Соперник солярки
Диметиловый эфир (ДМЭ)

Тревоги и заботы экологов

Основной причиной ухудшающейся с каждым годом экологической ситуации в нашей стране, особенно в городах, – непрерывный рост численности автомобильного парка. В России насчитывается свыше 30 млн. автомобилей, из которых на долю грузовиков и автобусов приходится около 5,5…6 млн. единиц. Их функционирование вызывает загрязнение воздуха до 95%, почти половину издаваемого шума и вредное воздействие на климат – около 70%. Ежегодно на россиян обрушивается свыше 12,5 млн. т токсичных веществ, изрыгаемых выхлопными трубами автомобилей. Экологи не зря бьют тревогу. В выбросах загрязняющих веществ в атмосферу всеми техногенными источниками доля автотранспорта достигает в среднем 43%, парниковых газов – порядка 10%, в массе промышленных отходов – 2%, в сбросах вредных веществ со сточными водами – около 3%, в потреблении озоноразрушающих веществ – около 5%. Наконец, доля автотранспорта в шумовом воздействии на население городов составляет 85…95%. В некоторых российских мегаполисах загрязнение воздушного бассейна достигло критического уровня и является основной причиной высокой заболеваемости, низкой продолжительности жизни и деградации окружающей природы. Не случайно проблема загрязнения атмосферы приобрела серьезную социальную и политическую окраску. Прямой ежегодный ущерб от работы автотранспортного комплекса России составляет свыше $4 млрд. или около 2% валового национального продукта государства. Факты неутешительные.

Игра стоит свеч

Сложившаяся ситуация диктует принять адекватные меры. Одной из наиболее действенных является использование альтернативных экологически более чистых видов моторного топлива. Они рассматриваются как один из основных путей снижения негативного влияния автомобиля на окружающую среду. Из перспективных альтернативных топлив для двигателей внутреннего сгорания заслуживает внимания диметиловый эфир. В настоящее время это единственное синтетическое топливо, обеспечивающее полную замену традиционному дизельному топливу. Интерес к диметиловому эфиру (ДМЭ) объясняется и тем, что в последние годы отечественной химической промышленностью разработаны новые технологии его получения из метана.

Проведенные исследования доказывают, что применение диметилового эфира в качестве моторного топлива для дизелей является основанием для оптимистичных прогнозов. У ДМЭ есть преимущества перед дизельным и альтернативными топливами. К его достоинствам относятся пониженная склонность к сажеобразованию при горении; практически полное отсутствие дымности отработавших газов; хорошая самовоспламеняемость в дизеле (цетановое число ЦЧ = 55…60 по сравнению с ЦЧ = 45…50 – для дизельного топлива).

Результаты моторных испытаний дизелей, работающих на диметиловом эфире, показали значительное уменьшение уровня вредных выбросов отработавших газов. Так, в 3…4 раза отмечено снижение окислов азота при бездымной работе двигателя на всех режимах. При работе на ДМЭ выявлено сохранение, а на некоторых режимах и улучшение до 5% экономичности дизеля, повышение его эффективного КПД по сравнению с работой на дизельном топливе.

Чтобы адаптировать обычные дизели для работы на диметиловом эфире, необходимо модернизировать существующую топливоподающую аппаратуру, направленную на увеличение объемной подачи топлива; принять меры, исключающие появление газообразной фазы в топливных магистралях и насосах; ввести элементы безопасности, заменить топливные баки на баллоны низкого давления, по конструкции аналогичные баллонам на автомобилях, работающих на сжиженном нефтяном газе.

К недостаткам ДМЭ можно отнести пониженную теплоту сгорания единицы объема топлива и меньшую вязкость по сравнению с дизельным топливом. Последнее обстоятельство требует доводки топливоподающей аппаратуры для обеспечения ее противозадирных качеств и повышения долговечности.

От слов к делу

Чтобы перейти от слов к делу, усилия объединили специалисты АМО ЗИЛ, ФГУП НАМИ и МГТУ им. Н.Э. Баумана. Рамки совместного проекта предусматривали переоборудование малотоннажных грузовиков ЗИЛ-5301 «Бычок» для работы на диметиловом эфире.

Отправной точкой в работе стал выбор принципиальной схемы системы питания 109-сильного дизеля Минского моторного завода Д-245.9C, приспособленного для функционирования на диметиловом эфире. Последний хранится в баллоне, который оснащен наполнительной и контрольно-предохранительной арматурой, по конструкции аналогичной применяемой в автомобильных баллонах для сжиженного нефтяного газа, и погружным электрическим насосом. Из баллона ДМЭ под давлением насыщенных паров в жидкой фазе поступает на вход топливоподкачивающего насоса с электроприводом. По манометру, находящемуся перед топливным насосом высокого давления (ТНВД), контролируется давление жидкого ДМЭ, которое должно быть выше давления насыщенных паров на некоторую величину, зависящую не только от подачи топлива в цилиндры дизеля, но и от расхода топлива, прокачиваемого через полости низкого давления ТНВД. Расход прокачиваемого топлива регулируется перепускным клапаном. Одна часть топлива с помощью топливопровода и форсунки подается в цилиндр дизеля, а другая (прежде чем попасть в баллон) – проходит через полости низкого давления ТНВД, перепускной и электромагнитный клапаны и фильтр.

В систему питания ДМЭ входят газовый баллон со вспомогательным оборудованием, включающим заправочный блок с вентильным (вентильными) устройством (устройствами); указатель уровня; механизм автоматического ограничения наполнения баллона до 80% его емкости; предохранительный (пожарный) клапан; рабочий, обратный и скоростной клапаны; система вентиляции, выполненная в виде газонепроницаемого кожуха. К этому надо прибавить заправочное устройство со встроенным клапаном; магистральный запорный клапан; газопроводы и шланги; подкачивающие насосы среднего давления; топливный насос высокого давления; топливные форсунки.

При разработке системы питания, работающей на диметилэфире, учитывался целый ряд обстоятельств. Во-первых, ДМЭ необходимо впрыскивать в цилиндры дизеля в жидком виде, для чего требуется поддерживать в системе избыточное давление, превышающее давление насыщенных паров в самой нагретой зоне подкапотного пространства на величину не менее 0,5 МПа. Во-вторых, объемная величина цикловой подачи диметилэфира должна быть увеличена не менее чем в 1,6 раза из-за меньших энергосодержания и плотности по сравнению с дизельным топливом. В-третьих, из-за низкой вязкости ДМЭ (0,25 сСт) по сравнению с соляркой (2,5 сСт) и плохих смазочных свойств необходимо введение в топливо специальных противозадирных присадок. В-четвертых, поскольку ДМЭ обладает высокой коррозионной агрессивностью к некоторым материалам и покрытиям, необходимо заменить их другими, более стойкими.

Проверка на дорогах

Для проведения эксплуатационных испытаний был изготовлен десяток «Бычков» с диметилэфирными силовыми установками. Малотоннажникам предстояло сдать экзамен на эксплуатационную надежность элементов и всей системы питания в целом. Специалисты хотели оценить техническое состояние системы питания и двигателей автомобилей, соответствие их отработавших газов современным экологическим показателям, замерить топливную экономичность автомобилей.

Поверки на дорогах предоставили разработчикам богатый исследовательский материал. В ходе испытаний был отмечен ряд дефектов: нестабильная работа двигателя при изменении его температурного режима; нарушение герметичности газовых трубопроводов; заклинивание подкачивающего насоса; жесткий пуск дизеля; его нестабильная работа при резком изменении нагрузки; выход из строя ряда резинотехнических изделий и датчика давления.

Все отказы и дефекты тщательно анализировались, проводились дополнительные испытания и доводочные работы на безмоторных и моторных стендах. По результатам выполненных работ корректировалась конструкторская документация и изготовлялись измененные элементы и детали системы питания.

Серьезная проблема, выявленная в ходе эксплуатационных испытаний, была связана с возникновением так называемых «провалов» в работе двигателя после его прогрева, наиболее часто проявляющихся при повышенных температурах окружающей среды. Специалисты установили, что «провалы» вызваны появлением паровых пробок в нагнетательных топливопроводах между насосом и форсунками, когда остаточное давление в топливопроводе понижается ниже давления насыщенных паров диметилэфира.

Чтобы обеспечить надежную работу топливного насоса высокого давления на диметиловом эфире в его конструкцию пришлось внести некоторые изменения. Для устранения заклинивания плунжерных пар изза ухудшения смазывающих свойств ДМЭ подобрали комплект плунжерных пар с уменьшенной гидроплотностью. Для отвода просачивающегося из надплунжерной полости диметилэфира в картер насоса на боковой поверхности плунжеров выполнили кольцевую канавку, соединенную с дополнительно просверленным каналом во втулке плунжера. Чтобы повысить объемную подачу ДМЭ увеличили ход рейки топливного насоса в рабочем диапазоне нагрузочных режимов. Установленное для этих работ давление начала впрыска, равное 18 МПа, уменьшили до 12 МПа. Помимо этого вдвое снизили величину разгрузочного объема нагнетательных клапанов в ТНВД за счет изменения конструктивных параметров клапана (уменьшена высота разгрузочного пояска).

Эффективность внедренных мероприятий нашла свое подтверждение экспериментально при проведении дорожных испытаний упомянутой партии грузовиков. Достижением проекта стало то обстоятельство, что использование диметилового эфира в качестве моторного топлива позволяет без дорогостоящих электронноуправляемых систем впрыска достаточно легко выполнить требования экологических норм Euro 3. Экономические показатели оказались несколько лучше, чем у грузовиков, оснащенных дизельными двигателями.