Улучшение эффективных, топливно-экономических и экологических показателей бензинового двигателя путем применения модификатора горения

Современная автотракторная техника предъявляет всё более жёсткие требования к мощностным, экономическим и экологическим показателям двигателей.

Процессы сгорания уже с момента появления двигателя стали предметом непрерывных исследований. В трудах многих ученых, как российских, так и зарубежных, высказаны идеи о применении химической кинетики для изучения процессов воспламенения и горения в двигателях, построена рациональная теория распространения пламени, разработан комплекс вопросов химической кинетики и гидродинамики, теплопередачи и диффузии. Несмотря на достигнутые успехи в развитии наших представлений о горении топлива в двигателях, решение задач, связанных с созданием эффективных процессов, пока ещё требует напряжённого труда.

Экспериментатьные исследования и анатаз процессов в камерах сгорания двигателей с различными термодинамическими циклами показывают, что внутрикамерный процесс не протекает совершенно равномерно.

Даже при тщательно отработанном процессе двигатель с искровым зажиганием на многих режимах полностью не использует энергетические ресурсы топлива, и во многих случаях потери от процесса превращения топлива в конечные продукты реакции достигают 10−15%.

Решение возникающих проблем осуществляется различными путями: усовершенствованием конструкции двигателей, применением процесса гидроочистки для облагораживания топлив, использованием присадок, позволяющих, улучшить те или иные свойства топлив, а также сочетанием селективной гидроочистки топлив с последующим вовлечением в них присадок.

Применение присадок, как правило, наиболее экономично. Некоторые типы присадок, например антидетонаторы, широко применяются в течение нескольких десятилетий. Другие появились или приобрели большое значение в последнее время, например депрессорные и моющие присадки. Быстрыми темпами развиваются исследования в области присадок, улучшающих воспламененис и сгорание топлив, что связано со стремлением добиться определенной экономии топлив за счет более полного их сгорания.

Отдельным видам присадок к топливам посвящен ряд обзоров, вышедших в РФ в последнее время. Рассмотрены антиоксиданты для реактивных топлив [17], моющие [62] и антиобледенительные [63] присадки к автобензинам, де-прессорные присадки [34]. В 1980 г. в СССР вышел общий обзор, охватывающий литературу и патентные данные за 1973;1979 гг. [75].

Усиленно ведутся исследования в области снижения токсичности выхлопных газов, так как загрязнение воздуха в городах во многих странах становится национальным бедствием.

Разработаны новые инженерные решения для конструирования камер сгорания и подбора эффективных топлив и присадок к ним.

Несмотря на эти достижения, необходимость в изучении внутрикамерных процессов продолжает оставаться весьма актуальной.

Исследования осуществляются двумя путями. Один путь состоит в детальном описании процесса таким образом, чтобы, систематизировав экспериментальные данные, получить некоторые качественные выводы. Второй путь заключается в том, что можно, воспользовавшись имеющимися представлениями о процессе горения, поставить перед собой следующие задачи:

1) установить механизмы, вызывающие неустойчивое горение в двигателях на химическом топливе;

2) для некоторых из них дать количественные решения;

3) проанализировать результаты и сравнить их с экспериментом;

4) показать пути использования результатов теоретического анализа, а также накопленных физико-химических средств для регулирования процесса горения;

5) описать инженерные методы для исследования процесса горения.

Главной тенденцией в области производства жидких топлив является поиск возможностей увеличения их ресурсов. Эта задача решается двумя путями. Один из них — расширение производства дефицитных топлив за счет других, главным образом мазутов. Последние могут вовлекаться в состав светлых томлив как непосредственно (при повышении конца кипения дизельных топлив на 20−40°С), так и через процессы вторичной переработки. Вследствие этого потребление самих мазутов как топлив во многих странах за последние 25 лет резко упало [36].

Мощности вторичных процессов быстро растут в тех странах, где общий объем переработки нефти сокращается. Так, например, в течение 1983 г. мощности по прямой переработке нефти уменьшились в США на 2% (11,4 млн. т) и Японии на 10% (27,9 млн. т). В то же время вторичные мощности (в основном по гидрокрекингу и каталитическому крекингу) увеличились в США на 4% (43 млн. т) и Японии на 3,2% (0,9 млн. т) [36]. Развитие вторичных процессов переработки нефти, за исключением гидроочистки, приводит к изменению качества нефтяных дистиллятов в худшую сторону. Предполагается увеличение в них олефинов, фенолов, сернистых соединений.

Экономия топлива на транспорте также позволяет увеличить его ресурсы. Эта проблема решается, прежде всего, улучшением конструкции двигателя, транспортного средства и рациональной системой перевозок. В этом направлении имеются большие резервы. Так, в течение десятилетия 1972;1982 гг. в основных капиталистических странах годовое потребление бензина на автомобиль снизилось на 21,4% - в среднем на 2,25 л [36]. В США поставлена задача уменьшить расход топлива автомобилем до 3−5,5 л/100 км [36].

Наряду с конструктивными улучшениями дополнительный эффект может быть достигнут при помощи присадок, которым в последнее время уделяется * большое внимание со стороны исследователей и потребителей [36].

Ужесточение требований к токсичности топлив и продуктов их сгорания вызывает сокращение выпуска этилированных бензинов. В США законодательно полностью запретили этилированный бензин в 1988 г., в странах Западной Европы переход на «чистый бензин» был осуществлён на год позже, в 1989 г. [36]. В РФ применение этилированного бензина до 01.01.2003 г. было запрещено в некоторых городах и курортных зонах (городах-курортах Кавказских Минеральных Вод, Теберда и Домбай, городах черноморского.

Минеральных Вод, Теберда и Домбай, городах черноморского побережья Кавказа). В качестве основных заменителей свинцовых антидетонаторов рассмат- • ривают кислородсодержащие компоненты (спирты и эфиры). Некоторые страны в настоящее время располагают достаточными ресурсами метилового и этилового спиртов и применяют их в качестве добавок к топливам для бензиновых двигателей. В частности, в Бразилии, где собственные запасы нефти удовлетворяют потребности страны только на 15%, уже в середине 70-х г. г. 60% всех автомобилей в качестве топлива использовали технический спирт, вырабатываемый из отходов пищевой промышленности (отходы после переработки сахарного тростника). Кислородсодержащие соединения не только решают проблему детонационной стойкости топлив, но и позволяют заметно увеличить их ресурсы. При этом их добавка к топливу до 10% по отдельным сообщениям не оказывает отрицательного влияния на работу двигателя. Продолжаются также поиски беззольных антидетонаторов.

Большое внимание уделяется уменьшению токсичности отработавших газов (ОГ) автомобилей. Так, в 1985 г. правительства девяти стран ЕЭС одобрили введение единых норм на содержание вредных веществ в ОГ. В результате введения этих норм количество выбросов сократилось на 50−90% [36].

Для уменьшения выбросов СО, образование которого в значительной мере обусловлено осмолением карбюратора, широко применяют моющие присадки, обеспечивающие его чистоту, и, как следствие этого — более полное сгорание углеводородов топлива.

Роль присадок в производстве и потреблении топлив велика и в перспективе заметно возрастет. В течение десятилетия 1982;1992 гг. потребление присадок к топливам в США увеличивалось в среднем на 2,5−3% в год [36]. Наиболее быстрые темны рос га ижиданлеи для присадок, повышающих химическую и термическую стабильность средних дистиллятов, низкотемпературные Свойства дизельных Юнлив и глшуюь, а также анiииксиданiив и ингибиторов коррозии.

Снижение токсичности отработавших газов автомобилей является одной из актуальных задач экологии, так как каждый автомобиль за год выбрасывает в атмосферу более 800 кг СО, 115 кг углеводородов и 38 кг оксидов азота. Важное значение имеет содержание твердых частиц и полицикличсских ароматических углеводородов, так как с ними связывают повышение онкологических заболеваний в промышленных странах. При оценке опасности отработавших газов особо следует выделить бензины, содержащие алкилпроиз-водные свинца.

Как показывает анализ, загрязнения атмосферы весьма дорого обходятся человеку не только за счет стоимости санитарно-очистиых сооружений, но и за счет потерь несгоревших топлив и косвенных потерь, связанных с ущербом для людей, животных и растений.

В отработавших газах содержится большое количество органических и неорганических соединений, причем составы газов от двигателей с воспламенением от искры и от двигателей с воспламенением от сжатия резко различаются. Содержание оксида углерода в отработавших газах при работе двигателей с воспламенением ог искры на порядок выше, чем при работе двигателей с воспламенением от сжатияв газах значительно больше углеводородов и альдегидов, но меньше твердых частиц. Загрязнения атмосферы за счет автомобильного фанспорта распределяются примерно так: 70% от ОГ, 25% от картерных газов, 5% от топлива, испарившегося из баков.

Следует также отметить, что солнечная радиация вызывает фотохимические реакции между углеводородами и оксидами азота, поступающими в атмосферу с ОГ. В результате этих реакций образуются летучие и весьма опасные для здоровья людей и окружающей среды нитропроизводные.

Большое значение приобретет процесс превращения NO в К02. Диоксид азота содействует образованию азотной кислоты и стабильны* иероксид-ных соединений. При этом создаются условия для разрушения покрытий улиц и площадей. Превращение NO в N02 имеет существенное значение в проблеме смога. Это плотный ту ман, содержащий серный и сернистый ангидриды, оксиды углерода и азота Смог вызывает бронхиальные поражения.

В крупных городах, где имеется большое число автомобилей, могут возникнуть концентрации токсичных веществ, представляющие опасность для людей. Исследования атмосферного воздуха часго бывают очень неутешительны. Например, в Софии в воздухе содержится 10,88 мг СО в I м3, а средняя концентрация свинца равна 4,25 мкг/м3.

Увеличение заболеваемости раком многие ученые связываю! с воздействием на человека канцерогенных соединений, присутствующих в окружающей среде. Наиболее активны многоядерные ароматические углеводороды, в первую очередь бензпирен. Одним из источников загрязнения атмосферы канцерогенными соединениями как раз и являются ОГ автомобильного транспорта, причем при работе двигателей с воспламенением от искры в саже отработавших газов содержится значительно больше бензпирена, чем при работе дизельных двигателей.

В СССР определяли содержание бензпирена в ОГ и в саже, снятой с внутренней поверхности выхлопных 7руб автомобилей [7]. Содержание смолистых веществ в саже от карбюраторного двигателя составляло 19,5−30%, в саже от дизельного двигателя 4−10%. Спектральнофотометрическим анашзом этих образцов было обнаружено 200 мкг бензпирена в 1 г сажи.

Процесс образования бензпирена связан с изменениями условий в камере сгорания, при оптимальном угле опережения зажигания выделение бензпирена составило 7,6 мкг на 1 л топлива, при раннем зажигании 10,8 мкг, при позднем 29,2 мкг.

Природа топлива и присадок тоже влияет на концентрацию бензпирена в отработавших газах бензиновых и дизельных двигателей. Показано, что наибольшее количество этого углеводорода содержится в бензине жесткого каталитическоюриформиш а. Добавка ЦТМ снижает содержание бензпирена в бензине. Выброс канцерогенных веществ значительно уменьшается и при добавлении в топливо барийсодержащил присадок. Установлено также наличие большого количества бензпирена в саже выхлопных газов ГТД и поршневых авиационных двигателей.

В научно-технические журналы разных стран идет непрерывный поток информации о токсичности отработавших газов. Разрабатываются стандарты для оценки токсичности отработавших газов различных двиг ателей и специальные ездовые циклы.

Официальными ездовыми циклами, по которым оценивают токсичность отработавших газов за рубежом, являются калифорнийский (США), японский и европейский. Эти циклы различаются по продолжительности работы двигателя и по режимным параметрам. Токсичность оценивают по объемному (% об., млн" 1) или массовому (% масс.) содержанию токсичных компонентов за время испытания, а также по количеству токсичных веществ, выделяющихся на единицу пути (г/км, г/миля). Объемная концентрация и количество на единицу пути связаны следующими соотношениями: для NOx 1 г/км = 432 млн" 1, для СлНт 1 г/км =131 млн" 1, для СО 1 г/км=0,07% (об.).

В Советском Союзе проблеме снижения токсичных выбросов в атмосферу уделялось самое серьезное внимание. В России вопросами охраны окружающей среды занимается ряд учёных ведущих ВУЗов и КИИ страны.

Улучшение эффективны а, юнлиьно-экономических и экологических показателей современных двигателей внутреннего сгорания связано с дальнейшим совершенствованием и развитием номенклатуры присадок и добавок в топливо, с их правильным и рациональным применением.

Общие выводы.

В результате проведённых расчётных и экспериментальных исследований достигнута основная цель работы — улучшение эффективных, топливно-экономических и экологических показателей бензинового ДВС путём применения в бензине МГ.

1. Для дальнейшего улучшения эффективных, топливно-экономических и экологических показателей ДВС наиболее рациональным с технической и экономической точек зрения является применение МГ в топливе.

2. Физико-химические свойства бензина не меняются, за исключением поверхностного натяжения топлива, которое составляет 23−24 эрг/см2.

3. В результате расчётно-теоретического анализа определено, что введение в бензин марки АИ-93 МГ увеличит Ne на 10,2%, при уменьшении ge до 8,4%. Уменьшение окислов углерода составило 0,01 кмоль/кг, а оксида азота -0,12 кмоль/кг.

4. Уточнённый расчётно-теоретический анализ дал возможность определить протекание химико-теплового процесса в двигателе, работающем на топливе с МГ и получить расчётные показатели двигателя при введение МГ: увеличение Ne до 86 кВт, ge до 272—-—, максимальная температура цикла кВтп-ч предполагается до 2756 К, эффективный КПД около 0,3, а СО и NO в ОГ -0,012 и 0,247 кмоль/кг соответственно.

5. Разработанные методики стендовых и эксплуатационных испытаний автомобильных бензинов с МГ, позволяют оценить количественные показатели и качественное изменение эффективных, топливно-экономических и экологических показателей ДВС.

6. На основании экспериментальных стендовых исследований установлена эффективность применения МГ в бензине в установленной концентрации 0,01%. Увеличение Ne составило 7,2%, уменьшение ge — 4,7%. Эксплуатационные испытания, проведённые в городских условиях, показали фактическую экономию топлива в 5,65%. Токсичность отработавших газов в среднем снизилась по СО на 4,7% при холостых оборотах и 5,2% на частичных нагрузках, по СН на 1,3% при холостых оборотах и на 2,7% при частичных нагрузках.

7. Полученные количественные показатели по эффективной мощности (83 кВт), удельному эффективному расходу топлива 281—-—, эффективнокВт’Ч му КПД (0,29) и составу отработавших газов (С0=0,017 кмоль/кгМ?=0,287 кмоль/кг) показывают эффективность применения МГ независимо от режимов работы ДВС.

8. Эксплуатационные испытания автомобильных бензинов марок А-76 и АИ-93 с добавлением МГ показали наличие в ОГ на различных режимах работы двигателя: по АИ-93 — СО^ ~ 0,5%, СОф ~ 1,5%, СН^ ~ 2500 ррш, СНЩ) ~ 500 рршпо А-76 — СО^ ~ 0,45%, С6Ц ~ 0,4%, СНШ ~ 3500 ррш, СНчр ~ 500 ррш.

9. Полученные опытные данные рекомендованы к внедрению в АТП г. Ессентуки.

10 Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры ДВС СПбГАУ.

11. Экономическая эффективность от применения МГ в автомобильных бензинах, рассчитанная для АТП г. Ессентуки равна 12,5 млн руб. в год.