Экологические показатели вредных выбросов при работе на смесевых биотопливах

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

В. А. Синицын, С. С. Кулманаков
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ПРИ РАБОТЕ НА СМЕСЕВЫХ БИОТОПЛИВАХ
Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова
(e-mail: spk_ice@mail. ru)
В данной статье рассматриваются материалы исследований по влиянию смесевых кислородосодержащих топлив на показатели эмиссии токсичных компонентов в отработавших газах дизеля. Приведены результаты моторных испытаний дизеля 1Ч13/14 на смесях метилового эфира рапсового масла и этанола.
Ключевые слова: дизель, рапсовое масло, эмиссии токсичных компонентов.
This article discusses the research materials on the effect of oxygenated fuels on emission of toxic components in exhaust gases of diesel engines. The results of tests of motor diesel 1CH13/14 on mixtures of methyl esters of rapeseed oil and ethanol.
Keywords: diesel engines, rapeseed oil, emission of toxic components.
Современный этап развития человечества характеризуется увеличением внимания к топливам из возобновляемых ресурсов и ужесточением экологических требований. С 2000 г. в странах Европейского экономического сообщества установлены новые требования к качеству дизельных топлив. Отличительной особенностью являются ограничения по содержанию в дизельных топливах серы, которое не должно превышать 0,035%, регламентировано содержание ароматических углеводородов.
На нынешнем этапе развития двигателе-строения улучшение экологических характери-
стик дизелеи невозможно достигнуть только совершенствованием их конструкций. Проблема может быть решена применением на двигателях новых топлив с улучшенными экологическими свойствами.
Хорошими экологическими свойствами обладает биодизель. При работе на чистом биодизеле доля выбросов диоксида углерода в отработавших газах уменьшается примерно на 80% и почти на 100% меньше — диоксида серы. Также наблюдается значительное снижение количества углеводородов, в том числе и ароматического ряда. Выбросы оксидов азота, в зави-
симости от типа смесеобразования, сопоставимы с показателями, характерными для нефтяных топлив. По данным некоторых ученых, за счет снижения мутагенности, биодизельное топливо на 90% уменьшает риск развития рака. Биодизельное топливо включает примерно 11% (по весу) кислорода и не содержит серы. Биодизельное топливо безопасно для хранения и транспортировки, поскольку оно является биологически чистым продуктом и обладает высокой температурой вспышки. В то же время биодизель обладает определенными недостатками. В холодных условиях двигатель работает на биодизеле заметно хуже, чем на ДТ, вследствие ухудшения низкотемпературных свойств. Также данное топливо обладает агрессивными свойствами по отношению к некоторым конструкционным материалам, вследствие чего необходимо предусматривать меры защиты деталей топливной системы, что увеличивает их стоимость.
Биодизель получают с помощью химической реакции между растительными маслами или животными жирами и спиртами в присутствии катализатора. В результате процесса этерификации, масла или жиры вступают в реакцию с метиловым (этиловым) спиртом и катализатором, в результате чего образуются жирные кислоты, а также побочные продукты: глицериновые основания и растворимый поташ. С учетом климатических условий и приемлемых экономических затрат в Европе наибольшее распространение получили эфиры рапсового масла.
Наибольшую экологическую опасность для человека представляют оксиды азота и сажа. Одним из наиболее эффективных способов снижения сажи является применение кислородсодержащих топлив и присадок, при этом часто применяются спирты (этанол или метанол). Но для дизельных двигателей применение присадки спиртов в топливо затрудняется малой растворимостью спиртов в дизельном топливе (не более 5%). Увеличить долю спирта в смесевом топливе можно за счет замены нефтяного топлива на альтернативное. Наиболее подходящими по своим свойствам являются метиловый или этиловый эфиры рапсового масла (ИМБ).
Для проведения исследования были созданы топлива на основе эфира рапсового масла (ИМБ) и этанола (Э).
В ходе опытов были проведены моторные испытания со следующими видами топлива:
• эфир рапсового масла (ИМБ) —
• смесевое топливо, состоящее из 90% ИМБ, 10% этанола-
• смесевое топливо, состоящее из 80% ИМБ, 20% этанола-
• смесевое топливо, состоящее из 70% ИМБ, 30% этанола-
• смесевое топливо, состоящее из 60% ИМБ, 40% этанола.
Лабораторными и расчетными методами были получены физико-химические свойства для смесевых топлив (см. таблицу).
Физико-химические свойства биотоплив
Параметры ЯМБ ЯМБ (90) +Э (10) ЯМБ (80) +Э (20) ЯМБ (70) +Э (30) ЯМБ (60) +Э (40)
Средняя молекулярная масса 310 284 257 231 204
Элементный состав:
С 77,5 74,96 72,42 69,88 67,34
Н 12 12,10 12,21 12,31 12,42
О 10,5 12,93 15,36 17,79 20,22
Кинематическая вязкость при 20 °C, мм2/с 7,83 7,17 6,51 5,84 5,18
Плотность при 20 °C, кг/м3 877,75 869,38 861,00 852,63 844,25
Цетановое число 52 42,45 35,31 29,31 23,78
Низшая теплота сгорания, МДж/кг 37,575 36,553 35,531 34,510 33,488
Теоретически необходимое количество воздуха для окисления 1 кг топлива: кг 12,70 12,34 11,97 11,61 11,25
кмоль 0,44 0,43 0,41 0,40 0,39
Теплота сгорания стехиометрической смеси, МДж/кг 2,7421 2,7403 2,7384 2,7365 2,7344
Скрытая теплота испарения, кДж/кг 329 381,8 434,6 487,4 540,2
Опытная установка представляла одноцилиндровый отсек размерностью 130/140 производства ОАО «ПО АМЗ». Опытная установка была оснащена необходимыми контрольноизмерительным приборами и специальным оборудованием для проведения исследований.
В ходе исследований проводился газовый анализ состава отработавших газов. При этом замерялись: содержание оксидов азота, углеводородов, окиси углерода, двуокиси углерода, остаточного кислорода, твердых частиц. Также проводилось индицирование давления в цилиндре и регистрация параметров топливной аппаратуры (давления перед форсункой и подъем иглы распылителя).
Наличие этанола в составе топлива предопределяет ряд особенностей протекания смесеобразования и сгорания. Спиртовые топлива, имеют увеличенную теплоту испарения, более низкую температуру кипения, меньшую теплоту сгорания и воспламеняемость. Вследствие этого цикловая порция и период задержки самовоспламенения увеличиваются, наблюдается значительное снижение температура в объеме камеры сгорания за период индукции, а смесь становится более однородной по объему.
С увеличением доли этанола наблюдается снижение количества продуктов неполного сгорания. Возросшее время задержки периода самовоспламенения, более легкокипящее топливо приводят к образованию более однородной топливо-воздушной смеси в значительном количестве, в результате чего увеличивается интенсификация первого периода сгорания,
что, в свою очередь, приводит к увеличению выбросов КОх.
Существенное влияние оказывает концентрация этанола в топливе на вредные выбросы дизеля. При этом характер изменения СО и КОх при работе дизеля по нагрузочной характеристике существенно различается. Увеличение доли кислорода в составе этанола с 10,5% для КМЕ до 20,2% у КМЕ 60+Э 40 способствует интенсивному снижению эмиссии СО в ОГ на высоких нагрузках (рис. 1). Наибольший эффект снижения СО достигнут при работе на топливе с 30% содержанием этанола в смеси на номинальных нагрузках: для Р, = 0,75−0,8 МПа снижение выбросов СО составило более 50%. В диапазоне средних и малых нагрузок, т. е. при Р, менее 0,6 МПа, выбросы СО сравнимы с чистым КМЕ. Объяснение такой закономерности может служить ранее отмеченное ухудшение динамики индикаторного процесса при работе дизеля на смесевых топливах. Для топлива КМЕ 60+Э 40 наблюдается ухудшение процесса смесеобразования и сгорания, вследствие чего наблюдается увеличение выбросов СО по сравнению с топливом КМЕ 70+Э 30. Для средних и малых нагрузок для всех смесе-вых топлив наблюдаются большие выбросы СО, по сравнению с КМЕ, в связи со значительным обеднением смеси (по сравнению с номинальным режимом) и возросшим значением периода задержки самовоспламенения. Данные причины приводят к уменьшению концентрации топлива в единице объема, что значительно затягивает процесс горения и приводит
Рис. 1. Выбросы СО
к накоплению промежуточных продуктов сгорания (перекисей, закисей и т. д.), которые в конечном итоге окисляются до окиси углерода.
Термический механизм образования КОх в цилиндре дизеля обусловливает прямую взаимосвязь эмиссии оксидов азота со скоростью тепловыделения и продолжительностью сгорания в цилиндре [1]. Аналогичный результат был получен в ходе настоящих исследований.
В отличие от эмиссии СО, на режиме малых и средних нагрузок эффект снижения выбросов
КОх существенно больше по причине ухудшения динамических показателей цикла и, соответственно, его температурных характеристик при работе на смесевых биотопливах. На режимах номинальных нагрузок существенные различия выбросов КОх для испытанных топлив не наблюдаются- на частичных нагрузках выбросы, при работе на смесевых биотопливах, снижаются на 40−45% по сравнению с РМЭ (рис. 2). Причем влияние доли этанола, начиная с 20% и выше, в смесях мало ощутимо.
Рис. 2. Выбросы N0*
0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 РІ, МПа
Рис. 3. Содержание твердых частиц в отработавших газах
Наибольший эффект улучшения экологических показателей дизеля, при переводе его с нефтяного ДТ на спиртосодержащие биотоплива,
наблюдается по снижению содержания твердых частиц в ОГ (рис. 3). Значительное снижение содержания твердых частиц обеспечивает-
ся за счет увеличения доли кислорода в смесе-вом топливе и интенсификации процесса сгорания. В среднем для исследованного диапазона нагрузок дизеля на каждые 10% увеличения доли этанола в топливе содержание твердых частиц составляет 20−25%.
Учитывая существенное снижение содержания твердых частиц в ОГ, данный показатель не является лимитирующим фактором перерегулировки дизеля для работы на спиртовых биотопливах.
При этом характер изменения СО и К0х по нагрузочной характеристике позволяет повысить топливную экономичность и экологические характеристики дизеля при работе на смесевых спиртовых биотопливах. Учитывая меньшие значения Р2 для смесевых топлив по сравнению с КМБ, на частичных режимах возможно увели-
чение п за счет регулировки УОВТ. При этом возможно ожидать более существенного снижения CO при некотором росте NOx
Подобное изменение позволяет избирательно регулировать степень снижения эмиссии CO, NOx и эксплуатационного расхода топлива в зависимости от предъявленных технических требований либо нормативных ограничений по параметрам дизеля.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Kruggel, O. Progress in the combustion technology of high performance diesel engines toward reduction of exhaust emissions without reduction of operation economy.- Baden -Wurttemberg Technology Conference. Oslo, 1989. 14 p.
2. Кавтарадзе, Р. З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы: учебник для вузов / Р. З. Кавтарадзе. -М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. — 720 с.: ил.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой