Значительное влияние оказывает большое число автобусов большого и средних классов в общественном транспорте г.Улан-Батор на загрязнение воздуха. За год они выбрасывают в воздух 59102.2 тонны дыма, 533.3 кг сажи, 222.2 кг серы и 177.8 кг ядовитых веществ, вызывающих злокачественные опухоли. В настоящее время в Улан-Баторе ежедневно выходят на дорогах города около 1100 автобусов. Если учесть, что эти автобусы работают на дизельном топливе стандарта евро 2, то они выбрасывают в окружающую среду 69.3 т оксидов азота и 79.2 т твердые микрочастицы PM. В последние годы эта статистика выше, чем у других зарубежных стран. Использованием двойного топлива дизель-сжиженного нефтяного газа (СНГ) можно достичь уменьшения количества твердых частиц, выбрасываемых в атмосферу с выхлопными газами автобусов.
Ключевые слова : сгорание дизельно-газового двойного топлива, программное обеспечение дополнительного оборудования для газового топлива, дизельное топливо, весовое соотношение в газодизельной смеси, количество сажи.
Введение
По данным 2019 г., доля вредных выбросов от автотранспорта в Улан-Баторе составляет 26,8 % по главной дороге и 59,6 % по второстепенным дорогам [1].
Для уменьшения загрязнения воздуха от транспортных средств помимо производства экологически безопасных транспортных средств, большое внимание уделяют на создание более экологического топлива, с меньшими вредными выбросами. Некоторые результаты этих экспериментальных исследований находят свое применение в практике. Оснащение автомобилей дополнительными оборудованиями и переход на смешанный топливной режим работы дает возможность в некоторой степени снизить загрязнение воздуха. Например, в Китае все больше используют транспортные средства с газо- и электродвигателем, а в РФ правительство поощряет снижение загрязнения воздуха за счет установки дополнительного оборудования (ГБО) к автомобилям с дизельным двигателем.
Что касается Монголии, в целях снижения загрязнения воздуха в Улан-Баторе в первую очередь предлагается уменьшить сажевыделение путем перевода на режим газодизельного топлива, оснастив автобусы общественного транспорта дополнительными оборудованиями, с последующим применением в автобусах междугородного сообщения, а также в тяжелых горных механизмах. В целях уменьшения количества вредных выбросов сгорания импортного дизельного топлива до нормативы установленных Евро 3 и выше, необходимо определить оптимальное соотношение дизельного и газового топлива.
- Сгорание газодизельного топлива и продукты сгорания
Дизельное топливо состоит из насыщенных углеводородов (75 %) и ароматических углеводородов (25 %) [8]. Дизельные топлива содержат соединения от C10H20 до C15H28 [5]. При сгорании дизельное топливо полностью реагирует со сжатым воздухом высокого давления и температуры, в результате химической реакции образуются продукты сгорания (1).
|
C 1 2 H 2 2 + (21% О 2 + 79% N 2 ) CО 2 + H 2 О + энергия |
(1) |
Реакция полного сгорания внутри цилиндра зависит от многих факторов, таких как нагрузки двигателя, способа и условий образования рабочей смеси, от вращения и режима скорости коленчатого вала двигателя, времени сгорания, от физико-химических свойств дизельного топлива, а также от количества серы, содержащей в нём.
Неполное сгорание дизельного топлива выражается уравнением реакции (2) [7]:
|
C 12 H 22 + (21% О 2 + 79% N 2 ) CO 2 + CO + + H 2 O + N 2 + NO x + CH + С + энергия |
(2) |
На сегодняшний день учеными выявлено около 1200 химических соединений в отработавшем газе в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), из которых подробно изучено лишь около 200 [2].
Из-за неравномерного распределения дизельного топлива в камере сгорания и неполного разложения молекул тяжелых углеводородов процесс сгорания на отдельных участках происходит не полностью и приводит к образованию твердой сажи (С) и небольшого количества окиси углерода (СО). Для полного сгорания топлива в любом участке камеры сгорания, воздух всегда подается с избытком. Избыток кислорода под действием высоких температур соединяется с азотом и образует оксиды азота (NО x ). Таким образом, вместе с выхлопным газом дизеля эти токсичные соединения выбрасываются в атмосферу [3, 4].
Реакция горения смеси с определенным соотношением пропана (C 3 H 8 ) протекает по уравнениям (3), бутана (C 4 H 10 ) (4) [9 и 10]. Распыление СНГ в приемную трубу двигателя значительно увеличивает время смешивания с воздухом, поступающим в цилиндр, что приводит к полному сгоранию СНГ и уменьшению продуктов неполного сгорания.
|
C 3 H 8 +2(8.05 О 2 + 3.76 N 2 )→ 3 CO 2 + 4 H 2 O + 3.05 O 2 + 7.52 N 2 |
(3) |
|
|
(4) |
При сгорании в двигателе смешанного топлива с определенным соотно-шением смесей (дизель-газ), количество образующихся СО 2 , СО и сажи (С) относительно невелико. Это связано с малым количеством низкомоле-кулярных углеводородов в составе СНГ и с тем, что молекулярный распад при сгорании происходит быстрее, чем у дизельного.
- Система питания и программное обеспечение дополнительного оборудования газодизельного двигателя
Дополнительное оборудование, представленное на рис 1, для впрыска СНГ устанавливается к традиционной системе питания дизельного двигателя. Газо-дизельная топливная система питания топливом работает в двух режимах: «Дизель» и «Дизель-газ».
Рис. 1. Схема дополнительного оборудования питания
Путем внесения дополнительных корректировок в программу контроля регулируется количество распыляемого СНГ и соотношение удельного веса дизель-газового топлива. Как показано на рис. 2, время впрыска СНГ определяется в зависимости частотой вращения коленчатого вала и нагрузки двигателя.
Рис. 2. Таблица настройки продолжительности впрыска СНГ в зависимости от вращения и нагрузки на коленчатый вал двигателя
Минимальная продолжительность распыления СНГ должна быть не менее 2 мс, при обороте коленчатого вала 2000–2500 об/мин 12 мс и при 1500–2000 об/мин не более 14 мс. Это связано с тем, что максимальную продолжительность впрыска СНГ ограничивает вращение коленчатого вала двигателя и детонация двигателя.
Электронный блок ограничения (ЭБО) регулирует смещение штока шагового двигателя, изменяя вращение коленчатого вала двигателя. Например, смещение рычага на 1 см равно 1000 шагов двигателя. Максимальное смещение рычага шагового двигателя достигает 3 см. Как показано на рис. 3, программа настроена так, что при частоте вращения коленчатого вала двигателя более 1400 об/мин, соответствовало 1050 шагов или смещение 1,05 см шагового двигателя.
Рис. 3. Настройка электронного блока ограничения и шага двигателя
Подачу дизельного топлива регулируют равным по объему допол-нительно опрыскиваемого СНГ, согласно диаграмме ограничения подачи, показанной на рис. 4.
Рис. 4. Диаграмма ограничения подачи дизельного топлива в зависимости от вращения коленчатого вала
- Результаты экспериментальных исследовани й сажеобразования в режиме смешанного топлива
Проведены ряды испытаний и экспериментов на двигателе автобуса марки DAEWOO BS-106 для определения оптимального соотношения количества дизельного топлива и СНГ, впрыскиваемого в камеру сгорания, а также для определения взаимосвязи между образованием сажи и частотой вращения двигателя при газодизельном смешанном режиме работы.
Рис. 5. Зависимость образования сажи от вращения коленчатого вала
На рис. 5 представлены результаты измерения количества сажи при разных соотношениях дизели и газа в смеси, увеличивая частоту вращения коленчатого вала с 500 по 2200 об/мин.
На рис. 6 показана зависимость количества выбросов (сажи) от содержания СНГ в смеси при режиме двойного топлива, полученная на программе SPSS.
Рис. 6. Зависимость образования сажи от содержания массовой доли газового топлива в смещанном топливе дизель-газ
Результаты свидетельствуют, что зависимость между содержания СНГ и количества выбросов — экспоненциальная.
Таблица 1
Результаты расчёта количества сажи в зависимости от содержания сжиженного газа в смеси
|
Модель |
Результат модели |
Рассчитанные параметры |
|||
|
R 2 |
F |
зависимост ь |
Постоянная |
b1 |
|
|
Экспоненциальная |
0.906 |
28.79 |
0.013 |
5.0 |
-0.025 |
По мере увеличения доли высоко-октановых и низкоцетановых топлив в смеси количество сажи уменьшается, но при подаче СНГ выше 30 % наблюдались задержка воспламенения и явление детонации.
Результаты, полученные на программе SPSS, показывают, что зависимость количества выбросов смешанного топлива от частоты вращения двигателя имеет линейный характер (рис. 7).
Таблица 2
Количеств о образованной сажи в зависимости от вращения коленчатого вала
|
Модель |
Результат модели |
Рассчитанные параметры |
|||
|
R 2 |
F |
зависимост ь |
Постоянная |
b1 |
|
|
Линейная |
0.996 |
1128.684 |
0.0 |
8.028 |
-0.002 |
Рис. 7. Зависимость образования сажи от вращения коленчатого вала
В смешанном топливном режиме выбросы уменьшаются по мере увеличения частоты вращения коленчатого вала, что связано с ограничением подачи дизельного топлива и увеличением подачи СНГ.
Вывод
При переводе автобуса Daewoo BS-106 на дизельно-газовый смешанный режим оптимальное весовое соотношение дизельного топлива и СНГ составляет 70:30.
Количество сажи в выхлопном газе не превышает 5 % при установленном нами оптимальном соотношении дизели и СНГ.
Литература:
- Отчёт службы мониторинга качества воздуха
- Б. Баярсурэн «Исследование некоторых критерий, влияющих на дизель-ный выхлопной газ», УБ: Докторская диссертация, 2004, — 10с.
- Звонов В. А. Токсичность двигателей внутренного сгорания. М. Машиностроение. 2011 г. 87с [52]
- Deo Raj Tiwari. Gopal P. Sinha. Performance and Emission Study of LPG Diesel Dual Fuel Engine. International Journal of Engineering and Advanced Technology. Feb. 2014. ISSN: 2249–8958, Volume-3, Issue-3, pp.198–203
- Ecopetrol S.A Ecopetrol S. A. Instituto Colombiano del Petróleo, A.A., Exhaust emissions evaluation of Colombian commercial diesel fuels” 4185 Bucaramanga, Santander, Colombia, 2 Emissions Research and Measurement Division, Environment Canada, Ottawa, Ontario,Canada, (Received 29 May 2003; Accepted 4 November 2003) PP-21, 22.
- Karim G., An experimentation of some measurements for improving the performance of gas fueled diesel engine at light loads, 1998, SAE Transactions, 912366
