Спецможливості
Техніка та обладнання

Диметиловий ефір – ще один вид альтернативного палива для дизельних двигунів

25.06.2009
775
Диметиловий ефір – ще один вид альтернативного палива для дизельних двигунів фото, ілюстрація

Про альтернативні (не нафтового походження) палива сьогодні говорять і пишуть багато. Але є представник цього виду палива, про якого в Україні практично не чути, попри те, що в Данії, Швеції, США та навіть у Росії його вже кілька років використовують на автомобільному транспорті. Це - диметиловий ефір, який засоби масової інформації іноді називають паливом для транспорту XXI століття.

Про альтернативні (не нафтового походження) палива сьогодні говорять і пишуть багато. Але є представник цього виду палива, про якого в Україні практично не чути, попри те, що в Данії, Швеції, США та навіть у Росії його вже кілька років використовують на автомобільному транспорті. Це - диметиловий ефір, який засоби масової інформації іноді називають паливом для транспорту XXI століття.

Диметиловий ефір (ДМЕ) як хімічну речовину одержали порівняно давно й вивчили достатньо добре. Донедавна його використовували в парфумерії як пропелент, заміняючи шкідливі гази (заборонений фреон тощо) та як холодоагент і розчинник.
У нормальних умовах це газ без кольору, майже не має запаху, в рідкому стані нагадує воду, хімічна формула - СН3-О-СН3; густина за температури 20°С - 2,091 кг/м3; температури: кипіння - мінус 23,65°С, спалаху в закритому тиглі - мінус 41,1°С , самозаймання в повітрі - 350°С. ДМЕ характеризується коротким напівперіодом існування в тропосфері (менше одного дня), не надходить у стратосферу, повністю розкладається на воду та діоксид вуглецю, нетоксичний, неканцерогенний, немутагенний.
Уперше про диметиловий ефір (ДМЕ) як про альтернативне та екологічно чисте паливо для дизельних двигунів було згадано на Міжнародному конгресі й виставці в Детройті 1995 року, після чого роботи в цьому напрямі почали інтенсивно розвиватися в цілій низці країн.
Перспективність цього виду палива визначається двома основними обставинами:
n сировинною базою;
n високими експлуатаційними та екологічними властивостями.
Порівняльну характеристику ДМЕ з іншими видами вуглеводневих палив наведено в таблиці.
Сировиною для одержання ДМЕ є природний газ, вугілля або біопаливо. Це похідна метанолу, який одержують у процесі перетворення газу в рідкий стан. Технологію виробництва ДМЕ розробили зарубіжні фірми: Haldor Topsoe (Данія), Air Products and Chemicals (США), NKK Corp. (Японія), BP (Велика Британія), Російська академія наук тощо. Випуск ДМЕ в світі останніми роками різко зріс і становить десятки мільйонів тонн.
Існує два сорти ДМЕ: вищий і нижчий. Вищий сорт ДМЕ містить не менше 99,5% ефіру, його використовують у парфумерії; нижчий має не менше 95% ефіру, його застосовують як паливо для дизельних двигунів.
ДМЕ має низку переваг, порівняно з іншими альтернативними паливами й дизельним паливом за п'ятьма показниками.
Хімічний:
n не має хімічних сполук вуглець - вуглець, що знижує схильність до сажоутворення під час згоряння;
n вміст до 35% зв'язаного кисню забезпечує повноту згоряння ДМЕ (завдяки чому в камері згоряння немає нагару й сажистих частинок у відпрацьованих газах) та зниження температури горіння палива в камері згоряння і, як наслідок, зниження вмісту оксидів азоту у відпрацьованих газах, усуває димність відпрацьованих газів;
n добра самозаймистість у циліндрах дизельного двигуна (цетанове число ЦЧ=55-60 порівняно з ЦЧ=45-50 для дизельного палива, не кажучи вже про інші види альтернативних палив: метанол, етанол, а також природний газ), що робить його ідеальним як паливо для дизелів.
Фізичний:
n добра випарність, що призводить до швидкої газифікації впорскуваного в циліндри палива й сприяє вдосконаленню процесу сумішоутворення, поліпшенню економічності за зниження тиску впорскування. За фізичними властивостями ДМЕ подібний до пропан-бутанових газів, які широко використовують як газоподібне паливо для двигунів внутрішнього згоряння. Його треба зберігати так само, як пропан і бутан, у зрідженому (скрапленому) стані в балонах під тиском 1-1,5 МПа, а технологія роботи зі скрапленими газами добре відпрацьована.
Екологічний:

  • зниження рівня викидів шкідливих речовин у відпрацьованих газах. Так, за викидами менше стандарту Євро-4: вшестеро - оксиду вуглецю (СО), вчетверо - вуглеводнів (СН), вчетверо - твердих часток (сажа й кіптява) і на 20% - оксидів азоту;
  • те, що в ДМЕ немає сірки, вирішує проблему вмісту оксидів сірки у відпрацьованих газах, що є однією з найактуальніших проблем використання нафтових дизельних палив;
  • ДМЕ є екологічно чистим продуктом, який не завдає шкоди навколишньому середовищу, бо, потрапляючи в атмосферу, швидко розкладається на воду і діоксид вуглецю.

Економічний:

  • підвищення ефективного коефіцієнта корисної дії до 60-65% порівняно з 35-45% для двигунів, що працюють на рідкому паливі;

Експлуатаційний:

  • зниження динаміки циклу й тиску згоряння, що підвищує надійність роботи двигуна й знижує на 10 дБ його шумність;
  • не має потреби у будівництві спеціальних автомобільних заправних станцій (АЗС), оскільки за своїми фізико-хімічними властивостями (крім цетанового числа) ДМЕ подібний до зріджених газів, тому для заправлення можна використати наявні автомобільні газонаповнювальні станції (АГНС). У цьому разі АГНС стає двопаливною заправкою (зріджений газ і ДМЕ), аналогічно діючим АЗС (бензин і дизельне паливо).

Найістотнішими недоліками ДМЕ як палива для дизельного двигуна є менша теплота згоряння та низька кінематична в'язкість.
Нижча теплота згоряння ДМЕ в 1,5 раза менша за теплоту згоряння дизельного палива (28900 проти 42500 кДж/кг), що призводить до збільшення витрати ДМЕ в 1,5-1,6 раза порівняно з дизельним паливом. Це потребує відповідного співвідношення цін ДМЕ і дизельного палива, щоб забезпечити конкурентоспроможність ДМЕ. Його ціна має бути вдвічі нижчою за ціну дизельного палива, а це може бути досягнуто тільки за широкомасштабного виробництва ДМЕ на установках великої потужності.
Недоліком ДМЕ є також низька кінематична в'язкість (на порядок менша порівняно з дизельним паливом), унаслідок чого ускладнюється герметизація рухомих вузлів ущільнення паливної апаратури, та незадовільні мастильні властивості, що потребує застосування спеціальних протиспрацьовувальних присадок або ж принципово іншої системи подавання ДМЕ в камеру згоряння. Існує також проблема ущільнень, оскільки ДМЕ - сильний розчинник і руйнує гумові вироби.
Та, незважаючи на недоліки, інтерес до ДМЕ як палива для дизельних двигунів зростає. Ним зацікавилися відомі фірми Японії, Франції, США, Великої Британії, Німеччини, а в деяких країнах (Швеція, Данія, Швейцарія) дизельні двигуни міського транспорту вже перевели на ДМЕ. Особливість цих двигунів у тому, що вони спеціально створені для цього виду палива й не можуть працювати на іншому. Згідно з прогнозами аналітиків, через 15-20 років важкий і середній транспорт практично скрізь повністю перейде на ДМЕ.
У Росії теж зростає інтерес до ДМЕ. Ще в травні 2004 року з'явилося розпорядження російського уряду "Об организации работ по внедрению диметилового эфира на транспорте в качестве экологически безопасного альтернативного топлива". Перша партія екологічно чистих автомобілів - 30 рефрижераторів на шасі ЗІЛ-5301 "Бичок"- проходять експлуатаційні випробування в АТП Москви. Підготовлено три модифікації двигунів цих автомобілів: перша - використовує ДМЕ як добавку до дизельного палива; друга - двопаливна: основне паливо ДМЕ, дублююче - дизельне; третя - двигун працює тільки на ДМЕ.
Переобладнання звичайних дизелів для роботи на ДМЕ полягає в модернізації тільки паливоподавальної апаратури, спрямованої на збільшення об'ємного подання палива та ущільнення лінії низького тиску для пристосування її до роботи на підвищеному (1-2 МПа) тиску, а також наявності додаткових балонів низького тиску, які використовують для роботи зі зрідженим (скрапленим) газом. Для подолання однакової відcтані місткість балонів із ДМЕ має бути в 1,7 раза більша, ніж місткість баків із дизельним паливом.
У першій модифікації двигунів частка ДМЕ має становити 10-40% для різних моделей дизелів і різних режимів роботи. Результати випробування комбінованої системи, яка передбачає подавання в паливний насос високого тиску (ПНВТ) суміші 70% дизельного палива і 30% ДМЕ, свідчать, що при цьому поліпшується перебіг робочих процесів (розпилення, випаровування, самозаймання, згоряння), що дає змогу знизити викиди шкідливих речовин у відпрацьованих газах порівняно з дизельним паливом.
Друга модифікація двигунів - двопаливна. Основним паливом є ДМЕ, для якого здійснюють оптимізацію конструкції паливної системи (розміри плунжера ПНВТ, діаметр отворів у форсунок) і регулювань (положення рейки ПНВТ, кут подавання палива тощо). Дизельне паливо виконує функції дублюючого. На ньому двигун працює під час зупинки, а також - якщо немає ДМЕ.
До системи живлення ДМЕ (рис. 1) входять: балон із паливопідкачувальним електронасосом і допоміжним обладнанням, що містить заправний блок із вентильним (вентильними) пристроєм (пристроями); покажчик рівня; механізм автоматичного наповнення балона до 80% його місткості; запобіжний (пожежний) клапан; робочий, зворотний і швидкісний клапани; система вентиляції. До цього слід додати заправний пристрій із вбудованим клапаном; магістральний запірний клапан; трубопроводи й гнучкі рукави; підкачувальні насоси середнього тиску; ПНВТ; паливні форсунки.
Із балона ДМЕ під тиском насиченої пари надходить на вхід паливопідкачувального насоса з електроприводом. Манометр, установлений перед ПНВТ, контролює тиск рідкого ДМЕ, який має бути вищим за тиск насиченої пари на величину, що залежить не тільки від подавання палива в циліндри, а й від витрати палива, що перекачується через порожнини низького тиску ПНВТ (витрата регулюється перепускним клапаном). Частина палива, надходячи трубопроводами до форсунок, упорскується в циліндри двигуна, а інша частина, проходячи через порожнини низького тиску ПНВТ, перепускний і електромагнітний клапани, фільтр, надходить у бак.
Керування системою подавання палива здійснюється внаслідок вмикання - відмикання електромагнітних клапанів і електронасосів. Пуск і переведення двигуна на ДМЕ здійснюють, перемикаючи регулятор виду палива, встановлений у кабіні автомобіля, в положення "ДМЕ", а переведення на дизельне паливо, - перекмикаючи регулятор у положення "ДТ". При цьому автоматично упор рейки ПНВТ переміщується на зменшення подавання палива.
Під час розробки системи живлення, що працює тільки на ДМЕ, враховували цілу низку обставин. По-перше, ДМЕ слід упорскувати в циліндри дизеля в рідкому стані, для чого треба підтримувати в системі надлишковий тиск, що перевищує тиск насиченої пари в самій нагрітій зоні підкапотного простору на величину не менше 0,5 МПа. Коротший і ширший факел призводять до перерозподілу теплових навантажень на деталі циліндропоршневої групи, до перегрівання деталей центральної частини камери згоряння. По-друге, об'ємна величина циклового подавання ДМЕ має бути збільшена не менше ніж в 1,6 раза через меншу теплоту згоряння та густини порівняно з дизельним паливом. Крім того, внаслідок підвищеного стискування ДМЕ, подання його починається пізніше, отже, потрібно регулювати кут випередження впорскування. По-третє, через низьку в'язкість і незадовільні мастильні властивості в паливо слід уводити спеціальні протизадирні присадки. По-четверте, оскільки ДМЕ спричиняє руйнування гумових виробів, треба замінити їх іншими.
Особливістю компонування вантажівок є те, що балон із ДМЕ змонтовано з правого боку несучої рами (рис. 2), а елементи газової апаратури розмістили на моторному щиті й у підкапотному просторі. Балон на 207 л, обладнаний блоком арматури, заправляють виносним заправним пристроєм. У ПНВТ ДМЕ надходить по магістралі, на якій послідовно розміщено: кульовий клапан, паливопідкачувальний насос, датчик тиску, фільтр, контрольна точка заміру тиску й запірний електромагнітний клапан. У системі є трубопроводи зворотного зливання ДМЕ, один із яких з'єднано з ПНВТ, редукційним і електромагнітним клапанами; другий - із форсунками та електромагнітним клапаном. Принцип роботи системи аналогічний розглянутому вище.
Результати випробування цієї модифікації засвідчили, що вміст NОх у відпрацьованих газах знизився втричі-вп'ятеро, СО і СН - наполовину, сажі немає зовсім. Двигун за токсичністю відпрацьованих газів уписується в норми Євро-3, а після доопрацювання - і в норми Євро-4. Система показала себе надійною і доволі простою в обслуговуванні.
У травні 2005 року завершився перший етап експлуатаційних випробувань дослідних серій автомобілів ЗІЛ-5301 на ДМЕ з паливною апаратурою трьох різних модифікацій. Російський уряд створив авторитетну комісію з оцінки технічних характеристик вантажівок, що працюють на ДМЕ. Спеціалісти комісії проаналізували результати випробувань і дали "зелене світло" розвитку даного напряму в столиці, включаючи вдосконалення й створення нових конструкцій вантажних автомобілів, що працюють на ДМЕ. Особливо було відзначено вдалу конструкцію двопаливної схеми живлення двигунів для роботи на ДМЕ, яка в умовах обмеженої мережі заправок ДМЕ полегшує експлуатацію вантажних автомобілів.
Основний результат - ці автомобілі прижилися в автогосподарствах. Водії, які працювали на ДМЕ-машинах, оцінивши їхні переваги, на дизельне паливо переходити вже не хочуть, бо, крім екологічних переваг, поліпшуються динамічні властивості автомобіля. Двигун на ДМЕ добре запускається взимку за температури мінус 25...30°С. Достатній і запас ходу: на ДМЕ автомобіль проходить на одній заправці 600 кілометрів.
У 2006 році почали адаптувати до роботи на ДМЕ двигуни автомобілів КамАЗ. Зберігши із ЗІЛ-5301 однакову принципову двопаливну схему живлення, додали два послідовно з'єднані балони для ДМЕ об'ємом до 380 л, поставили потужніші модернізовані ПНВТ. Так, щоб усунути заклинювання плунжерних пар ПНВТ через гірші мастильні властивості ДМЕ, підібрали комплект цих деталей з меншою гідравлічною щільністю. Для відведення ДМЕ, який просочується з надплунжерної порожнини в картер насоса, на бічній поверхні плунжерів зробили кільцеву канавку, з'єднану з додатково просвердленим каналом у втулці плунжера. Щоб підвищити об'ємне подавання ДМЕ, збільшили хід рейки паливного насоса в робочому діапазоні. Зменшили до 12 МПа, проти 18, тиск початку впорскування ДМЕ форсунками, вдвічі зменшили величину розвантажувального об'єму нагнітальних клапанів у ПНВТ. Як наслідок, потужність двигуна КамАЗ-740.30.260 становить 240 к. с., повна маса авторефрижератора - близько 24 т, запас ходу - 600 кілометрів.
Серйозні роботи з використання ДМЕ ведуть і в Японії під егідою AIST (Національний інститут розвитку промисловості, науки і технології). Принципова схема системи подання ДМЕ в ПНВТ нагадує розробки російських учених. Концепція японської розробки передбачає розв'язання кількох завдань:

  • забезпечення теплотворної здатності й тривалості впорскування ДМЕ, аналогічних показникам за використання дизельного палива;
  • досягнення номінальної потужності під час роботи на ДМЕ, рівної потужності дизельного двигуна на всіх режимах його роботи.

Випробування вантажного автомобіля Forward FRR35J4S компанії Isuzu - повною масою 8 т, обладнаного рядним шестициліндровим 180-сильним дизелем 6HL1 робочим об'ємом 7,2 л - проводили на автомагістралях у центральній частині Японії. Рівень токсичних речовин і шуму менший за передбачувані чинними екологічними нормами в країні. Пробіг без дозаправлення сягає 500 км, а робота ПНВТ не мала нарікань. Отже, розробники вважають, що автомобіль, обладнаний системою живлення з ДМЕ, зуміє зайняти свою нішу на транспортному ринку країни.
Звичайно, Україна - не Японія, а Москва - не Київ. Але зростання чисельності автомобільного парку в Києві (у викидах усіх забруднюючих речовин в атмосферу всіма технологічними джерелами частка автотранспорту становить у середньому 43%) зумовлює актуалізацію проблеми забрудення атмосфери міста, а не тільки району Московської площі. Як свідчить досвід інших країн, вирішити цю проблему за один-два роки не вдається, тож уже сьогодні потрібно працювати в цьому напрямі.

А. Окоча,
доцент НУБіП України

Advertisement

Інтерв'ю
AgroGeneration є одним із провідних агрохолдингів України не лише за обсягами виробничих площ, а й за операційною ефективністю. Головний напрямок діяльності компанії – виробництво зернових та олійних
Николай Орлов
До кінця 2016 року парламент повинен прийняти Закон про обіг земель сільськогосподарського призначення. Цей закон має відкрити ринок землі в Україні. 

1
0