Дизель. Рассказ о ДМЭ. Дизель. Метанол (CH3OH). Преимущества. Недостатки. Синтез-газ (добавка водорода)

Дизель

Уважаемый председатель, уважаемые члены государственной аттестационной комиссии. Вашему вниманию предлагается дипломный проект, посвященный разработке двигателя, работающего на ДБТ.

В связи с грядущей проблемой истощения нефтяных ресурсов и роста цен на них, встает острый вопрос о рациональном использовании топлива нефтяного и газового происхождения. Наряду с этим стоит не менее важная проблема экологии. Чтобы удовлетворить этим аспектам, одних конструкторских доработок в двигателе внутреннего сгорания не хватит, они лишь на малость повышают экономичность и экологичность транспортного средства, при значительном повышении стоимости (использование дорогостоящих пьезофорсунок, насос- форсунок, окислительных, накопительных, селективных нейтрализаторов, сажевого фильтра).

Наиболее оптимальный вариантом является переход на альтернативные виды топлива, поэтому дипломный проект, посвящен разработке двигателя, работающего на ДБТ.

В процессе выполнения проекта был проведен тяговый расчет. В результате чего было установлено, что максимальная мощность двигателя в 175 кВт достигается при частоте вращения 2100 об/мин. При этом скорость автомобиля составляет км/ч. В тепловом расчете были определены давления и температуры в цилиндре, КПД двигателя, построена внешняя скоростная характеристика. В динамическом расчете определены силы инерции и суммарные силы, действующие в двигателе. На основании чего, в прочностном расчете определены основные размеры деталей, построены продольный и поперечный разрезы двигателя.

На сегодняшний день наиболее перспективными являются единственные возобновляемые жидкие топлива – биоэтанол и биодизель, использование которых не требует существенного изменения конструкции двигателя. В данной работе проектируется тракторный дизель с топливной аппаратурой, настроенной на биотопливо.

Чаще всего, для производства ДБТ используют четыре вида культур. В жарких странах (Бразилия) это тропические растения, из которых получают пальмовое масло. В Европе и России это соя, подсолнечник и рапс, наиболее продуктивная культура.

Мировым лидером в использовании ДБТ является Евросоюз, в котором с 1992 г. было построено более 40 заводов по его производству. Европейский Союз Сельскохозяйственных Производителей снижает налоги на землю, используемую под выращивание семян масличных культур, необходимых для производства ДБТ. По желанию автовладельца, на заправочных станциях ДБТ могут заливать в бак автомобиля, как в чистом виде, так и в качестве добавки (обычно 5% - 35%) к дизтопливу.

Из всех топлив, способных работать в дизеле, наиболее оптимальным является МЭРМ и смеси РМ с ДТ.

Из графиков мы видим, что растительные масла имеют большую плотность и вязкость, чем ДТ, что оказывает влияние на характеристики давления топлива над плунжером и в фосунке, а также на пусковые характеристики. Для решения этой проблемы мной была разработана топливная система разделенного типа.

Метилэфир получают в результате химической реакции трансэтерификации масла или жира со спиртом в присутствии катализатора. Продуктами реакции являются моноэфиры, известные как метиловые эфиры жирных кислот (МЭРМ) и глицерин (используется в производстве мыла и в фармакологии). Полученный эфир отличается хорошей воспламеняяемостью, обеспечиваемой высоким цетановым числом. Если для минерального дизельного топлива характерен показатель в 50-52 ед., то метиловый эфир уже изначально содержит 54-58 ед. Это позволяет использовать его в дизельных двигателях без прочих стимулирующих воспламенение веществ.

ДБТ имеет следующие характерные черты:

При сгорании ДБТ выделяется примерно такое же количество углекислого газа, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьем для производства масла, за весь период его жизни.

На графиках мы видим, что использования растительного масла в смеси с дизедьным топливом, при некотором снижении мощности, улучшаются экологические показатели двигателей по таким важным показателям, как несгоревшие углеводороды, оксиды азота и частиц сажи.

Для чистых биотоплив (100% содержание метилового эфира рапсового масла (МЭРМ)) снижение составляет: несгоревших углеводородов на 56%, твердых частиц на 55%, оксидов углерода на 43%. Для топлива В20, содержащего 20% МЭРМ, эти показатели несколько меньше: несгоревшие углеводороды -11 %, твердые частицы -18%, оксиды углерода - 12%.

Биотопливо (например, разлитое) полностью распадается на неагрессивные по отношению к окружающей среде компоненты: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99% биотоплива, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озер при переводе водного транспорта на альтернативное топливо.

ДБТ в сравнении с минеральным аналогом почти не содержит серы (< 0,001 %, минеральный - <0,2%).

Замена дизельного топлива на экологически чистое биотопливо позволит получить высокую экономическую эффективность. Только в АПК России при сокращении использования минерального дизельного топлива за счет использования биотоплива на 30 %, ежегодный экономический эффект составит около 12,4 млрд. руб. С учетом продажи биотоплива не только для сельхозтехники, но и для автомобилей эта сумма существенно увеличится.

 

Рассказ о ДМЭ

Применение ДМЭ в качестве моторного топлива позволяет резко снизить уровень шума, исключить выбросы сажи и снизить выбросы окислов азота.

Значительное различие в свойствах ДМЭ и дизельного топлива вызывает ряд специфических проблем. 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 дизельного двигателя при переходе с дизельного топлива на ДМЭ претерпевают значительные изменения. В результате повышенной сжимаемости ДМЭ подача начинается позднее.

Ухудшается наполнение плунжерной полости, в результате чего возрастает нестабильность подачи. ДМЭ ввиду малой вязкости создает проблемы запуска дизеля, утечек и долговечности прецизионных пар, подкачки 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.

Кроме того, необходимо учитывать значительную зависимость свойств ДМЭ от температуры, что вызывает необходимость введения в систему топливоподачи терморегулятора.

На основании имеющегося опыта предлагается осуществить внедрение экологически более чистого топлива ДМЭ в смеси с традиционным дизельным топливом. Его доля должна составлять для различных моделей дизелей и режимов работы от 10 до 40 %. При этом будут сглажены или отсутствовать многие специфические проблемы питания дизеля чистым ДМЭ. Протекание рабочих процессов улучшится (распыливание, испарение, воспламенение, сгорание). Уменьшение выбросов вредных веществ позволит обеспечить законодательные нормы ближайшей перспективы даже на относительно старых моделях дизельных автомобилей доступными техническими средствами.

Почему не ДМЭ?

Стремление перейти от МЭРМ на чистое РМ объясня­ется потерями энергии при переработке и более высокой стоимостью МЭРМ по сравнению с РМ. В результате испы­таний выявлено, что не все тракторы могут успешно рабо­тать на чистом масле. Из 100 тракторов 56 работали без ограничений или с небольшими помехами. У 44 тракторов выявлены неисправности по нагарообразованию в каме­ре сгорания, на выпускных клапанах, потери мощности, проблемы при холодном пуске. Более успешно работали тракторы с топливной системой Common - Rail, имеющей более высокое давление впрыска топлива (до 1800 кг/см2). Наличие дефектов объясняется, вероятнее всего, несоб­людением обязательного условия проведения холодного пуска и прогрева двигателя на ДТ, а также неполным соб­людением технологии холодного отжима масла.

Так называют коммерческую смесь пропан-бутана, получаемую после переработки сырой нефти, из побочных нефтепродуктов или из природного газа.

 

Дизель

К альтернативным топливам относятся топлива, которые производятся на основе не нефтяных источников сырья, преимущества отдают возобновляемым источникам сырья и энергии. Самыми перспективными его представителями являются спирты (метанол, этанол), растительные масла (рапсовое, подсолнечное), сжиженный природный газ (СжПГ) или сжатый природный газ (СПГ), диметиловый эфир (ДМЭ) и т.д. [205].

 

Метанол (CH3OH)

Преимущества

Имеется отлаженная технология производства с удовлетворительными технико-экономическими показателями [78,79,142].

Получение метанола из биоресурсов позволяет значительно снизить выброс CO₂.

Он при нормальных условиях является жидкостью, то есть его хранение на борту транспортного средства не вызовет затруднений.

Метанол обеспечивает бездымное сгорание

Воспламенение производится с помощью искры, свечи накаливания, запальной порции дизельного топлива или диметилового эфира [200,256,262,287]. При искровом зажигании и усиленной рециркуляции отработавших газов эмиссия NО_Х и эмиссия частиц не превышают уровня бензинового двигателя.

Индикаторный к.п.д. при работе на метаноле сопоставим с дизельным топливом

Может быть использован для получения синтез-газа

 

Недостатки

Теплотворная способность метанола ниже, чем у дизельного топлива.

Высокая токсичность

коррозионная активность

Метанол при соединении с маслом образовывает продукты, понижающие надежность двигателя и топливного насоса высокого давления.

Метанол втягивает воду, что является причиной засорения систем подачи топлива в виде желеобразных ядовитых отложений

Синтез-газ — смесь монооксида углерода и водорода. В зависимости от способа получения соотношение CO:Н2 варьируется от 1:1 до 1:3.

В качестве исходного (сырьевого) углеводородного продукта для организации конверсии используется метанол (CH3OH) , как наиболее емкий жидкий носитель водорода (молекулярная доля Н2 в соединении составляет 2/3).

Пределы взрывоопасности водород-кислородной смеси составляют (по объему) от 4 до 94% Н2, а водород-воздушной смеси - от 4 до 74% Н2 (смесь 2 объемов Н2 и 1 объема О2 называется гремучим газом).

Использование синтез газа безопасно, так как:

1. Реакция между водородом и кислородом (т.е. реакция окисления водорода 2Н2 + О2 =2Н2О) при обычных условиях практически неосуществима, так как необходима температура около 700°C. Во впускном тракте дизеля температуры не превышают 100-150°С, поэтому реакции водорода с кислородом в данном случае неосуществимы.

2. Малая концентрация водорода ((до 5% от массы расходуемого топлива))

В испарителе метанол предварительно нагревается и испаряется и далее поступает в термокаталитический реактор, в котором происходит термохимическое преобразование в водородный синтез-газ при нагревании до температур порядка 300-310°С в присутствии катализатора.

Катализатор представляет собой покрытие на основе оксидов таких металлов, как Cu,Ni,Cr, в пропорциях 1/3, которое подвергается процессу активации.

Добавка водорода к свежему заряду во впускной системе в относительно небольших количествах (до 5% от массы расходуемого топлива) позволяет на 50% снизить дымность и токсичность отработавших газов по NOx в два-четыре раза и заметно увеличить экономичность. Высокая эффективность воздействия водорода на рабочие процессы связана с необычайно высокой нормальной скоростью сгорания этого газа, кроме того, он препятствует росту сажевых частиц.