Калинин Д.Н., Борисенко Н.Е.
Использование смесей дизельного топлива и диметилового эфира для улучшения экологических характеристик автотранспорта.
Рассмотрены проблемы использования диметилового эфира (ДМЭ) в качестве экологически безопасного моторного топлива для автотранспорта на примере работы МГТУ им. Н.Э.Баумана для автомобиля ЗИЛ-47303А «Бычок”.
На настоящий момент автотранспорт является одним из крупнейших загрязнителей окружающей среды. В масштабах Российской Федерации доля автотранспорта в суммарных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу всеми техногенными источниками достигает в среднем 43%, в выбросах «климатических» газов — порядка 10%, в массе промышленных отходов — 2%, в сбросах вредных веществ со сточными водами — около 3%, в потреблении озоноразрушающих веществ — не более 5%. Доля автотранспорта Москвы в загрязнении атмосферного воздуха достигает 85…90%.
Основную массу выбросов вредных веществ от автотранспорта составляют: оксид углерода, углеводороды и оксиды азота. Однако для здоровья населения наибольшую опасность представляют выбросы автотранспортом канцерогенных веществ (сажа, бензол, свинец, 1,3-бутадиен) и опасных органических веществ (формальдегид, акролеин, толуол, ксилолы).
На территории Москвы, где запрещено использование этилированных бензинов, до 70% ущерба здоровью населения связано с выбросами акролеина, оксидов азота и формальдегида, значительный вред наносят выбросы сажевых частиц, бензола, толуола и других органических веществ.
В структуре ущерба окружающей среде и здоровью населения от выбросов автотранспорта в городах девять веществ определяют 95% суммарного ущерба: оксиды азота (44,5%), свинец (21%), акролеин (7,5%), сажа (7,4%), оксид углерода (6%), диоксид серы (3,4%), формальдегид (2,8%), бенз(а)пирен (1,3%), ацетальдегид (1,1%).
Основной причиной ухудшающейся с каждым годом экологической ситуации в городах является непрерывный рост численности автомобильного парка.
Известны несколько путей улучшения экологических показателей двигателей внутреннего сгорания. К ним относятся совершенствование конструкции и способов управления ДВС. В частности совершенствование конструкции систем топливоподачи, газораспределения, улучшение процессов смесеобразования, применение систем рециркуляции отработавших газов и др. Также известен способ улучшения экологических показателей ДВС путем нейтрализации вредных компонентов отработавших газов в выпускной системе. К сожалению, ужесточающиеся нормы по токсичности отработавших газов ограничивают применение вышеперечисленных способов в Российской Федерации, которые связаны со значительными капиталовложениями. Несомненно, развитее отечественного двигателестроения будет двигаться по пути постоянного совершенствования конструкции ДВС, но для решения насущных экологических проблем крупных городов необходимо использовать другие способы.
Одним из путей снижения негативного влияния автомобиля на экологию города является использование альтернативных, экологически более чистых видов моторного топлива. Интенсивные работы в этом направлении ведутся во всех развитых странах мира. Одним из наиболее перспективных альтернативных топлив для дизельных ДВС является диметиловый эфир (ДМЭ), который производят путём синтеза из природного газа метана.
В настоящее время по инициативе правительства Москвы в городе проводят испытания по использованию диметилового эфира как дизельного топлива. ДМЭ известен как хладагент для первых холодильных установок и был вытеснен аммиаком, а позднее фреонами. В последнее время возобновляется интерес к ДМЭ, как хладагенту, ввиду отсутствия озоноразрушающих свойств, в отличие от фреона.
Применение ДМЭ позволяет снизить содержание вредных веществ в ОГ до норм Euro-III без использования нейтрализаторов, как на вновь выпускаемых автомобилях, так и на находящихся в эксплуатации. Наличие больших запасов природного газа в России, являющегося сырьем для получения ДМЭ при массовом производстве, позволит значительно снизить стоимость эфира и сделать его использование экономически выгодным.
Свойства ДМЭ как моторного топлива существенно отличаются от дизельного (табл. 1). 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 дизеля при переходе с дизельного топлива (ДТ) на ДМЭ претерпевают значительные изменения (табл. 2). В результате повышенной сжимаемости ДМЭ подача начинается позднее. Оптимальный угол опережения с повышением частоты вращения вала растет, а действительный уменьшается. Это противоречие тем сильнее, чем больше сжимаемость топлива, Поэтому автоматическая муфта опережения должна быть сконструирована специально под работу на ДМЭ.
Со стандартной муфтой работа дизеля не оптимальна, тем более без нее. Этот дефект компенсируется более быстрым воспламенением ДМЭ.