В.Р. Ведрученко, И.И. Малахов

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВА

ДЛЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Омск 2013

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство морского и речного транспорта

Омский институт водного транспорта (филиал)

федерального бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Новосибирская государственная академия водного транспорта»

Кафедра Специальных технических дисциплин

Ведрученко Виктор Родионович

Малахов Иван Игоревич

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВА

ДЛЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Монография

Омск 2013

УДК 665.75/76(031)

ББК 31.353; 35.514

В 26

Ведрученко, В.Р. Альтернативные виды топлива для судовых дизелей [Текст]: монография / В.Р. Ведрученко, И.И. Малахов. - Омск: Омский институт водного транспорта (филиал) ФБОУ ВПО «НГАВТ», 2013. – 173 с.

ISBN 978-5-8850-361-4

В монографии представлены основные результаты научных исследований по теоретическому обоснованию использования в судовых дизелях топлив нефтяного происхождения. Проанализированы и сопоставлены моторные, эксплуатационные, экологические и энергетические свойства альтернативных видов топлива, принципиально пригодных для судовых дизелей. Сформированы первичные условия и общая методика подбора АВТ для конкретной марки судового дизеля, последующих расчетных исследований рабочего процесса и процесса топливоподачи.

Выполнена попытка оценки экономического ущерба от воздействия вредных выбросов судовых дизелей; предложен метод прогнозирования перспектив топливоиспользования на дизельном флоте.

Рассмотрен индикаторный процесс и индикаторные диаграммы дизелей, полученные численным моделированием на ПЭВМ с использованием программы «Тритон» для нефтяного дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа; оценена эффективность утилизации тепла отработавших газов судовых дизелей, использующих разные по составу топлива, как нефтяные, так и альтернативные виды.

Предложены и обоснованы технические решения, позволяющие использовать различные по свойствам АВТ и смеси в судовых дизелях разных типоразмеров и назначения.

Предназначена для научных и инженерно-технических работников водного транспорта, преподавателей, аспирантов и студентов.

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор С.М. Овчаренко (ОмГУПС);

А.Л. Иванов, канд. техн. наук, доцент

Рекомендовано Советом

Федерального бюджетного образовательного учреждения

Высшего профессионального образования

«Новосибирская государственная академия водного транспорта»

(ОИВТ (филиал) ФБОУ ВПО «НГАВТ»)

ISBN 978-5-8850-361-4 ©Ведрученко В.Р. 2013

©Омский институт водного транспорта (филиал) ФБОУ ВПО «НГАВТ», 2013

Содержание

СОДЕРЖАНИЕ 3

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТОПЛИВАХ 7

1.1 Биодизельное топливо 9

1.2 Диметиловый эфир 11

1.3 Газообразное топливо 15

1.4 Газоконденсатное топливо 21

1.5 Жидкое топливо из углей 23

1.6 Спиртовое топливо для дизелей 25

1.7 Энергетическая классификация топлив для ДВС 28

2. ИНДИКАТОРНАЯ ДИАГРАММА И РАСЧЕТ ДИНАМИЧНОСТИ ЦИКЛА ДИЗЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ НА НЕФТЯНЫХ И АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВИДАХ ТОПЛИВА И ТОПЛИВНЫХ СМЕСЯХ 31

3. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЯХ. ПРОБЛЕМЫ ВЫБОРА И РЕКОМЕНДАЦИИ 41

Обобщение экспериментальных данных 43

Проблемы 49

Рекомендации 49

4. ВЛИЯНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДИЗЕЛЯ НА ПРОЦЕССЫ ТОПЛИВОПОДАЧИ И СГОРАНИЯ ТОПЛИВ С РАЗНЫМИ СВОЙСТВАМИ 51

5. ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ ЖИДКИХ ЛЕГКИХ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ И НЕФТЯНЫХ ТОПЛИВ НА РАБОТУ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДИЗЕЛЕЙ 58

6. ВЫБОР СХЕМ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ СИСТЕМ ТОПЛИВОПОДАЧИ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ И ТЯЖЕЛЫХ ТОПЛИВ В ДИЗЕЛЯХ 68

7. ВРЕДНЫЕ ВЫБРОСЫ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ И ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКООГО УЩЕРБА ОТ ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ 89

8. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВ ТОПЛИВОИСПОЛЬ-ЗОВАНИЯ НА ДИЗЕЛЬНОМ ФЛОТЕ МЕТОДАМИ ЭКСПЕРТНЫХ ОЦЕНОК 103

9. ВЫБОР СОРТА (МАРКИ) АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА И ТОПЛИВНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ СУДОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. 116

9.1. Критерии оценки эффективности применения альтернативных видов топлива в ДВС 116

1.8 Влияние состава топлива на индикаторный процесс и характеристику впрыска дизеля 117

1.9 Применение в судовых дизелях смесей жидких маловязких АВТ со стандартным дизельным топливом 121

1.10 Применение в судовых дизелях смесей утяжеленных АВТ со стандартным дизельным топливом 123

10. ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ ТРАДИЦИОННЫХ И АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТОПЛИВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ 131

11. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ИНДИКАТОРНЫЕ, ЭФФЕКТИВНЫЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ 144

12. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВ ТОПЛИВОИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ДИЗЕЛЬНОМ ФЛОТЕ МЕТОДОМ ЭКСПЕРТНЫХ ОЦЕНОК 151

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 164

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 166

ПРИЛОЖЕНИЯ 171

Введение

В настоящее время в мире ежегодно добывается около 3 млрд. т нефти. При сохранении такого уровня добычи нефти ее запасов может хватить на 50-60 лет. Причем, из-за роста спроса на нефть будет непрерывно нарастать ее дефицит, который к 2025 г. достигнет 16 млн. баррелей в день [40].

Поэтому современная структура топливно-энергетического баланса в значительной степени определяется заметным истощением запасов нефти и продолжающимся повышением мировых цен на нефть, превысивших уровень 50 долларов за баррель (159 л). Мировые ресурсы разведанных месторождений составляют около 150 млрд. т нефти (из них в странах бывшего СССР -примерно 10 млрд. т или около 7% мировых запасов нефти) [40]. Россия добывает около 10% от мирового производства нефти [40]. Но основным поставщиком жидких углеводородов на мировой рынок являются страны Ближнего Востока (Ирак, Саудовская Аравия, Иран), обладающие наибольшими сырьевыми ресурсами [40,50].

Несмотря на то, что в ряде опубликованных прогнозов содержатся явные преувеличения по поводу истощения запасов нефти, очевидным остается факт, что технология добычи будет усложняться. И как следствие этого - неизбежная тенденция к повышению стоимости традиционных нефтяных топлив.

В Российской Федерации ситуация осложняется прогнозируемым падением добычи нефти после 2010 г. К этому времени Россия будет испытывать дефицит нефтепродуктов в размере до 10 млн. т в год [40]. В то же время добыча каменного угля и природного газа в период до 2020 г. будет увеличиваться

Поэтому, с одной стороны, поиск моторных топлив не нефтяного происхождения, которые успешно заменили бы традиционные бензин и дизельное топливо, стал задачей мирового масштаба. Сегодня все технически развитые страны заняты поиском путей, с помощью которых с наименьшими затратами и с максимальным эффектом можно было бы решить проблему обеспечения моторным топливом разных видов транспорта в ближайшем будущем.

В ряде стран на общегосударственном уровне предпринимаются попытки смягчения нефтяного кризиса за счет расширения применения альтернативных видов топлив. Так, Европа готовится к 2020 г. заменять традиционные нефтяные топлива на 23 % альтернативными. По прогнозам 10 % замены придется на природный газ, 8 % – на биогаз и 5 % – на водород [40,25].

С другой стороны, ужесточение требований к уровням выбросов вредных веществ работающими ДВС, привело к введению в Европейском сообществе с 01.10.2008 г. стандарта ЕВРО-5, ограничивающего выбросы дизелей: по NO_х – до 2,00 г/(кВгч); СО – до 1,5 г/(кВтч); С_хН_y – до 0,25 г/(кВт ч); по твердым частицам (ТЧ) – до 0,02 г/(кВтч) по 13-режимному ездовому циклу, согласно правилу ЕСЕ R49. Показатели уровня выбросов вредных веществ (ВВВ) двигателя КАМАЗ-740 превышают нормы стандарта ЕВРО-5 по NO_x – 4,43 раза; по СО – 3,28 раза; по C_xH_y, – 4,95раза; по ТЧ – 15,5 раз.

Ниже в табл. 1 приведены нормы токсичности выхлопов, введенные в странах Евросоюза [40,50].

Таблица 1 – Нормы токсичности выхлопов для развитых европейских стран

Стандарт	Год введения	Содержащие в ОГ, г/км
		NOх	СО	СНх	Тв. частицы
ЕВРО-0	1988	14,4	11.2	2.5	-
ЕВРО-1	1993	8.0	4.5	1.1	0,36
ЕВРО-2	1996	7,0	4.0	1.1	0,15
ЕВРО-3	1999	5,0	2,0	0.6	0,10
ЕВРО-4	2005	3,5	1.5	-	0,02
ЕВРО-5	2008	2,0	1,5	-	0,02

В России введена система стандартов на выброс СО, СН и сумму СН и NO_x (г/км) для ДВС (табл. 2).

Таблица 2 – Нормы ГОСТ Р 41.83-99

Стандарт	Год введения	Тип двигателя	Норма выбросов
			СО, г/км	CH + NOx г/км	Частицы, г/исп	Испарения, г/исп
ЕВРО-2	1996	Бензиновый	2,2	0,5	-	2
		Дизель	1,0	0,7	0,08	-
ЕВРО-3	2000	Бензиновый	2,3	0,2 + 0,15	-	2
		Дизель	0,64	0,56	0,05	-
ЕВРО-4	2005	Бензиновый	1,0	0,1 + 0,08	-	2
		Дизель	0,5	0,3	0,025	-