ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ В АВТОТРАКТОРНОМ ДИЗЕЛЕ

Экологизация ДВС

УДК 621.433:621.436.068

И.В. Парсаданов, д-р техн. наук, A.A. Теплицкий, инж.

B.B. Солодовников, канд. техн. наук, С.Ю. Белик, инж.

ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ В АВТОТРАКТОРНОМ ДИЗЕЛЕ.

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ.

Введение. Водотопливные эмульсии представляют собой систему, включающую в себя воду, которая является дисперсной фазой с диаметром капель 0,1…10 мкм, и топливо, являющейся дисперсной средой. Такие эмульсии носят название «эмульсии обратного типа» (вода в топливе), исключают контакт металлических поверхностей топливной аппаратуры и стенок трубопроводов с водой. Водотопливные эмульсии получают в гомогенизаторах и диспергаторах. Важным показателем качества эмульсий является стабильность. Стабильность эмульсий обеспечивается добавкой в нее поверхностно-активных веществ (ПАВ) – эмульгаторов. Применение водотопливных эмульсий не требует конструктивных переработок дизеля и позволяет заметно улучшить экологические характеристики двигателей внутреннего сгорания [1 – 5].

В научно-инвестиционной компании «Корал Инвест Технологии» на основе углеводородных соединений разработан эмульгатор, позволяющий при незначительном его добавке (2…4 % по массе) обеспечивать стабильность эмульсии в течение длительного времени. Водотопливные эмульсии с данным эмульгатором получили название – топливо экологическое дизельное (ТЭД). В статье приведены результаты экспериментальных исследований по оценке влияния ТЭД на показатели токсичности и дымности отработавших газов автотракторного дизеля. Цель исследований определить концентрацию в отработавших газах оксидов азота, оксида углерода, газообразных углеводородов и дымность отработавших газов при работе автотракторного дизеля на ТЭД с различными концентрациями воды (до 31,2 % по массе) и уровнем диспергации.

Объектом исследований был выбран дизель 4ЧН 12/14 (СМД-19Т) с непосредственным впрыскиванием топлива, газотурбинным наддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха.

Методика исследований. Исследования дизеля с различными вариантами ТЭД проведены на стенде научно-исследовательской лаборатории кафедры ДВС НТУ «ХПИ» по нагрузочным характеристикам при частотах вращения коленчатого вала n = 1000, 1500, 2000 мин -1 . Максимальные значения мощности на каждой из n соответствовали мощности по внешней характеристике дизеля. Промежуточные значения – мощностям, соответствующим 0,75, 0,50, 0,25 и 0,10 максимальной мощности. Установочный угол опережения впрыскивания топлива при исследованиях не изменялся. Исследования проведены при температуре окружающей среды +10…+15 °С.

Дизель исследовался: на стандартном дизельном топливе (ДТ), ТЭД с содержанием воды 12,3 % по массе (ТЭД-12,3-0), ТЭД с содержанием воды 19,4 % по массе (ТЭД-19,4-0), ТЭД с содержанием воды 23,2 % по массе (ТЭД-23,2-0), ТЭД с содержанием воды 23,2 % по массе (ТЭД-23,2-1), ТЭД с содержанием воды 23,2 % по массе (ТЭД-23,2-2), ТЭД с содержанием воды 31,2 % по массе (ТЭД 31,2-0). Индексы 0, 1, 2 в обозначениях ТЭД указывают на уровень диспергации: 0 – грубая диспергация (средний диаметр капель воды в ТЭД 8…9 мкм), 1 – улучшенная диспергация (средний диа-
метр капель воды в ТЭД 5…6 мкм), 2 – тонкая диспергация (средний диаметр капель воды в ТЭД 2…3 мкм). Основные характеристики топлив приведены в таблице 1.

Результаты исследований. Зависимости концентрации токсичных веществ в отработавших газах и дымности отработавших газов от содержания воды в ТЭД на режимах максимальной мощности при частотах вращения коленчатого вала n = 2000, 1500 и 1000 мин -1 приведены на графиках (рис.1…4). Приведенные данные свидетельствуют о том, что применение ТЭД в качестве топлива позволяет существенно улучшить экологические показатели дизеля.

Замедление реакций образования NO x , связанного с нагревом, испарением воды и перегревом пара в цилиндре дизеля, приводит к снижению концентрации NO x в отработавших газах. На всех исследованных частотах вращения коленчатого вала концентрация оксидов азота в отработавших газах с увеличением количества воды в ТЭД уменьшилась. На режимах максимальной мощности концентрация NO x уменьшилась в 1,2…1,7 раза при применении ТЭД-19,4-0 и в 1.6…3,2 раз при применении ТЭД-31,2-0 в сравнении с работой дизеля на ДТ. Со снижением частоты вращения коленчатого вала концентрация оксидов азота снижается более заметно.

Рис. 1. Зависимости концентрации оксидов азота в отработавших газах от содержания воды в ТЭД

Также позитивное влияние оказывает ТЭД на концентрацию в отработавших газах оксида углерода. На режимах максимальной мощности уменьшение концентрации оксида углерода составляет 1,3…1,4 раза при использовании ТЭД-19,4-0 и 1,6…2,3 раза при использовании ТЭД-31,2-0 в сравнении с работой дизеля на ДТ.

Влияние ТЭД на концентрацию газообразных углеводородов в отработавших газах дизеля неоднозначно и незначительно. Изменение концентрации газообразных углеводов на каждом из исследованных режимов для всех ТЭД не превышает 50 –60 млн -1 .

Рис. 2. Зависимости концентрации оксида углерода в отработавших газах от содержания воды в ТЭД

Вместе с тем можно отметить тенденцию к росту концентрации газообразных углеводов при увеличении концентрации воды в ТЭД при номинальной частоте вращения и к уменьшению ее при частоте вращения коленного вала, соответствующих максимальному крутящему моменту.

Рис. 3. Зависимости концентрации газообразных углеводородов в отработавших газах от содержания воды в ТЭД

Бесспорным преимуществом использования ТЭД в дизеле является ее влияние на дымность отработавших газов. На режимах максимальной нагрузки уменьшения дымности отработавших газов составляет 1,3…1,4 раз при использовании ТЭД-19,4-0 и 1,3…2,7 разы при использовании ТЭД-31,2-0. Со снижением частоты вращения коленного вала уменьшения дымности отработанных газов растет.

Экологизация ДВС

На экологические показатели дизеля оказывает влияние не только содержание воды в ТЭД, но и уровень ее диспергации. рода и дымность отработавших газов, но увеличивает концентрацию оксидов азота.

Влияние ТЭД и уровня его диспергации на концентрацию в отработавших газах газообразных углеводородов незначительно и неоднозначно.

Рис. 4. Зависимости дымности отработавших газов от содержания воды в ТЭД

Для определения влияния уровня диспергации на концентрацию токсичных веществ в отработавших газах и дымность отработавших газов проведены исследования дизеля при работе на ТЭД-23,2. Результаты проведенных исследований на режимах максимальной мощности при частотах вращения коленчатого вала n = 2000, 1500 и 1000 мин -1 с тремя уровнями диспергации (грубая, улучшенная и тонкая) приведены на рис. 5.

Анализируя полученные данные можно отметить, что уровень диспергации 0 и 1 практически не оказывает влияние на экологические показатели дизеля. При обеспечении тонкой диспергация (средний диаметр капель воды в ТЭД 1…2 мкм) на режимах максимальной мощности в отработавших газах возрастает концентрация оксидов азота на 60…160 ррm, снижается концентрация оксида углерода на 20…30 ррm и дымность отработавших газов – на 2 % по шкале дымомера.

Выводы

Применение ТЭД в качестве топлива без изменения конструкции и регулировок автотрак торных дизелей обеспечивает эффективное снижение уровня загрязнения окружающей среды токсичными компонентами отработавших газов. На режимах максимальной мощности:

– концентрация в отработавших газах оксидовазота снижается в 1,3…3,5 раза, концентрация оксида углерода снижается в 1,3…2 раза;

– дымность отработавших газов снижается в 1,6…2,5 раза.

Более тонкая диспергация ТЭД снижает концентрацию в отработавших газах оксида угле 120

Рис.5. Зависимости концентрации вредных веществ и дымности отработавших газов от уровня диспергации ТЭД