ЭКОЛОГИЯ

---

Диметиловый эфир (CH3-O-CH3) обладает очень важными свойствами – он является газообразным при нормальных условиях и его молекулы не имеют углерод-углеродных  химических связей, способствующих сажеобразованию при горении. В настоящее время ДМЭ применяется, главным образом, в качестве вытеснительного газа в аэрозольных упаковках.
По физическим свойствам ДМЭ подобен пропан-бутановым газам, нашедшим широкое применение в качестве альтернативного топлива для двигателей внутреннего сгорания. В частности, ДМЭ имеет близкие величины параметров насыщения: температуру сжижения -25 ?C (у  пропана  – минус 50?C) и давление насыщенных паров 5,1 кгс/см2  (у пропана – 8 кгс/см2) при температуре 20?С. Как пропан и бутан, ДМЭ следует хранить в сжиженном состоянии в газовом баллоне под давлением. Технология работы со сжиженными газами достаточно хорошо отработана, поэтому упомянутое свойство ДМЭ не является препятствием для его практического применения.
Поскольку плотность ДМЭ на 20 %, а удельная массовая теплотворность на 32 % ниже, чем у дизтоплива (ДТ), то для сохранения энергоемкости объемная подача ДМЭ в цилиндры двигателя должна быть почти в 2 раза большей (объемная теплотворная способность ДМЭ составляет 18,2 МДж/л).

Основным недостатком ДМЭ является малая кинематическая вязкость (на порядок меньше, чем у ДТ) и связанная с этим пониженная смазывающая способность, в результате чего затрудняется герметизация подвижных узлов уплотнения топливной аппаратуры (ТА), а также повышается склонность к задирам прецизионных трущихся пар. Для устранения этого недостатка в конструкции ТА принимаются специальные меры, например, подвод к плунжерным парам масла под давлением с целью их уплотнения, а также подмешивание к ДМЭ специальной противозадирной присадки «Любризол 459А». По зарубежным данным, присадка способствует также увеличению кинематической вязкости ДМЭ до уровня дизельного топлива.
К благоприятным физико-химическим параметрам ДМЭ относят повышенную испаряемость, хорошую самовоспламеняемость и высокое содержание связанного кислорода (35 %). Поскольку при течении по тракту ТА величина локальной скорости может возрастать до 100 м/с (например, при истечении топлива отсечки из плунжерных пар топливного насоса), то из-за снижения локального статического давления в потоке может происходить вскипание ДМЭ, образование паровых пробок и запирание ТА. Поэтому давление на входе в топливный насос высокого давления (ТНВД) должно быть повышено.
В настоящее время в ряде стран отрабатываются способы приспособления двигателей к работе на ДМЭ. К примеру, в Дании уже проводятся эксплуатационные испытания приспособленных к работе на ДМЭ городских автобусов. В нашей стране работы по переводу дизелей на ДМЭ ведутся в инициативном порядке с 1996 г. в НИИД, который имеет многолетний опыт создания дизелей специального назначения. Ожидается, что в результате этой работы будет обеспечено радикальное снижение токсичности автомобильных двигателей до уровня зарубежных норм на 2000 гг.
Внедрение ДМЭ в качестве моторного топлива на городском транспорте представляет собой комплексную задачу, требующую координации деятельности ряда министерств и ведомств. Поэтому в Миннауки была представлена программа работ по адаптации двигателей к работе на ДМЭ, разработке технологии и производству ДМЭ, по организации необходимой инфраструктуры и пр.
К настоящему времени выполнены следующие этапы:
- подтверждены полученные за рубежом экологические характеристики двигателя при работе на ДМЭ;
- проведена адаптация автомобильного двигателя и определены его параметры при работе на ДМЭ;
- изготовлен макет грузового автомобиля с двигателем, работающим на ДМЭ и дизельном топливе.
Для создания экологически чистого автомобиля был использован «АМО ЗИЛ» 5301 («Бычок») с дизелем Д-245.12 производства Минского моторного завода. Двигатель, снабженный турбокомпрессором, имеет номинальную мощность 80 кВт при частоте вращения 2400 об/мин. Выбор двигателя Д-245.12 в качестве базового обусловлен особенностями его конструкции. В частности, он укомплектован ТНВД, имеющим двукратный запас по подаче топлива, что обеспечивает хорошие пусковые качества и устойчивую работу на ДМЭ.

Для гибкого использования в условиях московского региона при ограниченной (на первых порах) сети специализированных заправочных станций предусмотривалась возможность работы двигателя на двух топливах: ДМЭ (в пределах города) и дизельном (за его пределами, при необходимости). Выбор вида топлива осуществлялся путем переключения соответствующих вентилей. В макетном исполнении контейнер с баллонами с ДМЭ был установлен в кузове автомобиля, там же помещался огнетушитель как необходимое средство безопасности на стадии отработки. При модернизации ТА для уменьшения утечек топлива серийные плунжерные пары ТНВД были заменены опытными (так называемыми «дренированными»), обеспечивающими отвод основной части просочившегося через зазоры топлива в надплунжерную полость.
Результаты экспериментов выявили, что рекомендованный в зарубежных работах способ стабилизации топливоподачи путем значительного повышения давления на входе в ТНВД (до 30 кг/см2) оказывается не столько трудно реализуемым (из соображений прочности), сколько недостаточно эффективным. Более целесообразным представляется рациональное сочетание величины давления на входе в ТНВД (р = 10...15 кгс/см2) с оптимальной степенью рециркуляции отсечного топлива на уровне 6...7-кратной по сравнению с объемной подачей ДМЭ в цилиндры ТНВД.

Мощность и экономичность (в энергетическом эквиваленте) двигателя при питании его ДМЭ и ДТ оказались практически одинаковыми. На всех режимах, включая режим запуска и холостого хода, двигатель устойчиво работал на ДМЭ при полностью бездымном выхлопе (коэффициент оптической плотности К = 0), в то время как при работе на ДТ наблюдался типичный для дизелей уровень дымности отработавших газов, соответствующий К=17...28 %.
Уровень абсолютных и удельных вредных выбросов при работе на ДМЭ, оцениваемый по методике Правил № 49-02 ЕЭК ООН, имел следующие особенности:
1. Уровень выбросов окислов азота (NOx) на всех режимах был существенно меньше, чем на ДТ. Особенно значительная разница - снижение в 2...3 раза - наблюдалась на наиболее нагруженных режимах Ne ?  50...100 %.
2. При нагрузке  Ne ? 50...100 % на режиме максимального крутящего момента (n = 1600 об/мин) уровень выбросов несгоревших углеводородов (СН) понижался на 20...70 % по сравнению с ДТ, а на режимах малых нагрузок (Ne = 10...20 %) значительно превышал уровень на дизельном топливе, достигая 2000...3000 чнм.
3. Уровень выбросов окиси углерода (СО) при работе на ДМЭ на всех режимах превышал соответствующие величины на ДТ, достигая 1000 чнм.
По сравнению с природным газом работа двигателя на режимах внешней характеристики на ДМЭ обеспечивала уменьшение выбросов NOx – в 2,5...3,0 раза, СО – в 5...6 раз, а СН – в 3,0...3,5 раза.
Природный газ в качестве топлива для транспортного двигателя (без использования нейтрализатора) имеет преимущества лишь по сравнению с бензином. Поэтому в программах конвертирования двигателей и перехода на газовое топливо предусматривается применение 3-ступенчатых каталитических нейтрализаторов, например, фирмы J.Matthey со степенью очистки газов: от NOx – 35...80 %, от СО – 85...95 %, от СН – 50...80 %. И только в этом случае уровень вредных выбросов приближается к достигнутому при работе на ДМЭ без дополнительной очистки отработавших газов.
Снижения уровня выбросов СО и СН, зарегистрированного в опытах с ДМЭ на малых нагрузках, можно добиться путем оптимизации топливоподачи и воздухоснабжения. Применение каталитического нейтрализатора при работе двигателя на ДМЭ приведет к практически полному устранению вредных выбросов.
В плане первых мероприятий по совершенствованию рабочего процесса на режимах малых нагрузок, где наблюдается повышенный уровень выбросов СО и СН, подготовлена к проверке опытная конструкция выхлопной трассы двигателя, перепускающая часть отработанных газов мимо турбокомпрессора. Кроме того, ведется дальнейшее совершенствование топливной системы грузового автомобиля.
Проведенные исследования показали, что наиболее трудно решаемая экологическая задача значительного уменьшения выбросов окислов азота и дымности с переводом дизеля на работу на ДМЭ полностью решается. Специалисты считают, что новые жесткие нормы отработанных газов (ULEV, EURO-3) не могут быть достигнуты без применения ДМЭ.