Диметиловый эфир (Часть 2)
Надежды конструкторов, водителей и экологов

Преимущества применения диметилэфира (ДМЭ) на автомобильном транспорте в нашей стране раньше всех поняли в Москве, где экологическое положение особенно тревожно. Так, в 1986 г. загрязнение воздушного бассейна города вредными выбросами двигателей внутреннего сгорания (ДВС) составило 870 тыс. т, а в 1995-м – 1,7 млн. т. Отрицательная динамика со временем принимает угрожающие масштабы, поэтому правительство Москвы, чтобы активизировать процесс замещения традиционных видов моторного топлива альтернативными, экологически более чистыми, утвердило в марте 2002 г. городскую целевую Программу использования альтернативных видов моторного топлива на автомобильном транспорте города на 2002–2004 гг.

В ней предусматривалось проведение комплекса научных исследований технологии получения ДМЭ и использования его в дизельных двигателях в качестве моторного топлива. Были достигнуты договоренности с химическим комбинатом «Азот» (Тульская обл.) о создании первого опытного участка по получению ДМЭ из метана. При этом указывалось, что использование ДМЭ возможно не только в качестве топлива, но и в рефрижераторной технике. Программа предусматривала изготовление и проведение испытаний опытных образцов на базе ЗИЛ-5301 «Бычок», в том числе авторефрижератора, использующего ДМЭ и в качестве топлива, и в качестве хладагента. В мае 2004 г. появилось распоряжение столичных властей «Об организации работ по внедрению диметилового эфира на транспорте в качестве экологически безопасного альтернативного топлива».

Для участия в проектах привлекли специалистов АМО ЗИЛ, ФГУП НАМИ, ФГУП НИИД, МГТУ им. Баумана, которые разработали оригинальную топливную аппаратуру и установили ее на «Бычок». Инженеры АМО ЗИЛ подготовили и переоборудовали шасси ЗИЛ-5301 и осуществили его сборку, доработали топливную аппаратуру, включая регулирование топливного насоса высокого давления (ТНВД) для большей цикловой подачи, провели стендовые испытания двигателя, согласовали изменение компоновки автомобиля и применяемости баллонов, которые первоначально предназначались для сжиженного природного газа. Если говорить об остальных участниках, задействованных в проекте, то каждая организация создала собственную систему для работы дизеля на ДМЭ.

Во ФГУП НАМИ данной тематикой занимались В. Лукшо, Г. Корнилов и другие. В 2003 г. они представили первый опытный образец ЗИЛ-5301 со 109-сильным дизелем ММЗ Д-245.12С, оборудованным однотопливной системой питания, т. е. силовая установка могла функционировать только на ДМЭ. Отправной точкой в практическом воплощении технических замыслов стал выбор принципиальной схемы системы питания дизеля Минского моторного завода, переоборудованного для работы на ДМЭ. Согласно выдвинутой концепции диметилэфир хранится в баллоне, оснащенном 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 поступает на вход топливоподкачивающего насоса с электроприводом.

По манометру перед 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 регулируется перепускным клапаном). Часть топлива по топливопроводу и форсункам подается в цилиндр дизеля, а остальная часть, прежде чем попасть в баллон, проходит через полости низкого давления ТНВД, перепускной и электромагнитный клапаны и фильтр.

Система питания ДМЭ представляет собой комплект следующих элементов: газовый баллон со вспомогательным оборудованием – заправочным блоком с вентильным (вентильными) устройством (устройствами); указатель уровня; механизм автоматического ограничения наполнения баллона до 80% его вместимости; предохранительный (пожарный) клапан; рабочий, обратный и скоростной клапаны; система вентиляции, выполненная в виде газонепроницаемого кожуха. Сюда же относятся заправочное устройство со встроенным клапаном, магистральный запорный клапан, газопроводы и шланги, подкачивающие насосы среднего давления, ТНВД, топливные форсунки.

При разработке системы питания на диметилэфире сотрудники НАМИ учитывали 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 не менее чем на 5 кгс/см² (0,5 МПа). Во-вторых, объемная величина цикловой подачи диметилэфира должна быть увеличена не менее чем в 1,6 раза из-за меньших значений энергосодержания и плотности диметилэфира по сравнению с дизельным топливом. В-третьих, из-за низкой вязкости ДМЭ (0,25 сСт) по сравнению с таким же показателем у солярки (2,5 сСт) и плохих смазочных свойств необходимо вводить в ДМЭ специальные противозадирные присадки. В-четвертых, поскольку диметилэфир обладает высокой коррозионной агрессивностью к некоторым материалам и покрытиям, требуется заменить их более коррозионностойкими.

Особенностью компоновки грузовиков с оборудованием, спроектированным в НАМИ, являлось то, что бак с ДМЭ смонтировали с правой стороны несущей рамы, а элементы газовой аппаратуры разместили на моторном щите и в подкапотном пространстве. Топливо в баллон на 207 л, снабженный блоком арматуры, попадает с помощью выносного заправочного устройства. В свою очередь в ТНВД диметилэфир подается по магистрали, на которой последовательно расположены шаровой кран, топливоподающий насос, датчик давления, фильтр и запорный электромагнитный клапан. В системе также есть трубопроводы обратного слива ДМЭ, один из которых соединен с ТНВД, а другой с форсунками, редукционным и электромагнитным клапанами.

Для проведения всесторонних испытаний в НАМИ построили еще десять машин, которые оснастили уже двигателями ММЗ Д-245.9 мощностью 136 л.с. Малотоннажникам, переданным в 2004 г. в ГУП «Мосавтохолод», в режиме повседневной работы предстояло сдать экзамен на эксплуатационную надежность элементов и всей системы питания в целом. Специалисты должны были оценить техническое состояние системы питания и двигателей автомобилей в реальных условиях эксплуатации, соответствие отработавших газов современным экологическим показателям, замерить топливную экономичность автомобилей. Разработчики получили богатый исследовательский материал, были отмечены не только преимущества, но и ряд дефектов, в том числе нестабильная работа двигателя при изменении его температурного режима, нарушение герметичности газовых трубопроводов, заклинивание подкачивающего насоса, жесткий пуск дизеля и его неритмичная 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 изготавливали измененные элементы и детали системы питания. Наиболее серьезная проблема была связана с появлением на ряде рабочих режимов так называемых «провалов» в работе двигателя после прогрева, наиболее часто проявляющихся при повышенных температурах окружающей среды. Специалисты НАМИ установили, что «провалы» вызваны появлением паровых пробок в нагнетательных топливопроводах между насосом и форсунками, когда остаточное давление в топливопроводе становится ниже давления насыщенных паров диметилэфира.

Чтобы обеспечить надежную работу ТНВД на диметиловом эфире, в его конструкцию пришлось внести изменения. Так, чтобы устранить заклинивание плунжерных пар из-за ухудшения смазывающих свойств ДМЭ, подобрали комплект этих деталей с уменьшенной гидроплотностью. Для отвода диметилэфира, просачивающегося из надплунжерной полости в картер насоса, на боковой поверхности плунжеров сделали 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. Первоначально установленное для этих работ начало открытия форсунки, т. е. давление начала впрыска, равное 180 бар, уменьшили до 120 бар. Помимо этого вдвое снизили величину разгрузочного объема нагнетательных клапанов в ТНВД за счет изменения конструктивных параметров клапана (была уменьшена высота разгрузочного пояска). Эффективность этих мер подтверждена экспериментально в ходе дорожных испытаний автомобилей. Было доказано, что применение ДМЭ в качестве моторного топлива при работе по 13-ступенчатому циклу Правил ЕЭК ООН № 49 позволяет без дорогих электронно-управляемых систем впрыска легко выполнить требования норм Euro 3 по оксидам азота. Несколько хуже обстояли дела с выбросами СО и СН: эти показатели не вписывались в данный стандарт, однако при установке окислительного нейтрализатора дизель Д-245.9 устойчиво удовлетворял нормам Euro 3 по всем параметрам.

По мнению Г. Корнилова, ведущего специалиста ФГУП НАМИ, дальнейшая доводка рабочего процесса дизеля, работающего на ДМЭ, и подбор характеристик окислительного нейтрализатора позволяют обеспечить выполнение норм Euro 4 без существенной модернизации двигателя. Сейчас ведется реализация этих мероприятий. Кроме того, в НАМИ реализуется проект по переводу дизеля КамАЗ-740 для работы на ДМЭ. В частности, выполнены испытания одноцилиндрового дизеля КамАЗ (диаметр цилиндра 120, рабочий ход 120 мм), приспособленного для работы на дизельном топливе и ДМЭ.

Отличием созданной в Научно-исследовательском институте двигателей (НИИД) конструкции стало использование двухтопливной системы. Проблемой применения ДМЭ на автотранспорте специалисты НИИД занялись еще в 1996 г. Уже тогда на собственные средства был создан дизель, работающий на ДМЭ, и успешно проведены его стендовые испытания, результаты которых обнадеживали. Именно поэтому столичное правительство воспользовалось услугами НИИД, предложив институту на конкурсной основе наряду с другими стать соисполнителем экологической программы. Разработкой системы с ДМЭ занимались Т. Смирнова, С. Захаров, В. Назаров, С. Рыбинский и другие специалисты.

Внедрение ДМЭ в качестве моторного топлива на городском транспорте представляет собой комплексную задачу, требующую координации деятельности ряда министерств и ведомств, поэтому в Миннауки была представлена программа работ по адаптации двигателей к работе на ДМЭ, разработке технологии и производству диметилэфира, организации необходимой инфраструктуры и проч. На начальной стадии удалось подтвердить полученные за рубежом экологические характеристики двигателя при работе на ДМЭ; провести адаптацию двигателя и определить его параметры при работе на ДМЭ; изготовить макет грузового автомобиля с двигателем, работающим на диметилэфире и дизельном топливе. Для создания экологически чистого автомобиля, как и предполагалось экологической программой, был использован ЗИЛ-5301 с дизелем ММЗ Д-245.12 мощностью 109 л.с. Выбор этого двигателя в качестве базового обусловлен особенностями его конструкции. В частности, он укомплектован ТНВД с двукратным запасом по подаче топлива, что обеспечивает хорошие пусковые качества и устойчивую работу на ДМЭ. Для гибкого использования в условиях московского региона при ограниченной (на первых порах) сети специализированных заправочных станций предусматривалась возможность работы двигателя на двух видах топлива: ДМЭ (в пределах города) и дизельном (за его пределами, при необходимости). Выбор вида топлива осуществлялся путем переключения соответствующих вентилей.

Результаты экспериментов выявили, что рекомендованный в зарубежных работах способ стабилизации топливоподачи путем значительного повышения давления на входе в ТНВД (до 30 кгс/см²) оказывается не столько трудно реализуемым (по соображениям прочности), сколько недостаточно эффективным. Более целесообразно, по оценке специалистов НИИД, рациональное сочетание величины давления на входе в ТНВД (10...15 кгс/см²) с оптимальной степенью рециркуляции отсечного топлива на уровне 6...7-кратной по сравнению с объемной подачей ДМЭ в цилиндры ТНВД. Показатели выбросов при работе по внешней характеристике, мощность и экономичность (в энергетическом эквиваленте) двигателя при питании его ДМЭ и дизельным топливом оказались практически одинаковыми. На всех режимах, включая запуск и холостой ход, двигатель устойчиво работал на ДМЭ при полностью бездымном выхлопе (коэффициент оптической плотности К = 0), тогда как при работе на дизтопливе наблюдался типичный для дизелей уровень дымности, соответствующий К = 17...28%. Уровень абсолютных и удельных вредных выбросов при работе на ДМЭ, оцениваемый по методике Правил № 49-02 ЕЭК ООН, имел следующие особенности.

1. Уровень выбросов окислов азота NOx на всех режимах был существенно меньше, чем на дизтопливе. Особенно значительное снижение, в 2...3 раза, наблюдалось на наиболее нагруженных режимах – от 50 до 100% используемой мощности двигателя.

2. При нагрузке от 50 до 100% мощности на режиме максимального крутящего момента (при частоте вращения коленвала 1600 мин^-1) уровень выбросов несгоревших углеводородов СН снижался на 20...70% по сравнению с дизтопливом, а на режимах малых нагрузок (при использовании мощности двигателя от 10 до 20%) значительно превышал уровень на дизельном топливе.

3. Уровень выбросов окиси углерода СО при работе на ДМЭ на всех режимах превышал соответствующие величины на дизтопливе. По сравнению с природным газом работа двигателя на режимах внешней характеристики на ДМЭ обеспечивала снижение выбросов NO_x в 2,5...3,0 раза, СО – в 5...6 раз, СН – в 3,0...3,5 раза.