Диметиловый эфир. Давление насыщенных паров диметиловый эфир

Использование смесей дизельного топлива и диметилового эфира для улучшения экологических характеристик автотранспорта.

Рассмотрены проблемы использования диметилового эфира (ДМЭ) в качестве экологически безопасного моторного топлива для автотранспорта на примере работы МГТУ им. Н.Э.Баумана для автомобиля ЗИЛ-47303А "Бычок”.

На настоящий момент автотранспорт является одним из крупнейших загрязнителей окружающей среды. В масштабах Российской Федерации доля автотранспорта в суммарных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу всеми техногенными источниками достигает в среднем 43%, в выбросах «климатических» газов — порядка 10%, в массе промышленных отходов — 2%, в сбросах вредных веществ со сточными водами — около 3%, в потреблении озоноразрушающих веществ — не более 5%. Доля автотранспорта Москвы в загрязнении атмосферного воздуха достигает 85…90%.

Основную массу выбросов вредных веществ от автотранспорта составляют: оксид углерода, углеводороды и оксиды азота. Однако для здоровья населения наибольшую опасность представляют выбросы автотранспортом канцерогенных веществ (сажа, бензол, свинец, 1,3-бутадиен) и опасных органических веществ (формальдегид, акролеин, толуол, ксилолы).

На территории Москвы, где запрещено использование этилированных бензинов, до 70% ущерба здоровью населения связано с выбросами акролеина, оксидов азота и формальдегида, значительный вред наносят выбросы сажевых частиц, бензола, толуола и других органических веществ.

В структуре ущерба окружающей среде и здоровью населения от выбросов автотранспорта в городах девять веществ определяют 95% суммарного ущерба: оксиды азота (44,5%), свинец (21%), акролеин (7,5%), сажа (7,4%), оксид углерода (6%), диоксид серы (3,4%), формальдегид (2,8%), бенз(а)пирен (1,3%), ацетальдегид (1,1%).Основной причиной ухудшающейся с каждым годом экологической ситуации в городах является непрерывный рост численности автомобильного парка.

Известны несколько путей улучшения экологических показателей двигателей внутреннего сгорания. К ним относятся совершенствование конструкции и способов управления ДВС. В частности совершенствование конструкции систем топливоподачи, газораспределения, улучшение процессов смесеобразования, применение систем рециркуляции отработавших газов и др. Также известен способ улучшения экологических показателей ДВС путем нейтрализации вредных компонентов отработавших газов в выпускной системе. К сожалению, ужесточающиеся нормы по токсичности отработавших газов ограничивают применение вышеперечисленных способов в Российской Федерации, которые связаны со значительными капиталовложениями. Несомненно, развитее отечественного двигателестроения будет двигаться по пути постоянного совершенствования конструкции ДВС, но для решения насущных экологических проблем крупных городов необходимо использовать другие способы.

Одним из путей снижения негативного влияния автомобиля на экологию города является использование альтернативных, экологически более чистых видов моторного топлива. Интенсивные работы в этом направлении ведутся во всех развитых странах мира. Одним из наиболее перспективных альтернативных топлив для дизельных ДВС является диметиловый эфир (ДМЭ), который производят путём синтеза из природного газа метана.

В настоящее время по инициативе правительства Москвы в городе проводят испытания по использованию диметилового эфира как дизельного топлива. ДМЭ известен как хладагент для первых холодильных установок и был вытеснен аммиаком, а позднее фреонами. В последнее время возобновляется интерес к ДМЭ, как хладагенту, ввиду отсутствия озоноразрушающих свойств, в отличие от фреона.

Применение ДМЭ позволяет снизить содержание вредных веществ в ОГ до норм Euro-III без использования нейтрализаторов, как на вновь выпускаемых автомобилях, так и на находящихся в эксплуатации. Наличие больших запасов природного газа в России, являющегося сырьем для получения ДМЭ при массовом производстве, позволит значительно снизить стоимость эфира и сделать его использование экономически выгодным.

Свойства ДМЭ как моторного топлива существенно отличаются от дизельного (табл. 1). Например, с учетом более низкой плотности и теплотворной способности для сохранения мощности дизеля необходимы в 1,7-1,9 раза большие объемные цикловые подачи. При проектировании топливного насоса высокого давления приходится учитывать, что в силу значительно большей сжимаемости ДМЭ, необходимо увеличивать запас по объемной производительности на номинальном режиме в 2,4 ...2,7 раза. Топливоподача и рабочий процесс дизеля при переходе с дизельного топлива (ДТ) на ДМЭ претерпевают значительные изменения (табл. 2). В результате повышенной сжимаемости ДМЭ подача начинается позднее. Оптимальный угол опережения с повышением частоты вращения вала растет, а действительный уменьшается. Это противоречие тем сильнее, чем больше сжимаемость топлива, Поэтому автоматическая муфта опережения должна быть сконструирована специально под работу на ДМЭ.Со стандартной муфтой работа дизеля не оптимальна, тем более без нее. Этот дефект компенсируется более быстрым воспламенением ДМЭ.

Другим значительным изменением показателя подачи топлива является снижение давления впрыскивания. Этому не воспрепятствовало даже увеличение цикловой подачи. Однако это, если и не соответствует оптимальным условиям смесеобразования, то, по крайней мере, не является лимитирующим фактором: за счет меньшего поверхностного натяжения и вязкости легче обеспечивается распыливание жидкой струи ДМЭ, при температурах заряда в цилиндре эфир без видимой задержки испаряется. Важнее то, что возрастает продолжительность впрыскивания на номинальном режиме. Если за счет особых качеств ДМЭ удаётся избежать дымности ОГ, то затягивание впрыскивания не позволяет улучшить экономичность дизеля. Предлагаемый выход из положения — увеличение сечения сопел распылителя, как и снижение давления впрыскивания — не соответствует возможностям универсального двухтопливного дизеля.

Таблица 2. Показатели впрыскивания топлив в дизель Д245.12С.

Возникают и другие специфические проблемы при питании дизеля чистым ДМЭ. Ухудшается наполнение плунжерной полости, в результате возрастает нестабильность подачи. Использование ДМЭ без импортной присадки "Lubrizol", ввиду непривычно малой вязкости, создает проблемы долговечности прецизионных пар. Затруднена подкачка топлива в линии низкого давления. Более короткий и широкий факел приводит к перераспределению тепловых нагрузок на детали цилиндропоршневой группы, перегреву деталей центральной части камеры сгорания и др.

Становится совершенно очевидным, что для эффективной работы дизеля на ДМЭ необходимо заново проводить оптимизацию рабочего процесса. Но и в этом случае создание универсального двухтопливного дизеля на базе существующих технических решений все же остается проблематичным. Результаты такого подхода хорошо известны из 50-летнего опыта создания универсального двигателя с принудительным зажиганием на бензине и газе. Кроме того, структура современного товарного рынка моторных топлив и заправочных станций требует серьезных изменений для эксплуатации специализированного автомобиля на ДМЭ.

Наиболее обнадеживающим выходом из этой ситуации может быть создание нового поколения транспортных дизелей, использующих компромиссные технические решения, касающиеся механических элементов двигателя и системы электронного управления, оптимизирующей протекание рабочего процесса. В отношении системы топливоподачи, требующей наибольших изменений в соответствии с новыми условиями работы, то здесь, на дальнюю перспективу целесообразно рассматривать систему с электронным управлением подачи топлива, типа Common Rail, а в ближайшее время – топливную аппаратуру, в наибольшей степени базирующуюся на ныне выпускаемой.

На основании имеющегося опыта в МГТУ им. Н.Э.Баумана разработана система подачи ДМЭ в смеси с ДТ, и проведена серия ходовых испытаний экспериментального автомобиля-рефрижератора ЗИЛ-47303А "Бычок” принадлежащего МГТУ и еще 10 автомобилей-рефрижераторов ЗИЛ-47303А "Бычок”, предоставленных ГУП «Мосавтохолод» при финансовой поддержке МКНТ и Управления транспорта и связи Правительства г. Москвы, работающих на смесевом топливе.

Процесс подачи ДМЭ (рис.2) и образование смесевого топлива осуществляется по следующему принципу: ДМЭ из бака подается к двигателю под давлением 1,0…1,5 МПа, создаваемое сжатым азотом. Наддув баллона с эфиром азотом, позволяет сохранить давление в баллоне приблизительно на одном уровне в процессе потребления ДМЭ, а также исключить вероятность образование паровых пробок, особенно в объеме подкапотного пространства, где температура в летнее время достигает 60 0С. Кроме этого, безнасосная схема подачи ДМЭ соответствует требованиям противопожарной безопасности в отличие от схемы подачи ДМЭ при помощи насоса, т.к. при температуре ниже -26 0С давление насыщенных паров эфира становится ниже атмосферного, образуя вакуум, что не исключает вероятность попадания атмосферного воздуха внутрь баллона и потерю его герметичности.

Пройдя электромагнитный клапан отсечки подачи топлива, ДМЭ поступает к топливной рампе, после чего к клапанам импульсной подпитки. Смешение ДМЭ с ДТ осуществляется при помощи клапанов импульсной подпитки, через которые происходит многократное всасывание ДМЭ в трубопроводы высокого давления после закрытия иглы форсунки, в условиях затухающего волнового процесса. Оптимальное процентное содержание диметилового эфира в смеси составляло примерно 30% по объёму и 25% по массе.

Схема подачи ДМЭ в линию высокого давления с помощью клапанов импульсной подпитки, был предложен и апробирован для подачи сжиженных газов проф. РУДН Н.Н. Патрахальцевым. Именно с их помощью в лабораториях РУДН, МГТУ, Алт. ГТУ удавалось подавать в линию высокого давления различные топлива, включая вязкие суспензии, водород и т.д.

Пробег экспериментального автомобиля МГТУ за время испытания составил около 1300 км, из них около 50% автомобиль передвигался по улицам города. Средняя скорость автомобиля при движении за городом составила 70 км/ч, а при движении по улицам города приблизительно 15 км/ч. Низкая скорость движения в черте города связана с высокой загруженностью дорог.

Путевой расход дизельного топлива при движении в городском цикле составил примерно 17 л/100 км, при движении за городом около 13 л/100 км. Путевой расход ДМЭ при движении за городом составил примерно 8 л/100 км, что с учётом более низкой плотности и теплотворной способности ДМЭ по сравнению с ДТ эквивалентно 4 л/100 км ДТ. При этом путевой расход ДТ составил около 9 л/100 км. Таким образом, приведённый с учётом более низкой плотности и теплотворной способности ДМЭ суммарный расход смесевого топлива составил примерно 13 л/100 км. Расход ДМЭ в городском цикле не оценивался из-за небольших длин поездок .

Согласно «Нормам расхода топлив и смазочных материалов на автомобильном транспорте» базовая норма расхода дизельного топлива для автомобиля ЗИЛ-5301 «Бычок» составляет около 14 л/100 км, а при эксплуатации автомобиля в городах с населением свыше 2,5 млн. человек, норма повышается до 20%, при пробеге первой тысячи километров новым автомобилем – до 10%, при использовании холодильной установки — до 5%.

Таким образом, предельное значение нормы расхода дизельного топлива для автомобиля ЗИЛ-5301 «Бычок» составляет: при работе в городе примерно 18 л/100 км, а при работе за городом около 17 л/100 км.Как видно из приведённых выше цифр, экспериментальный автомобиль соответствует установленным нормам расхода топлива.

На протяжении всего срока эксплуатации экспериментального автомобиля, периодически брались пробы ОГ дизеля в лаборатории МГТУ им. Н.Э. Баумана для определения содержания вредных веществ. Выявлено снижение дымности ОГ с 22% на дизельном топливе до 12% на бинарном топливе при свободном ускорении, и соответственно с 7% до 4% на режиме максимальной частоты холостого хода (рис.4,5). Снижения дымности удается достичь за счет высокого содержания кислорода в молекуле — СН3-О-СН3.

Наличие кислорода в молекуле эфира обуславливает необходимость меньшего количества атмосферного кислорода при сгорании, улучшает сгорание в условиях дефицита воздуха — в первую очередь на режимах максимальной нагрузки. Немаловажную роль в снижении дымности играет повышенная испаряемость ДМЭ. Под действием высоких температур, легкокипящая фракция ДМЭ способствует разрушению капель, улучшая гомогенность смеси, увеличивая полноту сгорания, и снижая дымность ОГ. В подтверждение этого вывода можно привести результаты испытаний МГТУ – ЗИЛ с подачей через аналогичную топливную систему горючих и инертных газов. Достигнуто снижение на 20 ...45 % выбросов СН, СО и NOX при подаче водорода, синтез-газа и чистого воздуха.

Кроме этого, были проведены контрольные испытания автомобиля- рефрижератора ЗИЛ-47303А "Бычок”, работающего на смесевом топливе, по типовым методикам на ГУП ”НИЦИАМТ”.

Рис. 5. Дымность отработавших газов на режиме максимальной частоты вращения.

Контролю подвергались следующие параметры:

• содержание вредных веществ в кабине автомобиля;
• расход топлив;
• скоростные и динамические качества автомобиля;
• содержание вредных веществ в ОГ.

На основании полученных данных сделаны следующие выводы:

• содержание вредных веществ в кабине автомобиля не превышает нормативов ГОСТ Р 51206 на содержание окиси углерода, суммарного количества углеводородов, окислов азота и акролеина;
• выявлено сохранение или улучшение экономических показателей автомобиля на смесевом топливе;
• обнаружена необходимость более строгого контроля регулировки автоматического регулятора топливного насоса высокого давления для сохранения мощностных, а, следовательно, и скоростных показателей автомобиля.

Питание смесевым топливом позволяет не только снизить токсичность ОГ, улучшить экономические показатели, но и уменьшить шумность работы дизеля ввиду большего значения цетанового числа ДМЭ в сравнение с ДТ. За счет подачи ДТ как основного компонента смесевого топлива, удается сохранить высокое давление и малую продолжительность впрыскивания, оставить без изменения базовую топливную аппаратуру и обеспечить практическую простоту перехода на чистое ДТ, а также увеличить суммарный пробег автомобиля без заправки.

Кроме того, ввиду малой трудоемкости и невысокой стоимости специализированной аппаратуры удается сохранить низкую стоимость автомобиля и ускорить обновление находящегося в эксплуатации парка автомобилей.

Необходимо также отметить схожесть свойств ДМЭ и сжиженного нефтяного газа — пропана (см. табл. 1), что позволяет при минимальных доработках использовать существующую систему газозаправочных станций.

Система питания дизеля смесевым топливом, по нашему мнению, отличается дешевизной, доступностью, универсальностью, эффективностью, не требует решения специфических проблем, возникающих при использовании чистого ДМЭ и, очевидно, является наиболее приемлемой в настоящее время.