ПРИМЕНЕНИЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ ТОПЛИВ В ДИЗЕЛЯХ АВТОТРАКТОРНОГО ТИПА.

Д.Д. Матиевский, СП. Кулманаков
Впервые работы по изготовлению синтетического жидкого топлива из угля были опубликованы в начале XX в.
Так, в 1908 г. Орлов предложил процесс синтеза из смеси СО+Н2 углеводородов, далее этот метод был развит Фишером и Тропшем. В 1913 г. Бергиус предложил изготовление жидких продуктов методом гидрогенизации.
До 50-х годов эти способы развивались, имелись промышленные установки для получения моторных топлив. В дальнейшем эти методы не получили развития, т.к. моторные топлива начали получать более дешевым способом из нефти.
В настоящее время в связи с удорожанием добычи нефти, истощением ее запасов, снова уделяется повышенное внимание производству топлив из угля.
Одним из наиболее перспективных месторождений (по запасам) является Канско-Ачинский угольный бассейн.
При добыче углей Канско-Ачинского бассейна остро ставится вопрос переработки их на месте в высококалорийное топливо вследствие того, что они обладают сравнительно низким запасом энергии и высокой зольностью и влажностью. Одним из рациональных способов является переработка углей в синтетическое жидкое топливо (СЖТ), близкое по своим характеристикам к нефтяному. Хотя в данный момент стоимость производства СЖТ вдвое-втрое выше, чем стоимость продукта, произведенного из нефти, в дальнейшем эта разница будет уменьшаться.
Осознавая перспективность этих работ, во многих странах начаты исследования по их использованию в дизелях.
Основные направления переработки угля в синтетическое топливо: гидрогенизация и термическая обработка.
Состав конечного продукта очень сильно зависит от технологии переработки и вида углей. Но характерным для всех видов СЖТ является наличие высокого количества ароматических соединений, кислорода, азота в сравнении с нефтяными топливами.
Это предопределяет худшие, чем у нефтяных топлив показатели сгорания и токсичности ОГ, поэтому необходима доводка рабочего процесса и подбор технологии получения СЖТ.
Пригодность использования того или иного вида топлива можно определить с учетом следующих факторов: обширности сырьевой базы и необходимых конструктивных изменений двигателя, которые необходимо внести для обеспечения работы. Наиболее приемлемыми с этих позиций являются СЖТ.
Физико-химические свойства синтетических топлив очень сильно зависят от сырья и технологического процесса. Подбором исходного продукта и условий переработки можно получить весьма широкую гамму физико-химических свойств СЖТ. Главную роль в этом играют экономические соображения. В России способ гидрогенизации, предложенный Институтом горючих ископаемых, позволяет получать топливо, стоимость которого сопоставима с нефтяным.
Анализируя свойства СЖТ, можно заметить, что при большом разбросе этих параметров, общим для всех видов СЖТ является наличие повышенного содержания ароматических углеводородов и большого количества связанного азота. По всем остальным параметрам: воспламеняемости, плотности, вязкости, ЦЧ, фракционному составу, элементному составу, теплоте сгорания СЖТ равнозначны нефтяным.
Различия при использовании этих топлив объясняются химизмом воздействия на внутрицилиндровые процессы смесеобразования и сгорания, следовательно, для полного изучения особенностей применения СЖТ необходимо углубить знания о влиянии химического состава топлива.
Анализируя данные литературных источников, можно сделать следующие выводы.
Развитие работ по применению альтернативных источников позволяет заменить нефтяное топливо. Замена нефти должна обеспечивать сохранение экономических и экологических показателей.
Проведенный анализ показал, что наиболее вероятной заменой нефти является уголь. В свою очередь, наиболее перспективно производство синтетического жидкого топлива в качестве моторного топлива.
Различие физико-химических свойств этих топлив заставляет обеспечить необходимые изменения рабочего процесса, что вызывает затруднения в связи с недостаточно изученными процессами кинетики воспламенения и горения этих топлив.
Мало исследованы методы расчета и прогнозирования экологических показателей при использовании топлив с другими физико-химическими характеристиками.
Исследования по применению альтернативных топлив проводились в лаборатории кафедры ДВС Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова на экспериментальной установке с одноцилиндровым отсеком тракторного двигателя серии "А" размерностью 13/14 производства Алтайского моторного завода.
Для регистрации параметров рабочего процесса и впрыска топлива установка была оборудована соответствующими датчиками.
Для исследования процессов сажеобразования и температуры пламени в цилиндре дизеля использовалась специальная аппаратура.
Для снижения трудоемкости и повышения точности обработки экспериментальных данных была создана автоматизированная система сбора информации. Система регистрации создана на базе микроЭВМ ДВК-ЗМ (Электроника МС 0502). Данная система позволяла одновременно записать 8 каналов информации в момент рабочего цикла дизеля.
Исследование рабочего процесса дизеля 1Ч13/14 при использовании смесевых и синтетических топливах проводилось для сравнительной оценки параметров рабочего процесса двигателя и сопоставления с параметрами рабочего цикла при использовании стандартного дизельного топлива. Результаты данного исследования позволили выявить возможности экономии дизельного топлива и снижения эмиссии токсичных компонентов с ОГ.
Были исследованы следующие виды топлив:
Физико-химические свойства СЖТ приведены в табл. 1, для сравнения даны характеристики стандартного дизельного топлива ДЛ.
Программа экспериментальных исследований состояла из 3 этапов.

Таблица 1.

Характеристики испытанных синтетических жидких топлив.

 
На первом этапе снимались регулировочные характеристики с целью определения оптимального угла начала подачи топлива j нп для исследуемых топлив. После этого были проведены сравнительные исследования показателей рабочего процесса дизеля на номинальной частоте вращения коленчатого вала. Третий этап проводился с целью поиска мероприятий по улучшению экономичности и токсичности при работе на альтернативных топливах. Программа исследований в том или ином объеме повторялась для каждого из исследуемых топлив.
Отличие физико-химических свойств синтетических топлив предопределяет изменение характеристик топливоподачи, смесеобразования и сгорания, в связи с чем важное значение приобретает регулировка двигателя по углу начала подачи топлива.
На рис. 1 приведена характеристика изменения параметров рабочего процесса в зависимости от угла начала топливоподачи для синтетических топлив. Из рисунка видно, что оптимальный угол для дизельного топлива и гидрочищенного синтетического жидкого топлива (СЖТ) совпадает и составляет 17 град.п.к.в. до ВМТ. Для синтетического топлива, состоящего из первичной смолы гидрогенизации (ТТ) подачу топлива необходимо осуществлять раньше, в этом случае j нп=19 град.п.к.в. до ВМТ.

Сравнивая характеристики тепловыделения, приведенные на рис.2 можно проследить характер изменения скорости тепловыделения (dX/dj ). В случае использования гидроочищенного жидкого синтетического топлива 1-й максимум увеличивается и находится ближе к ВМТ, чем для дизельного топлива. Увеличение амплитутды вызывает увеличение (dP/dj )max. Меньшее значение угла второго максимума предопределяет повышение индикаторного КПД.
Для тяжелого синтетического топлива происходит уменьшение амплитуды (dX/dj )max. Величина (dX/dj )max остается неизменной, но угол j max увеличивается. Таким образом протекание тепловыделения для ТТ предопределяет увеличение Pz и уменьшение ηi в связи с большим углом j max. Особенности протекания процесса тепловыделения для СЖТ и ТТ объясняются особенностями химического строения этих продуктов.
При одинаковом диапазоне температур выкипания, в ТТ находится большее количество тяжелых углеводородов, причем, из-за особенностей получения значительная часть этих углеводородов - ароматики.

Обладая большей энергией связей, ароматические углеводороды начинают расщепляться при более высокой температуре, что вызывает увеличение периода задержки воспламенения. К недостаткам тяжелого топлива следует отнести и меньшее содержание водорода при увеличении доли углерода, что предопределяет меньшее значение удельной теплоты сгорания.
При гидроочистке происходит крекинг длинных молекул и насыщение остатков водородом. При этом уменьшается доля ароматических углеводородов, происходит очистка от химически связанного азота и серы, повышается количество легко- и среднекипящих фракций. Повышение доли водорода вызывает увеличение удельного теплосодержания. Все вышесказанное приводит к уменьшению t i при работе на СЖТ.
Для смесевых топлив из-за наличия спиртов происходит увеличение теплоты парообразования и уменьшение цетанового числа. В связи с этим понижается температура начала сгорания Тнс и увеличивается период задержки воспламенения t i. Значительное увеличение обуславливает более ранний угол j нп. В связи с ограниченностью количества испытуемых топлив запись точек регулировочной характеристики не производилась, а оптимальный угол опережения впрыска j нп определялся из условия обеспечения равенства углов начала сгорания. Разработанная автоматизированная система индицирования двигателя позволила значительно ускорить этот процесс при обеспечении высокой точности.
После проведения регулировочных испытаний были приняты следующие углы начала подачи топлива: для синтетического гидроочищенного топлива - 17 град.п.к.в. до ВМТ; для тяжелого синтетического топлива –19 град.п.к.в. до ВМТ.

На рис. 3 представлены показатели тепловыделения синтетических топлив при работе по нагрузочной характеристике. Доля тепла, выделившегося в 1-й фазе для СЖТ больше на 7-10%, для ТТ - меньше на 10-12%. Значение (dX/dj )max больше для СЖТ во всем диапазоне нагрузок на 2-3%, чем для дизельного топлива. При этом угол достижения (dX/dj )max для СЖТ расположен ближе к ВМТ. Для тяжелого топлива наблюдается обратная картина-уменьшение величины (dX/d(p)max, увеличение угла j max. Соответственно увеличивается (dX/dj )max и удлиняется 2-я фаза тепловыделения.
Протекание процессов тепловыделения объясняет особенности протекания нагрузочной характеристики сравнительных испытаний синтетических и дизельного топлив (рис. 4).
Увеличенная доля легкокипящих углеводородов в СЖТ позволяет перейти большему количеству топлива в парообразное состояние, что вызывает интенсифицирование процесса протекания кинетической фазы горения и определяет повышенную жесткость рабочего процесса (увеличение (dP/dj )max - на 10-15%). В то же время сокращение периода интенсивного горения позволяет уменьшить максимальное давление сгорания на 5-10%.

Для тяжелого топлива повышенная доля тяжелых углеводородов и увеличенная доля ароматиков вызывает уменьшение доли тепла, выделившегося в 1-й фазе сгорания и перенос тепловыделения на линию расширения. Это, в свою очередь, определяет примерно одинаковое значение (dP/dj )max, как и для дизельного топлива, но увеличивает Рz на 7-10%. Больший коэффициент избытка воздуха α для СЖТ предопределяет меньшую максимальную температуру цикла Τz (на 50-60 К). Больший индикаторный КПД отражает понижение температуры ОГ на 40-90 К. Для тяжелого синтетического топлива более низкое значение α вызывает возрастание максимальной температуры сгорания на 60-70 К. Удельный индикаторный расход топлива для гидроочищенного синтетического топлива на номинальном режиме одинаков, как и для дизельного топлива; а на режимах частичных нагрузок qi для СЖТ улучшается на 10 г/(кВт× ч). Для тяжелого топлива расход топлива значительно выше, при Рi=0,85 МПа равен 210 г/(кВт× ч), тогда как для дизельного топлива qi=185 п'(кВт× ч), т.е. достигает 15% разницы. Однако если проследить изменение индикаторного КПД, то разница достигает лишь 4-5%. Это объясняется меньшей теплотворной способностью тяжелого синтетического топлива из-за большей доли углерода в его составе. Для СЖТ значение h i имеет незначительное (до 2%) улучшение во всем диапазоне нагрузок.
Анализируя неиспользование теплоты и изменение индикаторного КПД в цикле (рис. 5) при применении гидроочищенного топлива, следует указать, что сокращается продолжительность сгорания, увеличивается его полнота, однако более интенсивное тепловыделение предопределяет увеличение конвективного и радиационного теплообмена. Также происходит увеличение текущего значения показателя адиабаты, как по причине снижения температуры, так и благодаря увеличению содержания двухатомных газов в продуктах сгорания из-за роста коэффициента избытка воздуха и увеличения соотношения водород-углерод в составе СЖТ. Все эти обстоятельства приводят к уменьшению составляющих неиспользования теплоты в цикле вследствие несвоевременности d нс сгорания, изменения температуры d т рабочего тела. При этом происходит незначительное увеличение составляющих теплообмена d c и изменения состава d c. Значение индикаторного КПД цикла незначительно увеличивается. Для первичной смолы гидрогенизации наблюдается обратная картина. Для составляющих неиспользования теплоты вследствие несвоевременности и влияния температуры происходит рост значений, в результате происходит ухудшение ηi на 3-5%.
Основную роль при изменении индикаторного КПД играет несвоевременность сгорания. Эта величина позволяет увеличить ηi на 2-3% на частичных нагрузках для СЖТ и вызывает уменьшение индикаторного КПД на 3-5% для ТТ.
С уменьшением нагрузки происходит сокращение периода сгорания, увеличение избытка воздуха, снижение температуры рабочего тела. В результате этого и снижается значение всех показателей неиспользования теплоты - d нс, d τ и d с при увеличении d w вследствие изменения характера тепловыделения (возрастает относительный теплообмен и теплообмен в районе ВМТ). Наряду с экономическими показателями большое значение имеют показатели экологические. На рис. 6 представлены результаты показателей токсичности при сравнительных испытаниях топлив.

Наиболее высокие уровни выбросов С, NOx, CxHy и СО наблюдаются для тяжелого синтетического топлива, что обусловлено его химическим составом. Наличие большого количества связанного азота в топливе и увеличение максимальной температуры сгорания предопределяет повышение эмиссии окислов азота на 20-50%, причем при уменьшении нагрузки эта разница увеличивается за счет перехода большей доли азота топлива в NOx. Наличие молекул углеводородов с большей массой, чем в нефтяном дизтопливе, объясняет повышенное содержание сажи и углеводородов в ОГ, т.к. крекинг этих молекул протекает медленнее. Уровень выбросов сажи повышается на 30%, выбросы углеводородов на режимах средних нагрузок выше на 25%, на режиме номинальной мощности они выравниваются. Максимальная эмиссия СО для ТТ достигает 2,1 мг/м3 и превосходит уровень выбросов СО для дизтоплива на 40%. Таким образом, по своим экологическим характеристикам топливо ТТ значительно хуже стандартного нефтяного топлива. Для гидроочищенного топлива характерным является уменьшение доли азота топлива при гидроочистке и меньшая максимальная температура сгорания, что позволяет добиться уменьшения выбросов NOx в сравнении с ТТ, однако превышение уровня эмиссии окислов азота при использовании стандартного топлива составляет 15-20%. Поскольку в СЖТ имеется большее количество легкокипящих углеводородов, то выделение сажи и углеводородов с ОГ снижено. Так, выбросы сажи снижены на 10-15%, а углеводородов - в 2-3 раза. Уровень выделения СО больше на 15-20%.

Исходя из вышесказанного, по совокупности экономических и экологических параметров наиболее перспективным топливом является гидроочищенное синтетическое жидкое топливо.Единственным его недостатком является повышенное содержание окислов азота в ОГ, которое может быть снижено конструкторскими или эксплуатационными мероприятиями, либо за счет увеличения степени гидроочистки. Хотя гидроочищенное СЖТ позволяет эксплуатацию дизелей без переделки и регулировок при сохранении экономических и экологических параметров, главным недостатком в этом случае является высокая стоимость его получения. С этой точки зрения более перспективно применение тяжелого синтетического топлива, стоимость которого в 2 раза меньше.
Исходя из стоимости изготовления, более выгодно использовать в качестве топлива для дизелей первичной смолы гидрогенизации (тяжелого синтетического топлива). Поскольку экономические и экологические показатели рабочего процесса на серийном дизеле ухудшаются при использовании ТТ, необходимо провести работы, направленные на улучшение параметров рабочего процесса.
Для доводки рабочего процесса при работе на ТТ менялись параметры топливоподавающей аппаратуры: давление затяжки иглы форсунки и эффективное проходное сечение распылителя.
Влияние давления затяжки иглы форсунки в диапазоне 15-20 МПа проявляется крайне незначительно, укладываясь в погрешность эксперимента, поэтому характеристика изменения параметров рабочего процесса в зависимости от затяжки пружины не приводится. Влияние эффективного проходного сечения распылителя проявляется более отчетливо, однако улучшение параметров в целом небольшое. Так, удельный индикаторный расход топлива уменьшается на 2-3%, максимальное давление сограния Pz и максимальная жесткость процесса (dP/dj )max снижается на 3-4%, изменение температуры отработавших газов не превышает погрешности определения. Поскольку варьирование вышеназванными параметрами не позволяет добиться заметного улучшения параметров рабочего цикла, было решено воздействовать на рабочий процесс изменением конструкции камеры сгорания. Были разработаны две конструкции КС, защищенные авторскими свидетельствами.
В основу конструкций камер сгорания был положен принцип дополнительной турбулизации воздушного заряда, позволяющий уменьшить удельный эффективный расход топлива и снизить дымность и токсичность отработавших газов. Так как для дизелей повышенные дымность и выход окислов азота обусловлены несовершенством смесеобразования, то дополнительная турбулизация способствует более равномерному распределению топлива и окислителя.
Дополнительную турбулизацию можно создать с помощью скруглений камеры сгорания или введением турбулизирующих кромок на боковой кромке КС. Схема этих КС приведена на рис. 7. Форма 1-й камеры сгорания в продольном сечении представляет собой полутор. В поперечном сечении КС образована частями окружности, вписаннми в углы многоугольника и соединенных дугами. Стрелкой на рисунке показано направление вращения основного осевого вихря, также на схеме представлено направление топливных факелов. Наличие выступов в КС позволяет более эффективно использовать воздушный заряд.

Направление струи из распылителя выбиралось таким образом, чтобы топливные факелы попадали перед турбулизирующими кромками. При наличии осевого вихря струи будут сноситься на кромки и попадать в зону дополнительной турбулентности. Взаимодействие топливного факела с вихревым воздушным зарядом позволяет улучшить смесеобразование за счет увеличения доли топлива, сгорающего в объеме КС, а не на стенках.
Конструкция 2-го варианта КС предусматривала введение турбулизирующих профилей в объем камеры сгорания (рис. 7.)
Сравнительная характеристика параметров рабочего цикла при использовании 1-го варианта опытной камеры сгорания и серийной КС приведена на рис.8.

Наличие дополнительной турбулентности позволило улучшить смесеобразование, проявившееся в увеличении коэффициента избытка воздуха α и снижения температуры отработавших газов на 5-15%. Соответственно, это дало возможность улучшить индикаторный КПД на 7-8% на частичных режимах. На режимах, близких к номинальной мощности, значение ηi несущественно отличается от значений индикаторного КПД для серийной камеры. Значения максимального давления сгорания для опытной камеры сгорания ниже на 7-8% на частичных нагрузках и незначительно выше на номинальном режиме. Снижение температуры ОГ составляет 80 К. При возрастании нагрузки разница температур ОГ уменьшается до 20-30 К. Таким образом, применение опытной камеры сгорания позволяет улучшить экономические показатели дизеля на частичных режимах.
Прослеживая изменение вредных выбросов в ОГ (рис. 9), мы также можем констатировать улучшение экологических показателей. Уменьшение выбросов окислов азота составляет от 5 до 20%, снижаясь по мере роста нагрузки. Содержание сажи в ОГ падает на 20%, значительно, до 60%, меньше выделение окиси углерода. Возрастает доля углеводородов в 2-3 раза, но, учитывая незначительную величину эмиссии CxHy, этим фактором можно пренебречь. Следовательно, применение опытной камеры сгорания позволяет использовать тяжелое синтетическое топливо при обеспечении удовлетворительных экономических и экологических показателей.
Поскольку в конструкцию 2-го варианта КС были положены аналогичные принципы, то при использовании данного варианта КС были получены примерно такие же результаты.

Применение гидроочищенного синтетического жидкого топлива позволяет заменить им традиционное топливо без переделок и перерегулировок двигателя.
Экономические показатели рабочего процесса и содержание вредных выбросов в ОГ при использовании СЖТ остаются неизменными или незначительно улучшаются.
Эксплуатация дизеля на синтетическом тяжелом топливе значительно ухудшает экономические и экологические характеристики.
Индикаторный КПД уменьшается на 4-5%. Выбросы окислов азота возрастают на 20-50%, сажи - на 30%, углеводородов - на 25%, окиси углерода - на 40%. Максимальная температура сгорания возрастает на 60-70 К, максимальное давление цикла Pz увеличивается на 8-10%.
Ввиду меньшей стоимости более выгодно использовать тяжелое синтетическое топливо, поэтому необходим поиск путей, позволяющих улучшить экономичность и токсичность этого вида топлива. Изменение параметров топливоподающей аппаратуры (угла опережения впрыска, давления затяжки пружины иглы форсунки) и варьирование эффективным проходным сечением сопел распылителя не позволяет достичь эффективного улучшения рабочего процесса. Влияние этих параметров изменяет показатели рабочего цикла не более, чем на 1-2%.
Предложенная конструкция камеры сгорания позволяет улучшить экономические и экологические показатели при работе на ТТ. При этом индикаторный КПД возрастает на 7-8%; снижаются выбросы сажи - на 20%, окислов азота - на 15-20%, окиси углерода -на 30-60%.
На основе выше сказанного можно сделать следующие выводы:
  1. Проведенный на основе литературных источников анализ показал, что наиболее реальным энергоносителем в ближайшее время будет уголь и его производные. Для двигателей внутреннего сгорания наиболее предпочтительным является синтетическое жидкое топливо. Преимуществом синтетического жидкого топлива является возможность получения аналогичных моторных свойств, недостатком - увеличенная стоимость получения (в 2-3 раза по сравнению с нефтяным топливом). Однако повышение стоимости топлива из нефти и возможность использования прогрессивных технологий получения СЖТ снижают эту разницу.
  2. При сравнении 2-х образцов синтетического жидкого топлива: первичной смолы гидрогенизации (ТТ) и гидроочищенного жидкого топлива (СЖТ) были получены следующие результаты; гидроочищенные синтетическое жидкое топливо по всем своим показателям: экономичности, жесткости рабочего процесса, токсичности превосходит традиционное топливо. Тяжелое топливо (ТТ) из-за наличия большего количества ароматических углеводородов и химически связанного азота имеет худшие характеристики: продолжительность t i возрастает на 2 град.п.к.в., КПД уменьшается на 3-5% , Ρz возрастает на 10-15%, Τz больше на 10%.
  3. Так как стоимость получения ТТ значительно ниже, желательно использовать этот вид топлива. С этой целью были проведены дополнительные испытания по улучшению экономических и экологических показателей. Применение распылителя с большим коэффициентом эффективного проходного сечения и регулировка затяжки давления впрыска форсунки дает незначительное улучшение параметров рабочего цикла. Предложенные камеры сгорания по а.с. № 1320474, 1456622, разработанные на кафедре ДВС АлтПИ, позволяют за счет дополнительной турбулизации улучшить экономичность на 7-8% на частичных нагрузках и обеспечить удовлетворительные экологические характеристики (уменьшить выбросы NOx на 10-15%, снизить сажесодержание в ОГ на 15-20%).