ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА СМЕСИ ГАЗОВ

Валерий Николаевич Варламов, специалист ОАО "НИИД", к.т.н.
Вячеслав Сергеевич Филонов, аспирант

 

Прогресс автомобильной техники приводит к тому, что применение диметилового эфира (ДМЭ) в качестве стандартного топлива продвигается в практическую плоскость. По московской программе внедрения ДМЭ на городском транспорте в объединении "Мосавтохолод" эксплуатируются более 20 автомобилей ЗИЛ "Бычок". Применение большего числа автомобилей пока ограничено высокой стоимостью их переделок и рядом эксплуатационных недочетов в машинах, изготавливаемых на экспериментальных производствах.

В этих условиях возникает насущная необходимость в существенном удешевлении и упрощении переделок машин с тем, чтобы увеличить парк используемой автотехники. Решением этой проблемы является разработка дополнительной топливной системы подачи газообразной смеси во впускной трубопровод дизеля, сохранив штатную топливную систему, которая будет находиться в постоянной готовности к эксплуатации.

Предварительные расчеты показывают, что система может включать в себя дополнительную смесительную камеру, в которую двумя форсунками будут подаваться горючие газы: один с низким цетановым числом типа метан, а другой с высоким цетановым числом типа диметиловый эфир [1]. Газы находятся в отдельных баллонах с регулирующими подачу устройствами. Через форсунки газы поступают в смесительную камеру, в которой для получения однородной газовой смеси с цетановым числом, идентичным стандартному дизельному топливу, по оси камеры размещен скруббер Вентури, выходной частью направленный во впускной трубопровод. На рис. 1 показана принципиальная схема модернизированного дизельного двигателя. Смесь позволяет не только получать топливо с таким же цетановым числом, как у стандартного топлива, но, кроме того, дает возможность изменять его в соответствии с оптимальными условиями работы [2]. Двигатель работает следующим образом. Открывается устройство 2 для регулировки количества газообразного топлива, подаваемого в смесительную камеру 8 газа из баллона 4 с высоким цетановым числом, например, диметилэфиром, и включается стартер, происходит пуск двигателя и его работа на холостом ходу. Для перехода на нагрузочные режимы работы двигателя открывается устройство 2 для регулировки количества газообразного топлива, подаваемого в смесительную камеру 8 газа из баллона 5, с низким цетановым числом, например, метаном. Тем самым достигается оптимальное цетановое число смеси газов. Воздух, поступающий из воздухоочистителя 1, через воздухопровод 9 попадает в смесительную камеру 8 через скруббер Вентури 3, что обеспечивает турбулизацию и хорошее перемешивание газов с воздухом в смесительной камере 8 на всех режимах работы дизельного двигателя 6.

Двумя устройствами 2 для регулировки количества газообразных топлив, подаваемых в смесительную камеру 8, устанавливается необходимое количество каждого из газов на различных режимах работы дизельного двигателя 6. Система позволяет охватить для исследований все поле различных соотношений газов и их влияние на эксплуатационные характеристики двигателя.

Однако на практике для успешной работы двигателя достаточно копировать стандартный газодизельный цикл, т.е. подавать диметиловый эфир только в количестве, необходимом для поджигания газовой смеси, а рабочими газами могут быть метан или пропан-бутан.

Подавать в цилиндры двигателя диметиловый эфир в объемных процентах больше, чем 12%, бессмысленно, потому что отрицательная работа индикаторной диаграммы становится соизмеримой с положительной работой и резко снижается к.п.д. (рис. 2).

Заметно, как с увеличением концентрации диметилового эфира увеличивается отрицательная работа, связанная с более ранним зажиганием смеси. Это следствие очень высокого цетанового числа ДМЭ [3].

Для проведения первичных лабораторных исследований была собрана макетная установка стенда на основе дизельного двигателя Д-245. Установка для проведения стендовых испытаний (рис. 3) состоит из двигателя Д-245 с необходимыми узлами для работы на дизельном топливе, а также из дополнительной газоподающей системы, способной подавать два различных газа во впускной воздушный коллектор двигателя [4]. Газоподающая система выполнена из двух бытовых газовых баллонов, оснащенных редукторами с возможностью плавной регулировки расхода газа.

Были проведены предварительные испытания для проверки принципиальной возможности такого способа эксплуатации дизельного двигателя. На различных режимах работы дизельного двигателя дизельное топливо с определенным цетановым числом (54) заменяется альтернативным газовым топливом с переменным цетановым числом (например, на холостых оборотах цетановое число должно быть достаточно высоким, а на высоких оборотах - низким). Задача исследования заключается в определении оптимального соотношения (пропан/бутан - диметиловый эфир или природный газ - диметиловый эфир) этих двух составляющих газового топлива, которое дает максимальную эффективность (мощность) при минимальном расходе топливных газов.

Упрощенно рассматривая эту ситуацию, желательно определить для каждого режима работы дизельного двигателя оптимальное соотношение газовых составляющих топлива. Под оптимальным соотношением понимается такая работа дизеля, которая, с одной стороны, не увеличивает отрицательную площадь работ по индикаторной диаграмме, а с другой стороны, не увеличивает относительный расход топлива, т.е. расход топлива, отнесенный к единице мощности двигателя. При этом не будет удивительным, если на различных режимах работы сочетание двух газовых топлив окажется более эффективным, чем стандартное топливо.

Методика проведения первичного эксперимента заключалась в следующем:

1. Установка устойчивой частоты вращения коленчатого вала при питании дизельным топливом на 800 об/мин и работа на этом режиме в течение 3-5 мин.

2. Подача чистого ДМЭ во впускной трубопровод дизеля до момента начала увеличения частоты вращения.

3. Увеличение подачи ДМЭ до тех пор, пока происходит увеличение частоты вращения коленчатого вала. Как только начнется снижение количества оборотов коленчатого вала, подачу ДМЭ не увеличивать.

4. Подача во впускной трубопровод газообразного пропан-бутана до момента увеличения частоты вращения.

5. Добавка пропан-бутана при постоянной подаче ДМЭ приводит к дальнейшему увеличению числа холостых оборотов. Увеличение подачи пропан-бутана осуществляется до достижения двигателем частоты вращения 2000 с^-1. Следует отметить, что увеличение частоты вращения происходит непропорционально количеству подаваемого пропан-бутана.

Особенное внимание теперь придется уделить процессам запуска и остановки двигателя, а также особым климатическим условиям работы дизельного двигателя. Дело в том, что повышенное содержание диметилового эфира с высоким цетановым числом существенно снижает минимальные холостые обороты двигателя. В условиях московских транспортных пробок, в которых часами находятся автомобили, это означает уменьшенный расход топлива благодаря снижению минимальных холостых оборотов и соответствующее уменьшение вредных выбросов токсических веществ[5].

Кроме того, повышенное цетановое число топлива автомобиля существенно облегчает запуск двигателя при отрицательных температурах. До сих пор в условиях низких температур дизельные двигатели машин работают всю зиму без выключения, ибо запустить большой дизельный двигатель в этих условиях необычайно трудно. И сам процесс запуска требует значительного времени, при котором происходит катастрофически большой износ элементов двигателя (первоначальная работа дизеля при отрицательных температурах происходит практически в отсутствии необходимой смазки).

Поскольку запуск определяется соотношением ∂ρ/∂φ’, т.е. скоростью нарастания давления в цилиндре на определенных частотах вращения коленчатого вала [6]. На это соотношение существенным образом влияет цетановое число топлива. Чем выше цетановое число, тем меньше соотношение. Применением ДМЭ решаются проблемы как "холодного" запуска дизельного двигателя, так и его износа при этом.

Литература

1. Новиков Н.И., Воскресенский К.Д. Прикладная термодинамика и теплопередача. М.: Атомиздат, 1977.
2. Варламов В.Н., Шерешов П.И. О возможности использования диметилового эфира в качестве моторного топлива. Научно-тех. сб. Вып. 10. ВТУ, Балашиха, 2005. С 121-125.
3. Покусаев М.Н., Виноградов С.В., Глухов А.Н. Работа дизеля при добавлении ДМЭ в воздух. Тезисы докладов III Международной конференции "Альтернативные источники энергии для больших городов", 2008 г.
4. Варламов В.Н. Погрузчики Японии. "Монтажные и специальные строительные работы". Серия "Специальные строительные работы". Вып. 5, М., 1987.
5. Лиханов В.А., Сайкин A.M. Снижение токсичности автотракторных дизелей. М.: Агропромиздат, 1991.
6. Варламов В.Н. Экологические параметры диметилового эфира как моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания. Научно-тех. сб. Вып. 10. ВТУ, Балашиха, 2005. С 132-136.