.jpg)
Ученые из Университета штата Колорадо в Форт-Коллинсе доказали, что диметиловый эфир может стать полноценной альтернативой дизельному топливу в двигателях с воспламенением от сжатия. Они переоборудовали исследовательский двигатель John Deere для работы на диметиловом эфире и в серии экспериментов выяснили, что это топливо позволяет одновременно резко сократить выбросы оксидов азота и практически избавиться от сажи.
Главная сложность классического дизельного двигателя заключается в том, что выбросы оксидов азота и сажи тесно связаны между собой. Когда инженеры, например, пытаются снизить количество оксидов азота за счет рециркуляции части выхлопных газов обратно в цилиндры, двигатель обычно начинает сильнее дымить и выбрасывать больше твердых частиц. Диметиловый эфир во многом разрушает эту зависимость благодаря своим химическим свойствам. В его молекуле отсутствуют связи углерод-углерод, из которых обычно формируется сажа, а само топливо примерно на 35% состоит из кислорода, что уменьшает образование твердых частиц.
Это подтвердили прямые измерения состава выхлопа. Более 95% массы частиц в выхлопных газах двигателя на диметиловом эфире составляли следы масла и не полностью сгоревшего топлива, тогда как доля элементарного углерода не превышала 5%. Для обычного дизеля ситуация складывается противоположная, значительную часть твердых выбросов составляет именно сажа.
Чтобы понять, как диметиловый эфир ведет себя в реальных условиях, ученые провели серию испытаний на режиме 1600 оборотов в минуту при нагрузке 50%. Сначала они изменяли момент впрыска топлива, а затем уровень рециркуляции выхлопных газов, которая снижает температуру в цилиндре и подавляет образование оксидов азота. Выяснилось, что диметиловый эфир сгорает иначе, чем дизельное топливо. У него отсутствует характерный для дизеля резкий пик тепловыделения в начале сгорания, процесс протекает более плавно и равномерно. Само горение завершается примерно на 4-5 градусов угла поворота коленчатого вала раньше, чем у дизеля, а максимальное давление в цилиндре в большинстве режимов оказывается ниже.
Тепловой КПД двигателя практически не изменился, оставшись на уровне около 33% на средних режимах работы. Однако расход топлива по массе оказался выше примерно на 40-50%, поскольку диметиловый эфир содержит меньше энергии, чем дизель.
Наиболее интересные результаты ученые получили при увеличении доли рециркуляции выхлопных газов. Диметиловый эфир сохранял устойчивое горение даже при 55% рециркуляции выхлопных газов. Это очень высокий показатель, при котором обычный дизельный двигатель уже начинает работать нестабильно и интенсивно дымить. Выбросы оксидов азота при этом снижались почти до нуля, а количество твердых частиц оставалось минимальным.
Проблемы начинались лишь тогда, когда выбросы оксидов азота опускались ниже примерно 0,1 грамма на киловатт-час. В этом случае росли выбросы угарного газа и не полностью сгоревших углеводородов, а также увеличивался расход топлива. Двигатель начинал хуже дожигать смесь. Но ученые нашли режим, который оказался наиболее сбалансированным. При рециркуляции выхлопных газов на уровне около 30-40% и определенном моменте впрыска двигатель одновременно обеспечивал низкие выбросы оксидов азота, практически полное отсутствие сажи, стабильную работу и приемлемую эффективность.
Практическое значение работы связано с ужесточением экологических требований к тяжелой технике. Современные стандарты требуют почти полного удаления сажи и значительного сокращения выбросов оксидов азота. Из-за этого производителям приходится оснащать дизельные двигатели сложными и дорогими системами очистки выхлопа, сажевыми фильтрами и установками селективного каталитического восстановления. Диметиловый эфир может заметно упростить эту задачу.
Впрочем, у технологии есть и ограничения. При комнатной температуре диметиловый эфир представляет собой газ, поэтому хранить его необходимо под давлением около 5-6 атмосфер, как пропан. Кроме того, из-за низкой вязкости и слабых смазывающих свойств для него требуется доработка топливной аппаратуры. Наконец, для обеспечения такого же запаса хода, как у дизельной техники, потребуются либо более частые заправки, либо больший топливный бак. Но, учитывая возможность производства диметилового эфира из природного газа, биомассы и даже угля, ученые считают его одним из наиболее реалистичных кандидатов на роль экологически чистого топлива для грузовиков, тракторов и другой тяжелой техники.
