УДК 621.436
К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НА ТРАНСПОРТЕ
Фомин В.М., Бекенов Т.Н., Абу-Ниджим Р.Х., Атраш Р. Ю.
Российский университет дружбы народов, г. Москва
Евразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева, г. Астана www.enu.kz
Обсуждается состояние проблем и перспективы развития энергообеспечения и экологической безопасности на транспорте.
Проблема энергообеспечения при возрастающем энергопотреблении становится главнейшей задачей для транспортного комплекса. В полной мере это относится и к транспортным установкам с дизелями. Энергообеспечение в настоящее время на 88%
осуществляется на основе ископаемого углеводородного сырья. Однако, доказанная ограниченность запасов ископаемого сырья, прежде всего нефти, как источника получения жидких моторных топлив, накладывает определенные ограничения на перспективное развитие транспортных энергоустановок.
Другая важнейшая проблема транспорта - экологическая безопасность. Исторически сложилось, что транспортная энергетика, использующая ископаемое сырье, все время работает как фактор, забирающий из окружающей среды кислород воздуха и минеральное сырье, и выбрасывающий соответствующие по массе газообразные продукты, в т.ч. и токсичные продукты сгорания. Введение в России европейского стандарта – Правил ЕЭК ООН №96 в качестве ГОСТ Р41.96-2005 – предъявило повышенные требования к экологическому уровню транспортных средств категории «Т» в связи с установлением более жестких норм на выброс газообразных вредных веществ (ВВ) и дисперсных частиц (ДЧ) [1].
Повсеместно считается, что складывающийся дефицит моторных топлив и проблема экологической безопасности могут быть преодолены за счѐт ускоренного развития биоэнергетики на основе возобновляемых источников энергии, в частности, за счет использования растительных масел. Аккумулирующая солнечную энергию биомасса является практически неограниченной сырьевой базой для получения моторного топлива.
Основной причиной, сдерживающей широкое применение биотоплив в дизелях, являются несоответствие их физических (по показателям плотности, поверхностного натяжения и вязкости) и химических (по кинетическим показателям сгорания) свойств требованиям эффективной организации рабочего процесса. В этих условиях становится очевидной необходимость в принятии специальных мер, которые позволили бы в наибольшей степени приблизить моторные свойства биологических топлив к стандартным свойствам дизельного топлива.
В качестве одной из таких мер является использования двухкомпонентных биодизельных топлив. При варьировании составом такого топлива возможно достижение наиболее приемлемых его физико-химических свойств. При этом, учитывая сложный характер влияния доли биологического компонента в составе смесевом топливе на такие показатели дизеля как расход топлива, эмиссия вредных веществ (ВВ), задача выбора состава смесевого топлива для конкретного двигателя должна ставиться как оптимизационная.
Другой эффективной мерой, улучшающей кинетические и экологические качества процесса сгорания биотоплив, может оказаться применение средств химической активации [2]. Особое место среди этих средств занимает водород. Высокая эффективность водорода как химического активатора (реагента) подтверждена данными многочисленных экспериментов. Массовое использование водорода в тракторных дизелях в качестве химического активатора сдерживается отсутствием инфраструктуры его
производства и распределения, высокая стоимость, низкий уровень эксплуатационной безопасности. Выход из подобной ситуации может быть найден, если аккумулирование (хранение) водорода на борту мобильного средства осуществлять в химически связанном состоянии в виде жидкого соединения [2]. Данный способ наиболее экономически оправдан и безопасен по сравнению с любым известным способом бортового хранения водорода.
Априори, можно предположить, что удачно скоординированное воздействие на процессы рабочего цикла двигателя одновременно двух физико-химических факторов, один из которых привнесен оптимизацией компонентного состава смесевого топлива, а другой – применением химического реагента, предопределяет возможность совокупного (комплексного) подхода к решению проблемы эффективного использования биотоплив в тракторных дизелях.
С целью обоснования практической целесообразности подобного подхода проведено предварительное математическое изучение (с использованием программного комплекса MathCAD) влияния физических свойств биологического топлива на характеристики смесеобразования. При этом в качестве базовых были использованы показатели физических свойств метилового эфира рапсового масла (МЭРМ) (табл.1).
Предпочтительность выбора МЭРМ в качестве биологической составляющей смесевого топлива была обусловлена следующими соображениями. Результатами предварительного анализа мирового опыта применения биотоплив установлено, что наибольший практический интерес в сфере эксплуатации дизельной техники пред- ставляют смеси дизельного топлива и биологического продукта – метилового эфира, вырабатываемого из рапса, тем более, что технология выращивания которого наиболее адаптирована к почвенно-климатическим условиям России. Данный биологический компонент хорошо смешивается с дизельным топливом, образуя стабильные смеси.
Причем, при варьировании составом такого смесевого топлива возможно достижение его приемлемых эксплуатационных свойств - коксуемости, температуры замерзания и др.
По результатам моделирования установлено, что вследствие повышенных показателей плотности, поверхностного натяжения и вязкости для МЭРМ средний диаметр капель увеличивается (по сравнению с дизельным топливом), что должно отразиться на возрастании не только периода задержки воспламенения, но и его температурной чувствительности к процессу воспламенения. При этом угол рассеивания (раскрытия) топливной струи и ее боковая поверхность уменьшаются, что приведет к снижению количества испарившегося топлива за период задержки воспламенения.
Таблица 1.
Сравнение основных физических свойств дизельного топлива и МЭРМ:
Показатели Дизельное
топливо МЭРМ
Плотность при 150С, кг/м3 847 856
Поверхностное натяжение при Т = 323К, Н/м 25,3 ·10-3 29,2 ·10-3 Кинематическая вязкость при Т = 323К, мм2/с 2,11 4,25
Низшая теплота сгорания, МДж/кг 42,5 37,7
Цетановое число 45 48
Содержание серы, % масс. 0,250 0,005
Повышенные показатели плотности и динамической вязкости биотоплива способствуют возрастанию дальнобойности топливной струи, увеличению доли менее активного пленочного смесеобразования и более медленному изменению давления в цилиндре двигателя в фазе диффузионного сгорания, что сказывается на увеличении длительности процесса сгорания в цикле и соответствующем снижении его эффективности.
Из полученных результатов становится очевидным, что для сохранения эффективности рабочего цикла дизеля при переводе его на питание биологическим топливом на уровне исходного варианта (работа на дизельном топливе) необходимо предусмотреть ряд радикальных мер по внесению изменений в его конструкцию и систему топливоподачи. Все эти меры, очевидно, сопряженные с большими финансовыми и техническими затратами. В качестве альтернативного варианта решения ряда отмеченных выше проблемных вопросов для биодизеля могут оказаться меры, предусматривающие повышение реакционной способности горючей смеси на основе использования водородного химического реагента.
Детальный механизм воздействия подобного реагента на процессы окисления (сгорания) бинарных биоуглеводородных топлив до настоящего времени остается еще малоисследованным. Поэтому, опираясь на известные положения теории химической кинетики и катализа, проведен предварительный анализ характерных свойств химического реагента, влияющих на протекание процессов горения углеводородных и биологических компонентов бинарного топлива. По результатам анализа установлено:
- реакционная активность водородного реагента способствует уменьшению (примерно в 3,5 раза по сравнению с дизельным топливом) толщины зоны гашения (пристеночный слой, в котором не идут окислительные процессы), как следствие, эмиссия несгоревших продуктов смесевого топлива и частиц снижается;
- по этой же причине горение в присутствие водородного реагента происходит не только в непосредственной близости стенок камеры сгорания, но и в вытеснителях и в зазоре между цилиндром и поршнем, что также снижает эмиссию несгоревших компонентов топлива;
- водородный реагент обладает способность инициировать окислительные процессы в горючей смеси благодаря тому, что энергия, необходимая для начала реакции окисления водорода, примерно в 10 раз ниже той, которая необходима для компонентов используемого топлива;
- по этой же причине эффективность использования химической энергии смесевого топлива в завершающей фазе сгорания повышается вследствие активации реагентом процесса догорания продуктов неполного сгорания.
Проведенный анализ возможных эффектов воздействия водородного реагента на процессы термохимического преобразования смесевого топлива в дизеле, безусловно, не является исчерпывающим и не исключает другие виды воздействия реагента на сложный механизм этого преобразования. Тем не менее, он позволяет в первом приближении прогнозировать качественные изменения в рассмотренных процессах рабочего цикла биодизеля благодаря реакционному влиянию химического реагента.
В целом, результаты анализа и известные данные других исследований дают основание предположить, что водородный реагент является на сегодняшний день единственным и наиболее эффективным «реакционно-химическим инструментом», способным активно воздействовать на процессы образования токсичных веществ и догорания продуктов неполного сгорания углеводородных и биологических компонентов топлива, повышая эффективность использования его химической энергии. Подобные уникальные свойства водорода обусловлены его способностью генерировать активные частицы, являющиеся центрами зарождения цепных реакций в процессах окисления (горения) топлива.
Литература
1. ГОСТ Р 41.96 – 2005 (Правила ЕЭК ООН №96) Единообразные предписания касающиеся двигателей с воспламенением от сжатия, предназначенных для установки на сельскохозяйственных и лесных тракторах и внедорожной техники, в отношении выброса
вредных веществ этими двигателями. – Введ. 2008.01.01. – Издание офиц. М.: Стандарт информ,- 2005. –108 с.
2. Фомин В.М. Системы химического воздействия на параметры рабочего цикла дизеля // Тракторы и сельскохозяйственные машины.-2004, №6. -С.34-38.
