Диссертация (Методы повышения эффективности работы дизеля при использовании этанола в качестве экологической добавки к дизельному топливу), страница 4

1.10.Способы подачи простейших спиртов в дизеляхТаким образом, использование для питания дизелей этанола наиболеецелесообразно в виде экологической добавки к нефтяному дизельномутопливу. При этом возможно два пути его применения – либо в виде эмульсии24нефтяного ДТ и обычного (водосодержащего) этилового спирта (т.е.азеотропной смеси этанола и воды), либо в виде смеси ДТ и абсолютного(безводного) спирта. Реализация этих двух направлений использования этаноласущественно улучшает экологические показатели дизеля. Это обусловленоследующими факторами. Во-первых, как отмечено выше, наличие в молекулахэтанола атомов кислорода способствует снижению вредных выбросов сотработавшими газами двигателей внутреннего сгорания.

Во-вторых, высокаятеплота испарения этанола (870 кДж/кг у этанола против 230-250 кДж/кг унефтяного ДТ) приводит к снижению максимальных температур сгорания, и,как следствие, к снижению выбросов оксидов азота. Еще одним факторомулучшения показателей токсичности ОГ дизелей является повышение качествапроцесса смесеобразования за счет низкой температуры кипения этанола(78,4 оС у этанола против 160-360 оС у нефтяного ДТ), что приводит кбыстрому испарению этанола из смесевого топлива и дополнительнойтурбулизации нефтяного ДТ за счет такого испарения. Этот эффект,отмеченный для широкого спектра эмульгированных топлив [57, 66, 67, 84, 97,107, 121], способствует и улучшению показателей топливной экономичностидизеля.

В связи с этим, необходимо рассмотреть показатели, характеризующиетопливную экономичность и токсичность ОГ дизелей.1.3. Показатели топливной экономичности и токсичностиотработавших газов дизелейВ современных условиях к показателям работы дизелей транспортногоназначения предъявляется целый комплекс достаточно жестких требований.Среди этих показателей приоритетными считаются топливная экономичность итоксичность ОГ [2, 3, 4, 23, 38, 39, 41]. Необходимость экономногорасходования топлива обусловлена продолжающимся истощением мировыхзапасов нефти, повышением цен на нефтепродукты и ростом выбросов в25атмосферу СО2 [89]. Поэтому при совершенствовании дизелей особоевнимание обращается на снижение расхода топлива.Общепринятымипоказателямитопливнойэкономичностидизелейявляются удельный эффективный расход топлива на режимах внешнейскоростнойхарактеристики(ВСХ)–нарежимахноминальнойимаксимального крутящего момента. При этом в лучших высокооборотныхзарубежных дизелях достигнутый минимум расхода топлива ge составляет 190192 г/(кВт·ч), а в отечественных – 210-230 г/(кВт·ч) [30].

Однако транспортныедизели работают в широком диапазоне режимов. На режимах с низкойчастотой вращения и неполной нагрузкой показатели экономичности дизелейобычно ухудшаются. Об этом свидетельствуют представленные на Рис. 1.11многопараметровые характеристики быстроходных дизелей типа КамАЗ-7406(8 ЧН 12/12) и 6076 Н (6 ЧН 11,6/12,1) фирмы John Deere (CША).абРис. 1.11.Многопараметровые характеристики быстроходных дизелей: а - КамАЗ-7406 (8ЧН 12/12); б – 6076 Н (6 ЧН 11,6/12,1) фирмы John Deere (США); Ме –крутящий момент; gе – удельный эффективный расход топливаПоскольку оценка топливной экономичности дизеля по удельнымэффективным расходам топлива на режимах номинальной мощности и26максимального крутящего момента не является исчерпывающей, такую оценкуможнопровестисиспользованиемусловногосреднегонарежимахиспытательного цикла расхода топлива, определяемому по выражению [30, 69]:kki 1i 1ge ср   (Gт i  Ki ) /  ( N e i  Ki ) ,(1.1)где Gтi – часовой расход топлива на i-ом режиме; Nei – мощность двигателя наэтом режиме; Ki – коэффициент, отражающий долю времени каждого режима, k– число режимов.

Таким образом, при выборе средств улучшения топливнойэкономичности предпочтительными являются те из них, которые обеспечиваютснижение расхода топлива сразу на многих эксплуатационных режимах работытранспортных дизелей.Другой важнейший показатель работы двигателей – токсичность их ОГ[27, 39, 61, 69]. В настоящее время снижению токсичности ОГ дизелейпридается большое значение в связи с расширением сферы их применения иувеличением общего количества автомобилей, автобусов и других машин сдизельными силовыми установками [83]. Поэтому, наряду с улучшениемэкономических показателей дизелей, снижение токсичности их ОГ становитсясерьезной проблемой.Отработавшие газы дизелей представляют собой многокомпонентнуюсмесь, содержащую продукты полного сгорания топлива (диоксид углеродаCO2 и вода Н2О) и продукты неполного сгорания (монооксид углерода СО,газообразные углеводороды СНx, альдегиды RCHO, сажа С). В ОГприсутствуют также неиспользованный при сгорании топлива кислород О 2,основной компонент воздуха – азот N2 и продукты его окисления – оксидыазота NOx, газообразные продукты окисления серы, содержащейся в топливе (восновном диоксид SO2).

Кроме газообразных компонентов, в ОГ присутствуюттак называемые «твердые частицы», основным компонентом которых являетсясажа С. Всего ОГ дизелей сгорания содержат около 250 компонентов, часть изкоторых нетоксичны. Токсичность ОГ дизелей определяется 0,1-1% объема ОГ.27При этом примерно 80-95% от общей массы токсичных компонентовприходится на долю пяти из них: NOx, CO, CHx, альдегидов RCHO, диоксидасеры SO2 (Таблица 5) [26, 77].

Нормируемыми компонентами являются оксидыазота NOx, монооксид углерода CO, легкие газообразные углеводороды CHx исажа или твердые частицы [47, 69].Таблица 5.Усредненный состав ОГ отечественных дизелейКомпонент ОГАзот N2Кислород О2Водяной пар Н2ОДиоксид углерода СО2Оксиды азота NОх,в том числе:монооксид азота NOдиоксид азота NO2Монооксид углерода СОУглеводороды СНхБенз(а)пирен С20Н12Сажа СДиоксид серы SO2Триоксид серы SO3Альдегиды RCHO,в том числе:формальдегид HCHOакролеин CH2CHCHOКонцентрация вОГ на различныхрежимах74-78%2-18%0,5-9,0%1-12%0,004-0,5%Токсичные компоненты ОГ дизелей нарежиме полной нагрузкиКонцентрация, г/м3Удельныйвыброс, г/(кВтч)15-10040-2401-810-300,004-0,5%0,0001-0,013%0,005-0,4%0,009-0,3%0,05-1,0 мкг/м30,01-1,1 г/м30,0018-0,02%(0,4-6)10-4%0,002%1,0-4,50,1-0,80,25-2,50,25-2,0(0,2-0,5)10-60,05-0,50,1-0,51,0-10,06-180,5-2,01,5-12,01,5-8,0(1-2)10-60,25-2,00,4-2,5-(1-19)10-4%(1-1,3)10-4%0,001-0,040,06-0,2Примечание: «-» – показатель не приведенОдними из основных токсичных компонентов ОГ дизелей являютсяоксиды азота NОx – монооксид NО, диоксид NО2, закись азота или гемиоксидN2О, азотистый ангидрид или сесквиоксид азота N2О3, пентаоксид диазота илиазотный ангидрид N2О5.

Из оксидов азота NOx, содержащихся в ОГ дизелей,95-98% приходится на монооксид NO и 2-5% – на диоксид NO2. ТоксичностьNO2 в 7 раз выше токсичности NO. Монооксид азота нестабилен. Принормальных условиях NO окисляется до NO2 в течение от 0,5-1 до 100 часов (в28зависимости от концентрации в воздухе). Оксиды азота образуются привысоких температурах в КС путем окисления азота воздуха. Наиболееинтенсивно окисление азота происходит в первой фазе сгорания до моментадостижения максимальной температуры сгорания [69].Монооксид углерода (угарный газ) CO присутствует в атмосфере в малыхколичествах, а в ОГ двигателей внутреннего сгорания его содержание можетбыть значительным (в бензиновых двигателях – до 12%) [69]. Дизелиотличаютсясравнительнонебольшойконцентрациейэтоготоксичногокомпонента в ОГ, не превышающей 0,4-0,5%. По сравнению с диоксидом СO2монооксид углерода CO менее стабилен. Время его существования в атмосфересоставляет 2-42 месяца.

Монооксид углерода – неполного окисления топлива.В камере сгорания дизеля CO образуется из-за неравномерного распределениятоплива в зоне горения, что приводит к возникновению зон с низкимкоэффициентом избытка воздуха , где наблюдается недогорание топлива.Другим источником образования CO являются высокотемпературные зоны КС,в которых химическое равновесие смещено в сторону диссоциации CO2 собразованием CO и O2.Легкие газообразные углеводороды CHx ОГ дизелей относятся, восновном, к парафиновым (метан CH4, этан C2H6, пропан C3H8, бутан С4Н10) иолефиновым углеводородам (этилен C2H4, пропилен C3H6, бутилен С4Н8).

Вбензиновых двигателях на долю метана приходится 14-58% от общегосодержания в ОГ несгоревших углеводородов, а в дизелях – 2-6% [69]. ДругиеуглеводородыприсутствуютвОГдизелейвменьшихколичествах.Углеводороды образуются при термическом распаде топлива в ядре и впереднем фронте факела, на топливной пленке на стенках КС и в результатеподвпрыскивания топлива. Одна из основных причин образования CH x –наличие холодных пристеночных слоев в КС. При сгорании топлива пламяраспространяется к стенке, от которой отводится теплота, и радикалы,образовавшиеся при горении, рекомбинируются на холодных стенках.

В29результате в пристеночных холодных слоях КС толщиной 0,005-0,3 ммостаются углеводородные частицы из нагретого, не до конца сгоревшеготоплива. Другая причина образования CHx – наличие в КС зон с низкимкоэффициентом избытка воздуха , в которых остаются несгоревшиеуглеводороды.Важнейшим токсичным компонентом ОГ дизелей являются твердыечастицы (ТЧ) – вещества, улавливаемые специальным фильтром припрохождениичерез негоОГ [69]. Они состоят из растворимых инерастворимых в органических растворителях фракций. Первые содержатнесгоревшиечастицытопливаимоторногомасла.Нерастворимыесоставляющие ТЧ включают сажу, сульфаты, образующиеся при сгораниисеры, имеющейся в топливе, и оксиды металлов, добавляемых в топливо имасло в качестве присадок.

Но главный компонент ТЧ – сажа, которая, в своюочередь, состоит в основном из углерода С (95-98%). Частицы сажипредставляют собой пористые формирования углерода С и имеют линейныеразмеры 0,1-100 мкм (в основном от 0,2 до 1,0 мкм). Наличие сажи в ОГдизелей приводит к потере их прозрачности (увеличению оптическойплотности) и появлению черного дыма. Оптическая плотность ОГ зависит отколичества и размеров частиц сажи.