Исследователи из Университета штата Колорадо в Форт-Коллинсе показали, что диметиловый эфир (ДМЭ) может стать полноценной альтернативой дизельному топливу для двигателей с воспламенением от сжатия. Для этого они переоборудовали исследовательский двигатель John Deere под работу на ДМЭ и в серии экспериментов выяснили: это топливо позволяет одновременно резко сократить выбросы оксидов азота (NOₓ) и практически избавиться от сажи – двух основных проблем современных дизелей.
Главная сложность классического дизельного двигателя заключается в том, что выбросы NOₓ и сажи тесно связаны между собой. Когда инженеры пытаются снизить количество оксидов азота, например, за счет рециркуляции части выхлопных газов обратно в цилиндры, двигатель обычно начинает сильнее дымить и выбрасывать больше твердых частиц. ДМЭ 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. В результате при сгорании образуется крайне мало твердых частиц.
Это подтвердили и прямые измерения состава выхлопа. Более 95% массы частиц в выхлопных газах двигателя на ДМЭ приходилось на органические остатки – следы масла и несгоревшего топлива, тогда как доля элементарного углерода, то есть собственно сажи, не превышала 5%. Для обычного дизеля ситуация противоположная: значительную часть твердых выбросов составляет именно сажа.
Чтобы понять, как ДМЭ ведет себя в реальных условиях, ученые провели серию испытаний на режиме 1600 оборотов в минуту при 50-процентной нагрузке. Сначала они изменяли момент впрыска топлива, а затем – уровень рециркуляции выхлопных газов, которая снижает температуру в цилиндре и тем самым подавляет образование NOₓ. Выяснилось, что ДМЭ 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 быстрее – примерно на 4-5 ° угла поворота коленчатого вала раньше, чем у дизеля, а максимальное давление в цилиндре в большинстве режимов оказывается ниже.
При этом тепловой КПД двигателя практически не изменился и остался на уровне около 33% на средних режимах работы. Однако расход топлива по массе оказался выше примерно на 40-50%, поскольку ДМЭ содержит меньше энергии, чем дизель.
Наиболее интересные результаты ученые получили при увеличении доли рециркуляции выхлопных газов. ДМЭ 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 NOₓ при этом снижались почти до нуля, а количество твердых частиц оставалось минимальным.
Проблемы начинались лишь тогда, когда выбросы NOₓ опускались ниже примерно 0,1 грамма на киловатт-час. В этом случае росли выбросы угарного газа (CO), несгоревших углеводородов и увеличивался расход топлива – двигатель начинал хуже дожигать смесь. Тем не менее исследователи нашли режим, который оказался наиболее сбалансированным: при рециркуляции выхлопных газов на уровне около 30-40% и определенном моменте впрыска двигатель одновременно обеспечивал низкие выбросы NOₓ, практически полное отсутствие сажи, стабильную работу и приемлемую эффективность.
Практическое значение работы связано с ужесточением экологических требований к тяжелой технике. Современные стандарты вроде американского Tier 4 Final или европейского Stage V требуют почти полного удаления сажи и значительного сокращения выбросов NOₓ. Из-за этого производителям приходится оснащать дизельные двигатели сложными и дорогими системами очистки выхлопа – сажевыми фильтрами и установками селективного каталитического восстановления. ДМЭ потенциально позволяет заметно упростить эту задачу.
Впрочем, у технологии есть и ограничения. При комнатной температуре ДМЭ представляет собой газ, поэтому хранить его необходимо под давлением около 5-6 атмосфер – примерно 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, потребуется либо больший топливный бак, либо более частая заправка. Тем не менее, учитывая возможность производства ДМЭ из природного газа, биомассы и даже угля, исследователи считают его одним из наиболее реалистичных кандидатов на роль относительно «чистого» топлива для грузовиков, тракторов и другой тяжелой техники.
