Комплект оборудования,
обеспечивающий работу на ДМЭ
и дизельном топливе

Диметиловый эфир (Часть 3)
Надежды конструкторов, водителей и экологов

Природный газ в качестве топлива для транспортного двигателя (без использования нейтрализатора) имеет преимущества лишь по сравнению с бензином, поэтому в программах конвертирования двигателей и перехода на газовое топливо нужно предусмотреть применение трехступенчатых каталитических нейтрализаторов, например, фирмы J. Matthey со степенью очистки газов: от NO_x – 35...80%, от СО – 85...95%, от СН – 50...80%. Только в этом случае уровень вредных выбросов приближается к достигнутому при работе на диметиловом эфире (ДМЭ) без дополнительной очистки отработавших газов. Снижения содержания СО и СН, зарегистрированного в опытах с ДМЭ на малых нагрузках, можно добиться, оптимизировав топливоподачу и воздухоснабжение.

Выяснено, что применение каталитического нейтрализатора при работе двигателя на диметилэфире приведет практически к полному устранению токсичных веществ. При выполнении первых мероприятий по совершенствованию рабочего процесса на режимах малых нагрузок, где наблюдается повышенный уровень выбросов СО и СН, к проверке была подготовлена опытная конструкция выпускной системы двигателя, перепускающая часть отработавших газов мимо турбокомпрессора. Кроме того, проводилось совершенствование топливной системы грузового автомобиля. Исследования показали, что наиболее трудно решаемая экологическая задача значительно снизить выбросы окислов азота и дымность при переводе дизеля на работу на ДМЭ полностью решаема. Специалисты московского НИИ двигателей (ФГУП НИИД) считают, что новых жестких норм содержания вредных веществ в отработавших газах (ULEV, Euro 3) невозможно достичь без применения ДМЭ.

Положительные результаты испытаний опытного образца ЗИЛ-5301 с двигателем, работающим на диметилэфире, дали основания для постройки еще десяти машин такого типа, оснащенных 136-сильными дизелями ММЗ Д-245.9 и рефрижераторными кузовами-фургонами.

Основным топливом является ДМЭ, для которого производится оптимизация конструкции элементов (размеры плунжера топливного насоса высокого давления – ТНВД, диаметр отверстий форсунок и проч.) и регулировок (положение упора рейки ТНВД, давление затяжки пружины форсунки, угол начала подачи топлива в цилиндр и др.). В качестве дублирующего топлива используется дизельное, на нем двигатель работает кратковременно при останове, а также длительно при необходимости (например, при временном отсутствии ДМЭ). Работоспособность и эксплуатационные характеристики двигателя при использовании двух видов топлива с разной плотностью обеспечиваются перестановкой упора рейки ТНВД (двухпозиционный упор). Смазывающая способность ДМЭ повышена за счет применения специальной присадки, например, Lubrizol (539А или другой марки) в количестве 50...100 ррm.

В комплект топливной аппаратуры входят топливный насос высокого давления с двухпозиционным упором рейки и плунжерными парами с дренажными канавками, форсунки, опытные распылители, подкачивающий насос с электроприводом, фильтр тонкой очистки топлива, электромагнитные клапаны, газобаллонное оборудование НПФ «САГА». Особенностью созданной инженерами института системы, предназначенной для монтажа на грузовики, является модульность ее конструкции. Большинство компонентов, в том числе 207-литровый бак с диметилэфиром и заправочным устройством, а также устройством для ввода присадки Lubrizol, установлено на пространственной раме, которая легко монтируется позади кабины грузовика в специально отведенном для этой цели закрытом отсеке. Простота обслуживания достигается тем, что отсек оборудован дверцами, которые открывают доступ к баллону для его заправки и обеспечивают возможность регулировки исполнительных приборов, установленных на отдельном, удобно расположенном монтажном щите. Речь идет о подкачивающих насосах, электромагнитных клапанах и блоке управления подачей топлива, который позволяет также выполнять контроль и диагностику системы. Бак с дизельным топливом, размещенный на раме автомобиля, с остальными элементами связан трубопроводами.

Управление системой подачи топлива осуществляется посредством включения-выключения электромагнитных клапанов и электронасосов. Пуск и перевод двигателя на ДМЭ производят, переключая регулятор вида топлива, установленный в кабине автомобиля, в положение «ДМЭ», а перевод двигателя на солярку – переключая регулятор в положение «ДТ», при этом автоматически упор рейки ТНВД сдвигается в сторону уменьшения подачи.

Во время стоянки или движения грузовика после переключения на диметилэфир автоматически отключается система питания дизтопливом, и в работу вступает клапанная аппаратура и насос подачи ДМЭ к ТНВД дизеля. Важно отметить: чтобы поддерживать в системе избыточное давление, превышающее давление насыщенных паров в зоне подкапотного пространства на определенную величину, а также избежать образования паровых пробок в нагнетательных топливопроводах, топливный насос с подачей не менее 150 л/ мин повышает давление диметилэфира, находящегося в баке, с 2...5 кгс/см² (в зависимости от окружающей температуры) до 15 кгс/ см² перед подачей его в ТНВД. При переводе дизеля на солярку, чтобы остатки ДМЭ, находящиеся в системе, поступали с помощью сливного трубопровода в «свой» баллон и не попали в бак с дизельным топливом, в течение приблизительно 40 с выполняют прокачку магистралей. После этого автомобиль начинает уверенно работать на солярке. Заслуживает внимания практически полное отсутствие электроники. Со всеми функциями отлично справляется блок управления, состоящий из электрических реле (времени, силовых и т. п.).

Поскольку диметилэфир является химически агрессивной жидкостью, пришлось подумать и над тем, как измерять его уровень в баллоне, ведь стандартный поплавковый датчик попросту растворится в ДМЭ. Для этого воспользовались специально разработанным ультразвуковым устройством с микропроцессором, поместив его в нижней части баллона. Должное внимание уделили установке стойких к воздействию агрессивной среды резиновых уплотнений. В помощь водителю в кабине установили небольшое табло с двумя лампами. Когда горит зеленая лампа, это означает, что в баллоне достаточное для продолжения поездки количество диметилэфира, а если светится красная – уровень ДМЭ недопустимо низкий. Во время заправки электромагнитный клапан этого устройства автоматически перекрывает подачу диметилэфира, когда его уровень достигает 80% объема баллона. Меры пожарной безопасности при этом те же, что на автомобилях, оборудованных газовой системой питания.

Начавшиеся в 2004 г. эксплуатационные испытания в транспортной компании «Мосавтохолод» партии ЗИЛ-5301, переоборудованной в НИИДе, доказали жизнеспособность созданной конструкции. По словам одного из ее разработчиков С.В. Рыбинского, содержание NO_x в выхлопе снизилось в 3...5 раз, СО и СН – наполовину, сажа отсутствует совсем, уменьшился внешний шум. Двигатель по токсичности отработавших газов вписывается в нормы Euro 3. Система показала себя надежной и достаточно простой в обслуживании. Ее дальнейшее совершенствование позволит перейти к выполнению более строгого экологического стандарта Euro 4. Наряду с этим высокая испаряемость ДМЭ позволяет уверенно запускать дизель Д-245 при температуре до – 24 °С без применения предпускового подогревателя.

Возможность работы двухтопливной системы как на солярке, так и на ДМЭ в условиях практически отсутствующей сети заправок диметилэфиром облегчает эксплуатацию грузовых автомобилей. Сравнение экономических показателей свидетельствует о более высокой эффективности работы автомобиля на ДМЭ, примерно на 10...18% по сравнению с использованием дизельного топлива. Исследования динамических показателей грузовика (разгон с места до скорости 60 и 90 км/ч) свидетельствуют о более высокой приемистости при работе на ДМЭ. К сказанному можно добавить, что оригинальные технические решения, реализованные в описанном устройстве, защищены несколькими российскими патентами, а сама установка заинтересовала специалистов из Японии.

По заданию Правительства Москвы свою версию авторефрижератора на базе ЗИЛ-5301 с использованием в качестве топлива диметилэфира разработали ученые МГТУ им. Н.Э. Баумана. Из авторского коллектива можно отметить Л.В. Грехова, А.А. Жердева, Д.Н. Калинина. В реализуемом проекте конструкторы исходили из того, что значительное различие в свойствах ДМЭ и дизельного топлива вызывает ряд специфических проблем. Например, с учетом более низкой плотности и теплотворной способности для сохранения мощности дизеля необходима в 1,7...1,9 раза большая объемная цикловая подача.

При проектировании ТНВД приходится учитывать, что в силу значительно большей сжимаемости диметилэфира необходимо увеличивать запас по объемной производительности на номинальном режиме в 2,4...2,7 раза. Топливоподача и рабочий процесс дизеля при переходе с дизтоплива на ДМЭ значительно изменяются. В результате повышенной сжимаемости диметилэфира подача начинается позднее. При питании дизеля ДМЭ ухудшается наполнение плунжерной полости, в результате чего возрастает нестабильность подачи. Диметиловый эфир по причине малой вязкости создает проблемы не только запуска дизеля, утечек и долговечности прецизионных пар, но и подкачки топлива в линии низкого давления. Более короткий и широкий факел приводит к перераспределению тепловых нагрузок на детали цилиндропоршневой группы, перегреву деталей центральной части камеры сгорания и др. Кроме того, необходимо учитывать значительную зависимость свойств ДМЭ от температуры, что вызывает необходимость применить в системе топливоподачи терморегулятор.

На основании опыта специалисты МГТУ предложили внедрение экологически более чистого ДМЭ в смеси с традиционным дизельным топливом. Его доля должна составлять для разных моделей дизелей и режимов работы от 10 до 40%. При этом сглаживаются или полностью отсутствуют многие специфические проблемы питания дизеля чистым ДМЭ. Протекание рабочих процессов улучшается (распыливание, испарение, воспламенение, сгорание). Снижение выбросов вредных веществ позволит доступными техническими средствами обеспечить законодательные нормы ближайшей перспективы даже на относительно старых моделях дизельных автомобилей.

Для конвертирования дизеля ММЗ Д-245 упор сделали на комбинированную систему, предусматривающую подачу в ТНВД смеси из 70% солярки и 30% диметилэфира. Для получения указанного состава предложена и спроектирована система безнасосной подпитки линии высокого давления, которая позволяет снять значительную часть изложенных выше проблем. Чтобы добиться нужного соотношения того и другого компонента, используется эффект волновых явлений, происходящих в трубах высокого давления. Специальная аппаратура инициирует происходящий процесс и контролирует его параметры.

В отличие от коллег из других российских организаций, участвующих в рассматриваемом экологическом проекте, разработчики из МГТУ им. Н.Э. Баумана создали установку, в которой диметилэфир выполняет не только функции моторного топлива, но и используется в качестве хладагента в холодильной установке, поддерживающей заданную отрицательную температуру в термофургоне. Другим потребителем энергии в случае необходимости может являться система кондиционирования, что заметно расширяет перечень транспортных средств, где данное техническое решение найдет применение. Для данной системы использован единый заправочный узел для ДМЭ и дизельного топлива. Практика показывает, что перевод холодильной машины на ДМЭ будет не дороже, чем стоит традиционная, работающая на хладоне R134а. Учитывая, что компрессор, привод которого осуществляется от двигателя, снабжен сальником и в процессе эксплуатации происходит утечка хладагента, необходима периодическая дозаправка. В случае когда хладагентом является диметилэфир, дозаправка производится с помощью соответствующего клапана (вручную или автоматически), давление в баке поддерживается несколько выше давления в холодильной установке.