Технические науки/4. Транспорт

Д.т.н. Фомин В.М., Хергеледжи М.В.

Московский государственный машиностроительный

университет (МАМИ), Россия

Совершенствование экологичеких показателей транспортного дизеля применением средств физико - химической активации рабочего процесса

Проблема экологической безопасности неуклонно растущего транспортного комплекса обуславливает необходимость внедрения новых методов и перспективных технологий, обеспечивающих выполнение все более ужесточающихся нормативных требований по выбросам вредных веществ (ВВ) с отработавшими газами (ОГ) транспортными двигателями внутреннего сгорания (ДВС). В связи с тем, что реализация традиционных методов часто сопряжена с повышенными финансовыми и технологическими затратами, основной удельный вес перемещается в область поиска альтернативных решений, в частности, основанных на использовании средств реакционно-химического управления этими процессами.

В качестве одного из таких эффективных средств являются биологические соединения, производимые из растительных масел, которые в настоящее время находят широкое распространение в транспортной энергетике как заменители традиционных моторных топлив.

Другим эффективным средством, улучшающим кинетические и экологические качества процесса сгорания углеводородного топлива, является водород, высокая эффективность водорода как химического активатора горения (реагента) подтверждена данными многочисленных экспериментов [1]. В данной работе предусматривается аккумулирование (хранение) водорода на борту транспортного средства в химически связанном состоянии в виде жидкого соединения (метанола) [1].

Удачно скоординированное воздействие на параметры процессов рабочего цикла дизеля одновременно двух физико-химических факторов, один из которых привнесен применением оптимизированной добавкой к дизельному топливу биологического средства, а другой – применением синтезированного водородосодержащего газа, предопределяет возможность совокупного решения проблемы совершенствования экологических качеств ДВС. Ниже излагается вариант метода для такого решения.

Строго дозированная незначительная по массе присадка к горючей смеси водорода рассматривается как «водородный химический реагент», если она оптимизирована и согласована по условию наиболее эффективного реакционного воздействия на кинетический механизм образования вредных веществ, без повышения исходных максимальных уровней температуры и давления в рабочем цикле двигателя. Так, например, установлено, что водород в низкотемпературной фазе рабочего цикла дизеля противодействует актам образования зародышей частиц (известное в химии как водородное торможение). А в последующей высокотемпературной фазе способствует их активному выгоранию, благодаря его способности генерировать активные центры, которые являются возбудителями гетерогенного катализа в процессах окисления образовавшихся частиц.

Термин «биологический физико-химический реагент» определяет биологическую добавку к рабочему телу дизеля как средство, обладающее совокупной способностью проявлять свои свойства в физических и химических актах реагирования углеводородного топлива на различных стадиях рабочего цикла двигателя. На стадии формирования рабочей смеси биологическая добавка к топливу в силу известных отличий её физических свойств (плотность, динамическая вязкость, поверхностное натяжение) от базового топлива оказывает влияние на параметры впрыскивания и распыливания топлива. Понятно, что в данном случае она может рассматриваться как «физический реагент», определяющий характеристики процесса смесеобразования и его качество, а, следовательно, рабочего цикла в целом.

На стадии формирования пламени биологическое соединение проявляет реакционно-кинетические свойства, обусловленные его химической структурой, в состав которой входит значительное (до 12%) количество кислорода. Согласно положениям химической кинетики, избыток кислорода проявляется в повышение скоростей окислительных реакций углеводородов топлива. В этом смысле биологический продукт можно рассматривать как химический реагент.

Однако, как было установлено ранее [2], добавление оптимизированной биологической составляющей к дизельному топливу, хотя и решает проблему снижения выбросов ВВ по целому ряду нормируемых компонентов ОГ (СО, СН и ДЧ), однако не решает проблему в полном объеме, в частности, важную проблемную задачу, связанную с повышенной эмиссии оксидов азота. Отсюда становится очевидной целесообразность применения водородосодержащего реагента как высокоэффективного реакционного средства для комплексного решения всех целевых задач данного исследования.

Предлагаемый метод в своей основе направлен на поиск не требующего серьезных технологических затрат, но эффективного метода решения обозначенных целевых задач данного исследования. Метод базируется на двух основных положениях, которые в общем виде могут быть сформулированы следующим образом.

1. Добавка биологического компонента к базовому топливу является эффективным физико-химическим средством улучшения экологических качеств дизеля. Достижение предельно возможного улучшения этих качеств возможно при условии оптимального добавления биологического компонента к базовому топливу с учетом конкретного способа организации рабочего процесса дизеля.

2. Одной из сопутствующих проблемных задач, возникающей при использовании биологических продуктов в качестве средств физико-химического совершенствования рабочего цикла дизеля, является повышение эмиссии оксидов азота, без успешного решения которой эффективная реализация предлагаемой концепции представляется проблематичной. С целью снижения эмиссии с ОГ оксидов азота в состав рабочего тела дизеля дополнительно вводится строго дозированная порция водородосодержащего химического реагента. Благодаря применению этого реагента дополнительно прогнозируется также повышение эффективности использования энергии топлива.

В качестве биологического реагента используется метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ), а в качестве химического реагента - водородосодержащие продукты, генерируемые в бортовом реакторе на основе конверсии метанола.

Таким образом, концепция предлагаемого метода отображает скоординированное и совокупное воздействие на процессы рабочего цикла дизеля одновременно двух физико-химических факторов, один из которых привнесен оптимизированной биологической добавкой к базовому топливу, а другой – применением строго дозированной присадкой к горючей смеси водородосодержащего химического реагента.

Опытная апробация эффективности предложенного метода проводилась в русле технического регламента для 8-ми режимного испытательного цикла Правил ЕЭК ООН № 96 для дизелей транспортных средств категории «Т» [3]. Установлено, что средне интегральные за испытательный цикл удельные выбросы нормируемых компонентов ОГ (СО, СН и ДЧ) для дизеля 4Ч 10,5/12 при его переводе на работу на топливе с оптимизированной добавкой биологического компонента были снижены. Однако при этом выбросы оксидов азота, как и ожидалось, возрастали по отношению к исходному варианту (работа на дизельном топливе).

При работе дизеля на топливе с биологической добавкой и с присадкой водородосодержащего реагента средне интегральные за цикл удельные массовые выбросы по сравнению с исходным вариантом уменьшились: для монооксида углерода на 11,2%, для углеводородов на 32,8%, для дисперсных частиц на 48%. При этом выбросы NО_Х оказались ниже уровня выбросов этого компонента ОГ не только для дизеля, работающего на топливе с биологической добавкой, но и для его исходного варианта (на 11,9%).

Средне интегральный за испытательный цикл удельный эффективный расход топлива увеличился на 1,3% по причине более низкой теплоты сгорания топлива с биологической добавкой по сравнению с углеводородным (дизельным) топливом. Однако эффективность использования энергии этого топлива возросла, о чем свидетельствует повышение результирующего за испытательный цикл эффективного КПД на 3,3%.

Заключение. Предложенную концепцию следует рассматривать как один из альтернативных вариантов решения ряда проблемных вопросов в контексте социально важной проблемы экологической безопасности на транспорте. Разработанный на её основе метод может быть направлен на разработку новых типов рабочего процесса дизелей, а также модификацию уже существующих. Его применение может быть успешно совмещено с рядом других известных мероприятий по экологическому совершенствованию ДВС, дополняя и усиливая при этом их совокупную эффективность.

Литература

1. Фомин В.М. Системы химического воздействия на параметры рабочего процесса дизеля // Тракторы и сельскохозяйственные машины.-2003.- №10.-С.11-15.

2. Фомин В.М., Атраш Р. Разработка бинарных топлив на основе биоуглеводородных композиций оптимизированного компонентного состава для энергетических установок транспортных средств // Транспорт на альтернативном топливе. – 2012.- №4 (28).- С.

3. ГОСТ Р 41.96 – 2011 (Правила ЕЭК ООН №96) Единообразные предписания касающиеся двигателей с воспламенением от сжатия, предназначенных для установки на сельскохозяйственных и лесных тракторах и внедорожной техники, в отношении выброса вредных веществ этими двигателями. – Введ. 13.01.2011 г. – Издание офиц. М.: Стандартинформ, 2013. – 64 с.