Технические науки/4. Транспорт

Ор-Рашид Х.М., Салимзянова А.А.

Уфимский государственный авиационный технический университет, Россия

ПРИМЕНЕНИЕ СПИРТОВ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЬНЫХ ДВС

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, альтернативные виды топлива, спирты, этанол, метанол.

Постановка проблемы. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС), на современном этапе развития науки и техники был и остается основным типом привода для большинства мобильных и стационарных установок. Однако постоянно увеличивающийся парк ДВС требует и возрастания добычи, и производства топлива. Нефть – основной источник топлива, и на сегодня – одно из важнейших для человечества полезных ископаемых. Но, как известно запасы нефти уменьшаются очень быстро, что и обуславливает

постоянный рост цен на топлива нефтяного происхождения.

Наряду с топливной проблемой стоит также экологическая. С ростом количества используемых ДВС возрастает количество вредных выбросов в атмосферу. А при работе дизелей на спиртах в результате большего содержания кислорода в спиртовом топливе дымность отработанных газов гораздо ниже.

Постановка задачи исследования. Как правило, спирты по своим свойствам не могут полностью заменить дизельного топлива (ДТ) на существующих двигателях без значительных конструктивных изменений. Изменения конструкции двигателей в основном зависят от способа подачи спирта. Например, его можно подавать непосредственно в цилиндр дизеля в виде эмульсии, или в жидком виде с помощью насоса высокого давления и форсунки, также ведутся исследования по подаче метанола во впускной трубопровод дизеля с помощью карбюратора с регулируемым жиклером [1-3]. В зависимости от способа подачи меняется процесс сгорания, экономичность и мощностные показатели. Структурная схема способов подачи спиртов в дизель показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема способов подачи спиртов в дизель

Наряду с положительными качествами (низкая стоимость получения, обширная сырьевая база, уменьшенная дымность отработанных газов) спирты, как топливо, из-за физико-химических свойств имеют ряд недостатков:

– Низкая воспламеняемость. Хотя с ростом числа атомов углерода в молекуле цетановое число спиртов возрастает, при этом нужно учитывать, что стоимость многоатомных спиртов в несколько раз выше, поэтому экономически оправдано применение этанола и метанола, хотя их цетановые числа соответственно равны 8 и 3.

– Меньшая вязкость спиртов относительно ДТ, которая обуславливает изменение геометрии факела распыла, увеличение подтекания через форсунки и плунжерные пары, ухудшает условия смазки плунжерной пары, в связи с чем могут происходить прихваты и задиры.

– Меньшая теплота сгорания спиртов. В связи с этим появляется необходимость увеличения объема цикловой подачи в 2,3-2,8 раза, что потребует изменения регулировок топливной аппаратуры и предопределяет повышение емкости топливных баков. Особенно много проблем вызывают пусковые качества, работа на режимах малых нагрузок и частотах вращения, работа на неустановившихся и переходных режимах.

– Обогащение воздушного заряда метанолом способствует организации диффузионно-химического распространения пламени и содействует подготовке химически активной среды в объеме камеры сгорания, способно порождать новые активные центры. Увеличение скорости распространения пламени при значительном увеличении подачи метанола во впускной трубопровод может вызвать возрастание жесткости работы дизеля. В связи с этим на количество подаваемого метанола во впускной трубопровод дизеля должны накладываться соответствующие ограничения.

Использование спирта в дизелях может быть осуществлено различными способами. При переводе дизелей на спиртовые топлива в случае использования чистого спирта очень трудно обеспечить их самовоспламенение. Поэтому более широкое распространение получили способы воспламенения спиртовоздушной смеси с помощью запальной порции ДТ или электрической искры, однако в этом случае необходимы сложные конструкторские изменения, что неосуществимо для миллионов существующих дизелей. Анализ работ, проводимых за рубежом по исследованию возможности применения метанола в качестве топлива для дизелей, позволяет сделать вывод о том, что работы ведутся в различных направлениях, начиная от создания новых моделей дизелей, разработанных специально для работы на метаноле, до модернизации дизелей, выпускающихся серийно и без значительных конструктивных изменений, оборудованных для работы на метаноле.

Для экспериментальной проверки принятого способа подачи метанола создана опытная установка на базе дизеля 1Ч12/14 с камерой сгорания ЦНИДИ (рис. 2).

Рисунок 2 - Испытательный стенд кафедры ДВС ВНУ им. В. Даля с дизелем 1Ч12/14, оборудованный испарителем метанола

Экспериментальные исследования проводились на различных режимах (от холостого хода до максимальных нагрузок) с применением дизельного топлива Л (ГОСТ 305-82) и метилового спирта (ГОСТ 6995-77).

На всех режимах работы добавка метанола приводит к росту жесткости работы дизеля, что является следствием увеличения скорости сгорания спиртовоздушной смеси.

Работа дизеля с добавкой метанола характеризуется более высоким максимальным давлением цикла, что объясняется увеличением периода задержки воспламенения вследствие меньших температур в конце сжатия. Снижение максимального давления цикла может быть достигнуто уменьшением угла опережения подачи топлива, что ведет к уменьшению температур цикла и, соответственно, снижению выбросов оксидов азота.

Испытания экспериментального дизеля 1Ч12/14 показали, что добавка испаренного метанола до 50 % суммарного расхода топлива позволяет снизить дымность на 40-50 % и выбросы оксидов азота на 25-30 %. При этом экономия дизельного топлива достигает 35 %.

Выводы. 1. В связи с тем, что спирты являются перспективным альтернативным топливом для дизелей, исследования по переводу дизелей для работы на нем постоянно углубляются и расширяются, охватывая новые методы и способы подачи спирта, повышая эффективность и надежность их работы. Таким образом, использование новых видов топлива ставит задачу оптимизации рабочего процесса дизеля в зависимости от физико-химических свойств используемого альтернативного топлива. Все это позволяет

сделать вывод о перспективности данного вида топлива для применения в дизелях.

2. Для установки системы подачи испаренного метанола на дизель потребуется

минимальная модернизация его впускного тракта, поэтому ею могут быть дооборудованы практически все транспортные средства, находящиеся в эксплуатации.

3. На далекую перспективу целесообразно уделить внимание разработке однотопливных систем питания дизелей с непосредственным впрыском спирта в цилиндр.

Литература

1. Лиханов В.А. Применение метанола в качестве топлива для дизелей за рубежом // Двигателестроение. – 1984. – № 10. – С. 55-57.

2. Виппер А.Б., Абрамов С.А., Балакин В.И. Использование тяжелых нефтяных и альтернативных топлив в дизелях // Двигателестроение. – 1984. – № 7. – С. 32-34.

3. Смаль Ф.В., Арсенов Е.Е. Перспективные топлива для автомобилей. – М.: Транспорт, 1979. – 151 с.

4. Обельницкий А.М. Топливо и смазочные материалы. – М.: Высшая школа, 1982. – 208 с.