Воздействие на состав отработавших газов (ОГ) дизелей посредством применения нейтрализаторов вредных веществ (ВВ) и фильтров дисперсных частиц (РМ) малоэффективно в силу особенностей процесса диффузионного горения топлив, характерного для этого типа двигателей. Такой тип горения предопределяет как повышенное (по сравнению с двигателями с внешним смесеобразованием) сажеобразование, так и более высокую концентрацию серы в дизельном топливе (по сравнению с бензинами), приводящее к увеличенному содержанию в ОГ дизелей соединений серы (серного ангидрида, серной кислоты и твердых сульфатов). Оба этих обстоятельства обуславливают ускоренное загрязнение поверхности активных элементов нейтрализаторов и фильтров. В результате эффективность средств нейтрализации ОГ резко снижается. Поэтому представляется целесообразным разработка мероприятий по улучшению экологических характеристик дизелей за счет воздействия на рабочий процесс. При этом воздействующими факторами могут быть не только конструктивные и регулировочные параметры двигателя, но и параметры топлива: его физические и химические характеристики (цетановое число, вязкость, плотность, углеводородный состав и т.д.).
Изменение физико-химических характеристик топлив возможно за счет применения альтернативных топлив: или в чистом виде, или в смеси с традиционным дизельным. Одними из таких топлив являются водотопливные эмульсии (ВТЭ). Свойства ВТЭ зависят от их состава – долевого содержания воды в ВТЭ (Св) и структуры – среднего размера dср и характера распределения капель воды в эмульсии по размеру (т.е.степени однородности δ – чем меньше эта величина, тем выше однородность). Регулирование значений указанных параметров на стадии приготовления ВТЭ позволяет управлять характером сгорания эмульсии, т.е. воздействовать на характер протекания рабочего процесса и, таким образом, на экологические показатели двигателя [ 2, 4, 5 ].
Цель проведенного данного исследования: выявить наличие влияния структуры ВТЭ на экологические показатели дизеля.
Объект испытаний: трёхцилиндровый дизель 3ЧН 10,5/12 с турбонаддувом эксплуатационной мощностью 35,0 кВт при 2000 об/мин. Основные средства измерения: расходомер топлива 730 (AVL, Австрия), расходомер воздуха РГ-400 (Россия), газоанализатор DiCom-4000/NOx (AVL, Австрия) и дымомер 415S (AVL, Австрия). Испытания проводились на режимах согласно требованиям ГОСТ Р 41.96–2011 (Правила ЕЭК ООН № 96-01). В качестве топлива применено дизельное топливо (ДТ) и ВТЭ. В случае перевода на работу с дизельного топлива на ВТЭ мощность двигателя снижалась. Для обеспечения постоянства мощностных показателей двигателя производилась перерегулировка ТПА, обеспечивающая увеличение цикловой подачи топлива. Эмульсия приготавливалась методом мембранного эмульгирования с использованием мембран с различным диаметром пор dп: 0,20 и 0,45 мкм. Определение структуры эмульсии оценивалось по двум параметрам: средний размер капель дисперсной фазы и их распределение по размерам. Эти параметры измерены визуально с помощью оптического микроскопа МИКРОМЕД 3 Вар 3–20 с видеоокуляром DCM-510 и оборудования с динамическим рассеиванием лазерного света – анализатора размеров частиц Horiba LB-550 [1].
Полученные два образца ВТЭ отличались по своим характеристикам (рис. 1).
а 
б 
Рис. 1. Характер структуры водотопливной эмульсии при долевом содержании воды Св = 17 % в зависимости от диаметра dп, мкм пор мембраны и степени однородности δ: а – dп = 0,20; dср = 0,53; δ = 0,6; б – dп = 0,45, dср = 5,50, δ = 0,9
Результаты исследований показали (рис. 2):
- применение ВТЭ по сравнению с ДТ обеспечивает снижение концентрации оксидов азота NOx и суммарных углеводородов CnHm почти во всем диапазоне нагрузок, причём степень снижения в основном пропорциональна величине нагрузки;
- ВТЭ с меньшим размером капель воды обеспечивает большее снижение концентрации CnHm в ОГ;
Подобный характер влияния структуры ВТЭ на состав и содержание в ОГ дизеля оксидов азота объясняется, вероятно, тем, что чем крупнее капли воды, тем в большей степени снижается полнота сгорания и соответственно температура в зоне продуктов сгорания (зоне, где происходит образование термических NOx). Влияние на эмиссию суммарных углеводородов предположительно обусловлено влиянием на процесс вторичного смесеобразования микровзрывов большего количества капель воды (т.е. более мелких капель).
Что касается состава дисперсных частиц (РМ), находящихся в потоке ОГ дизеля, то чем меньше средний диаметр капель воды, тем выше склонность к образованию твердых сульфатов MSO4, но меньше склонность к сажеобразованию С (рис. 3).
а
б
Рис. 2. Изменение концентрации оксидов азота NOx и углеводородов CnHm в зависимости от мощности двигателя на разных скоростных режимах: а – 2000 мин–1; б – 1500 мин–1
Рис. 3. Влияние структуры ВТЭ (долевое содержание воды Св = 17) на состав дисперсных частиц (PM) в ОГ дизеля: 1 – MSO4 (твёрдые сульфаты); 2 и 3 – CHfuel и CHoil (высокомолекулярные углеводороды, источником которых являются топливо и смазочное масло соответственно); 4 – С (углерод – сажа); 0,45 и 0,20 мкм – ВТЭ, полученная с помощью мембран с порами диаметром указанного размера
Так, долевое содержание сажи в дисперсных частицах (оценка проводилась по методике, приведенной в работе [3]) при переходе дизеля с ДТ на ВТЭ, полученную с помощью мембран с диаметром пор dп = 0,45 мкм, снизилось почти в два с лишним раза, а при dп = 0,20 мкм – в четыре раза. При этом общая концентрация дисперсных частиц PM снизилась на 6 % в первом случае и на 29 % – во втором. Таким образом, структура ВТЭ влияет на склонность ВТЭ к сажеобразованию (соответственно – на уровень дымности ОГ), и чем мельче капли, тем эта склонность выше. Кроме того, переход на работу с ВТЭ привел к увеличению содержания в РМ высокомолекулярных углеводородов, источником которых является топливо CHfuel. Влияния на высокомолекулярные углеводороды, источником которых является смазочное масло CHoil, не отмечено.
Проведенные испытания также позволили получить косвенное подтверждение того факта, что прохождение ВТЭ по системе топливоподачи дизеля (в условиях воздействия высоких давлений и прецизионных размеров ТПА) не привело к деформации структуры ВТЭ. Иначе не было бы отмечено влияние структуры ВТЭ на содержание ВВ в ОГ и экономические показатели.
Выводы
1. При переводе дизеля на работу с дизельного топлива на водотопливную эмульсию отмечено влияние структуры эмульсии на экологические показатели двигателя. В частности, выявлено:
- снижение концентрации NOx и CnHm в отработавших газах, а также уровня дымности отработавших газов;
- большее положительное влияние водотопливной эмульсии с крупным размером капель воды на эмиссию NOx, а с меньшим размером – на уровень дымности ОГ и эмиссию CnHm;
- снижение эмиссии дисперсных частиц за счет уменьшения сажеобразования, которое превалирует над увеличением концентрации высокомолекулярных углеводородов, источников которых является топливо, и твердых сульфатов.
2. Воздействие высоких давлений и прецизионных размеров топливоподающей аппаратуры не приводит к деформации структуры водотопливной эмульсии.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 11-08-01168-а.
Рецензенты:
Гусаков С.В., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Теплотехника и тепловые двигатели», ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов» (РУДН) Министерства образования и науки РФ, г. Москва;
Гаврилов А.С., д.т.н., профессор кафедры «Тепловые двигатели и энергетические установки», ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых Министерства образования и науки РФ, г. Владимир.
Работа поступила в редакцию 26.09.2013.