д21А1 с параметрами, близкими к параметрам работы на стандартном топливе Л-0.5 ГОСТ 305-82.
На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Применение ВТЭ является перспективным направлением, позволяющим улучшить эксплуатационные и экологические параметры энергетических установок.
2. Для приготовления ВТЭ разработаны установки, которые могут быть использованы как в дискретном, так и в непрерывном режиме работы, и позволяют адаптировать к ДВС практически все виды используемых в энергетике горючих.
3. Отработана рецептура и технология получения стабильных ВТЭ на основе бензина и дизельного топлива.
4. Водо-топливные композиции на базе товарного дизельного топлива прошли комплекс испытаний на дизельном двигателе Д21А1 и могут быть рекомендованы к применению в качестве средства эффективного уменьшения эмиссии окислов азота и дымности отработавших газов при улучшении ( 3%) топливно-экономических показателей.
5. Работа дизельного двигателя на водо-топливных эмульсиях разработанных составов обеспечивает выполнение нормативов по окислам азота, установленными Правилами № 49 ЕЭК ООН.
6. В холодное время года целесообразно предусмотреть использование присадки - активатора горения ЦГН, которую достаточно вводить в ВТЭ в количестве 0.2 - 0.4 % для улучшения воспламеняемости ВТЭ.
