Development of methods of adaptation of gas-diesel engines of agricultural tractors to operation using LPG

Abstract

BACKGROUND: The methods of ensuring detonation-free combustion of liquefied petroleum gases (propane-butane mixtures) (LPG) in a cylinder of the gas-diesel engine with an ignition dose of no more than 25%, at maximal power modes are covered in this paper. Addition of a part of the exhaust gases and vaporous water to the fuel mixture, when using a nickel-based catalyst in the combustion chamber of the gas-diesel engine, which triggers the conversion reaction of lower alkanes, ensures reliable detonation-free combustion of the fuel charge.

AIM: Conducting the analysis of studies on the oxidative conversion of lower alkanes in the presence of nickel catalysts with the development of technical solutions to eliminate detonation in all operating modes. Conducting the research to improve system reliability, to optimize the supply of diesel and gaseous fuel for fuel efficiency improvement and reduction of harmful emissions from exhaust gases when turning the diesel engine into the gas-diesel engine.

METHODS: A nickel catalyst, which is an oxygen carrier, ensures cyclical reactions near its surface in the combustion chamber of the gas-diesel engine, which are metal oxidation when purging the combustion chamber and conversion of alkanes during the compression and combustion strokes. The problem of catalyst carburization is solved by burning off deposits during combustion of the fuel charge.

RESULTS: The preparation of a fuel steam-gas-air mixture with subsequent combustion in the presence of a catalyst ensures improved environmental, fuel consumption characteristics of the gas-diesel engine over the entire range of operating conditions and increases its reliability without detonation combustion of liquefied petroleum gases.

CONCLUSION: The use of the proposed system in diesel engines used in tractors aimed to agricultural technological operations helps to reduce fuel costs by more than 38%.

Keywords

liquefied petroleum gas / propane-butane mixture / conversion of lower alkanes / gas engine fuel / supply system

References

[1] Ashok B, Ashok SD, Kumar CR. LPG diesel dual fuel engine — A critical review. Alexandria Engineering Journal. 2015;54(2):105–126. doi: 10.1016/j.aej.2015.03.002

[2] Ashok B., Ashok S.D., Kumar C.R. LPG diesel dual fuel engine – A critical review // Alexandria Engineering Journal. 2015. Vol. 54, N 2. P. 105–126. doi: 10.1016/j.aej.2015.03.002

[3] Frolov VN, Garanin IV. Experimental studies of detonation initiation and ra modes-bots of the pulsating detonation engine camera model. Proceedings of MAI. 2010;38. (In Russ). EDN: MQPNWB

[4] Фролов В.Н., Гаранин И.В. Экспериментальные исследования инициирования детонации и режимов работы модели камеры пульсирующего детонационного двигателя // Труды МАИ. 2010. № 38. EDN: MQPNWB

[5] Mamaev A, Kislenko N, Snezhko D. Vehicles powered by liquefied petroleum gas — development prospects. Gas station complex + Alternative fuel. 2003;(4(10)):6–12. (In Russ). EDN: JIYGBX

[6] Мамаев А.В., Кисленко Н.Н., Снежко Д.Н. Автотранспорт на сжиженном углеводородном газе — перспективы развития // АвтоГазоЗаправочный комплекс + Альтернативное топливо. 2003. № 4(10). С. 6–12. EDN: JIYGBX

[7] Uyutov SYu, Gojaev ZA. The use of liquefied petroleum gas as fuel in tractor diesel engines / S. Yu. Uyutov. Tractors and agricultural machinery. 2022;89(6):387–393. (In Russ). doi: 10.17816/0321-4443-123187

[8] Уютов С.Ю., Годжаев З.А. Применение сжиженного углеводородного газа в качестве топлива в тракторных дизельных двигателях // Тракторы и сельхозмашины. 2022. Т. 89, № 6. С. 387–393. EDN: LAJKDN doi: 10.17816/0321-4443-123187

[9] Tretyakova SG, Rastunova IL, Rozenkevich MB. Investigation of the possibility of using the sabatier reaction as a method of flow reversal for isotope exchange in the carbon dioxide-water system. Uspechi in chemistry and chemical technology. 2008;22:70–75. (In Russ). EDN: QZVPOX

[10] Третьякова С.Г., Растунова И.Л., Розенкевич М.Б. Исследование возможности использования реакции Cабатье как способа обращения потоков для изотопного обмена в системе углекислый газ-вода // Успехи в химии и химической технологии. 2008. Т. 22. С. 70–75. EDN: QZVPOX

[11] Dyachenko VG. Teoriya dvigateley vnutrennego sgoraniya. Kharkov: NTU «KhPI»; 2009. (In Russ).

[12] Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания. Харьков: НТУ «ХПИ», 2009.

[13] Patent RUS 2259429 / 27.08.2005. Byul. 24. Simunova S.S., Ershova T.V. Elektrolit i sposob nikelirovaniya izdeliy iz alyuminiya i ego splavov. (In Russ). EDN: UKRGHA

[14] Патент РФ 2259429 / 27.08.2005. Бюл. 24. Симунова С.С., Ершова Т.В. Электролит и способ никелирования изделий из алюминия и его сплавов. EDN: UKRGHA

[15] Gaynullin F.G., Grishchenko A.I., Vasilyev Yu.N., Zolotarevskiy L.S. Prirodnyy gaz kak motornoe toplivo na transporte. M.: Nedra, 1986. (In Russ).

[16] Гайнуллин Ф.Г., Грищенко А.И., Васильев Ю.Н., Золотаревский Л.С. Природный газ как моторное топливо на транспорте. М.: Недра, 1986.

[17] Fedin K. Innovative technology for creating gas piston engines with spark ignition. Information resources of Russia. 2012;2. (In Russ). EDN: OXASAJ

[18] Федин К. Инновационная технология создания газовых поршневых двигателей с искровым зажиганием // Информационные ресурсы России. 2012. № 2. С. 11–15. EDN: OXASAJ

[19] Patent RUS № 2700866 / 23.09.2019. Byul. 27. Savelyev GS, Kochetkov MN, Ovchinnikov EV, et al. Sposob organizatsii rabochego protsessa gazodizelnogo dvigatelya. EDN: ONZNAJ

[20] Патент РФ № 2700866 / 23.09.2019. Бюл. 27. Савельев Г.С., Кочетков М.Н., Овчинников Е.В. и др. Способ организации рабочего процесса газодизельного двигателя. EDN: ONZNAJ

[21] Usachev NYa, Kharlamov VV, Belanova EP, et al. Oxidative processing of lower alkanes: state and prospects. Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal. Vol. LII. No. 4. 2008. (In Russ).

[22] Усачев Н.Я., Харламов В.В., Беланова Е.П. и др. Окислительная переработка низших алканов: состояние и перспективы // Российский химический журнал. 2008. Т. 52, № 4. С. 22–31. EDN: JTFEKR

[23] Krylov O.V. Carbon dioxide conversion of methane into synthesis gas. M.: J. Russian Chemical. The D.I. Mendeleev Society. 2000. Vol. XLIV. No. 1. pp. 19–33. (In Russ).

[24] Крылов О.В. Углекислотная конверсия метана в синтез-газ // Российский химический журнал. 2000. Т. 44, № 1. С. 19–33.

[25] Patent Canada CA2811937C / 29.03.2012. Palmer MR, Allam RJ, Fetvedt JE. et al. Method of using carbon dioxide in recovery of formation deposits. Accessed: Available from: https://patentimages.storage.googleapis.com/25/2d/f5/09fe81942f06e3/CA2811937C.pdf

[26] Patent Canada CA2811937C / 29.03.2012. Palmer M.R., Allam R.J., Fetvedt J.E. et al. Method of using carbon dioxide in recovery of formation deposits. Дата доступа: Режим доступа: https://patentimages.storage.googleapis.com/25/2d/f5/09fe81942f06e3/CA2811937C.pdf

[27] Asachenko EV, Rodina OV. Osobennosti dezaktivatsii kislotnykh Zn — soderzhashchikh katalizatorov aromatizatsii propane. Neftekhimiya. 2008;48(2):100–104.

[28] Асаченко Е.В., Родина О.В. Особенности дезактивации кислотных Zn — содержащих катализаторов ароматизации пропана // Нефтехимия. 2008. Т.48. №2. С. 100–104.

[29] Tagirova LM. Aktualnost primeneniya sintez-gaza v kachestve alternativnogo istochnika energii. Aktualnye nauchnye issledovaniya v sovremennom mire. 2017. № 2-1. S. 133–137. EDN: XXVJQR

[30] Тагирова Л.М. Актуальность применения синтез-газа в качестве альтернативного источника энергии // Актуальные научные исследования в современном мире. 2017. № 2-1. С. 133–137. EDN: XXVJQR

[31] Kudryashova EYu. Usovershenstvovanie i primenenie kataliticheskikh neytralizatorov otrabotavshikh gazov dlya uluchsheniya ekologicheskikh kharakteristik dizelnykh dvigateley [dissertation] Moscow; 2017.

[32] Кудряшова Е. Ю. Усовершенствование и применение каталитических нейтрализаторов отработавших газов для улучшения экологических характеристик дизельных двигателей. Дисс. Канд. техн. наук. Москва, 2017.

[33] Wang Chizhang, Yang Shijian, Chang Huazhen, et al. Structural effects of iron spinel oxides doped with Mn, Co, Ni and Zn on selective catalytic reduction of NO with NH3. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 2013;376:13–21. doi: 10.1016/j.molcata.2013.04.008

[34] Wang Chizhang, Yang Shijian, Chang Huazhen, et al. Structural effects of iron spinel oxides doped with Mn, Co, Ni and Zn on selective catalytic reduction of NO with NH3 // Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 2013. Vol. 376. P. 13–21. doi: 10.1016/j.molcata.2013.04.008

[35] Stanciulescu M, Caravaggio G, Dobri A, et al. Low-temperature selective catalytic reduction of NOx with NH3 over Mn-containing catalysts. Applied Catalysis B: Environmental. 2012;123–124:229–240. doi: 10.1016/j.apcatb.2012.04.012

[36] Stanciulescu M., Caravaggio G., Dobri A., et al. Low-temperature selective catalytic reduction of NOx with NH3 over Mn-containing catalysts // Applied Catalysis B: Environmental. 2012. Vol. 123–124. P. 229–240. doi: 10.1016/j.apcatb.2012.04.012

[37] Wu ZB, Jiang BQ, Liu Y, Wang H, Jin R. DRIFT study of manganese/titania-based catalysts for low-temperature selective catalytic reduction of NO with NH3. Environmental Science & Technology. 2007. Vol. 41, N 16. P. 5812–5817. doi: 10.1021/es0700350

[38] Wu ZB, Jiang BQ, Liu Y, Wang H, Jin R. DRIFT study of manganese/titania-based catalysts for low-temperature selective catalytic reduction of NO with NH3 // Environmental Science & Technology. 2007. Vol. 41, N 16. P. 5812–5817. doi: 10.1021/es0700350

[39] Kuvshinov GG, Popov MV, Tonkodubov SE, Kuvshinov DG. Vliyanie davleniya na effektivnost nikelevykh i nikel-mednykh katalizatorov v protsesse razlozheniya metana. Zhurnal prikladnoy khimii. 2016;89(11):1407–1416.

[40] Кувшинов Г.Г., Попов М.В., Тонкодубов С.Е., Кувшинов Д.Г. Влияние давления на эффективность никелевых и никель- медных катализаторов в процессе разложения метана // Журнал прикладной химии. 2016. Т. 89. Вып. 11. С. 1407–1416.

[41] Golosman EZ. Efremov VN. Promyshlennye katalizatory gidrirovaniya oksidov ugleroda. Kataliz v promyshlennosti. 2012. №5. C. 36–55.

[42] Голосман Е.З. Ефремов В.Н. Промышленные катализаторы гидрирования оксидов углерода // Катализ в промышленности. 2012. №5. C. 36–55.

[43] Kovalevskaya LL, Dorofeeva EA. Issledovanie vliyaniya usloviy termoobrabotki na dezaktivatsiyu katalizatorov konversii uglevodorodov. In: Innovatsionnye protsessy v khimii, neftekhimii i neftepererabotke. Sbornik trudov mezhdunarodnoy konferentsii. Sankt Petersburg: SPbGTI(TU); 2016:16–18.

[44] Ковалевская Л.Л., Дорофеева Е.А. Исследование влияния условий термообработки на дезактивацию катализаторов конверсии углеводородов. В кн.: Инновационные процессы в химии, нефтехимии и нефтепереработке. Сборник трудов международной конференции. СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2016. С. 16–18.

[45] Izmaylov AYu, Savelyev GS, Kochetkov MN, et al. Avtotraktornyy dizelnyy dvigatel, adaptirovannyy k rabote na szhizhennom uglevodorodnom gaze po gazodizelnomu protsessu. Izvestiya MGTU MAMI. 2018;1(35):10–15. EDN: YSSQLA

[46] Измайлов А.Ю., Савельев Г.С., Кочетков М.Н. и др. Автотракторный дизельный двигатель, адаптированный к работе на сжиженном углеводородном газе по газодизельному процессу // Известия МГТУ МАМИ. 2018. № 1(35). С. 10–15. EDN: YSSQLA

RIGHTS & PERMISSIONS

Eco-Vector