АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПРИМЕНЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ВИДОВ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 621.436

АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПРИМЕНЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ВИДОВ ТОПЛИВА

В ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

БОРЫЧЕВ Сергей Николаевич, д-р техн. наук, профессор, первый проректор, [email protected] ШЕМЯКИН Александр Владимирович, д-р техн. наук, доцент, зав. кафедрой организации транспортных процессов и безопасности жизнедеятельности, [email protected]

ТЕРЕНТЬЕВ Вячеслав Викторович, канд. техн. наук, доцент кафедры организации транспортных процессов и безопасности жизнедеятельности, [email protected]

Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева, ИВАНОВ Александр Алексеевич, ст. преп. кафедры технической эксплуатации автомобилей, Тверская государственная сельскохозяйственная академия, [email protected]

В условиях нарастающего дефицита энергоносителей и существенного увеличения стоимости всех видов энергии исключительно актуальными становятся мероприятия по экономии энергоресурсов, внедрению новейших технологий для топливосбережения и рационального использования моторного топлива. В последнее время все более широкое распространение получают альтернативные биотоплива на основе растительных масел и их производных. В данной статье рассмотрены физико-химические свойства биотоплива, основные технологии его получения, зарубежный и отечественный опыт применения этого вида альтернативного топлива. Анализ физико-химических свойств растительных масел свидетельствует о возможности применения большинства из них для питания дизельных двигателей. Это обусловлено тем, что растительные масла обладают приемлемой самовоспламеняемостью в условиях камеры сгорания дизеля и имеют теплоту сгорания, близкую к теплоте сгорания традиционного дизельного топлива. Повышенная вязкость растительных масел не является непреодолимым препятствием для их применения в дизелях, поскольку разработан ряд мероприятий, позволяющих эксплуатировать двигатели на тяжелых то-пливах. В частности, применение смесей растительных масел или их эфиров с легкими альтернативными топливами и водой позволяют улучшить качество распыления и смесеобразования. Таким образом, приближение свойств биотоплив к свойствам традиционного дизельного топлива достигается использованием смесей растительных масел и их производных с дизельными или альтернативными топливами. При смешивании указанных топлив в определенных пропорциях обеспечивают необходимое качество рабочих процессов дизелей и их требуемые эксплуатационные показатели. Наиболее перспективным видом биотоплива для дизеля представляется смесь рапсового масла с легкими альтернативными топливами, использование которой позволит улучшить показатели работы дизелей, находящихся в эксплуатации, без существенного изменения конструкции двигателя.

Ключевые слова: дизель, альтернативное топливо, биотопливо, растительное масло, рапсовое масло.

Введение

В Концепции развития аграрной науки и научного обеспечения агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 г. (утв. приказом Минсельхоза России от 25 июня 2007 г. № 342) отмечено, что одним из приоритетных направлений развития аграрной науки и научного обеспечения АПК России в области механизации, электрификации и автоматизации является разработка оборудования с использованием возобновляемых источников энергии, в том числе биотоплива [1]. Наиболее перспективное направление - использование моторного топлива для дизельных двигателей на основе растительных масел.

Это обусловлено следующим:

- выработка из возобновляемых источников;

- возможность создания энергоавтономных сельскохозяйственных предприятий, независимых

от поставок дизельного топлива (ДТ) [2,11];

- положительное влияние на парниковый эффект за счет замкнутого баланса двуокиси углерода, уменьшение выбросов токсичных веществ в отработавших газах, способность топлива к биоразложению.

Далее будут рассмотрены способы получения, основные физико-химические свойства и опыт применения видов топлива для дизелей на основе растительных масел.

Технологии производства топлива для дизеля из растительных масел Для выработки биологического топлива для дизеля перспективны в первую очередь рапсовое, подсолнечное, соевое и пальмовое масла. Также могут быть использованы для этих целей и другие масла - хлопковое, льняное, сурепное, арахисовое, масло ятрофа. Данные масла применяются

© Борычев С. Н., Шемякин А. В., Терентьев В. В., Иванов А. А., 2017г.

Технические науки

<1

в дизельных двигателях в натуральном виде или после химического преобразования, а также в композиции с топливами нефтяного или альтернативного происхождения [3].

Для условий Российской Федерации наиболее

перспективным для использования в качестве топлива для дизелей является рапсовое масло (РМ). Схема переработки семян рапса и производства рапсового масла и моторного топлива на его основе показано на рисунке 1 [4,9,10,12].

Рис. 1 - Схема переработки семян рапса и производства рапсового масла и моторного топлива на его основе

Вырабатываемое по этой схеме РМ может быть использовано как самостоятельный вид топлива для дизельных двигателей, в композициях различного соотношения с минеральным ДТ или преобразовано в метиловый или этиловый эфиры (РМЭ, которые применяются как самостоятельное биологическое топливо или как бинарное(в композиции с ДТ).

Характеристики биотоплива на основе рапсового масла.

Рапсовое масло при нормальных условиях представляет собой маслянистую жидкость с повышенными по сравнению с ДТ плотностью (р = 900-1000 кг/м3) и кинематической вязкостью (V = 60-100 мм2/с при 20°С и V = 30-40 мм2/с при 40°С) [4]. По своей химической структуре оно схоже с углеводородами, входящими в состав нефтяного ДТ. Особенностью рапсового масла является то, что в его составе находится достаточно большое количество кислорода, что приводит к некоторому снижению его теплоты сгорания. Наличие в составе масла атомов кислорода уменьшает температуру сгорания и существенно повышает экологичность его применения. Недостатком РМ, используемого для дизельных двигателей, является низкая температура его застывания (^=-18-20°С).

Применению растительных масел в дизелях способствует сравнительно невысокая термическая стабильность растительных масел и приемлемая температура их самовоспламенения, равная ЮВ = 280-320 °С,что несущественно превышает температуру самовоспламенения ДТ (ЮВ = 230-300 °С). цетановое число (ЦЧ) растительных масел изменяется от 33 до 50 единиц, что сопоставимо с цетановым числом (ЦТ) ДТ (ЦЧ = 40-

55) /44,120,130,184/.

Следует отметить, что РМЭ отличается от самого рапсового масла лучшей самовоспламеняемостью в условиях камеры сгорания дизеля. Если РМ имеет цетановое число в диапазоне от 30 до 50, то у РМЭ цетановое число равно 45-65 единицам. Смеси РМЭ с базовым ДТ имеют промежуточные значения цетанового числа. Таким образом, приближение свойств биотоплив к свойствам традиционного ДТ достигается использованием смесей растительных масел и их производных с дизельными или альтернативными топливами. При смешивании указанных топлив в определенных пропорциях обеспечиваются необходимое качество рабочих процессов дизелей и их требуемые эксплуатационные показатели [3,5].

Альтернативные топлива из растительных масел характеризуются повышенной биоразла-гаемостью. При попадании в почву и природные водоемы, распадаются в течение нескольких недель. Аналогичными свойствами обладают и эфиры растительных масел. Топливо на основе растительных масел характеризуется высокими экологическими качествами ввиду минимального наличия в их составе серы [6].

Основные физико-химические характеристики РМ, РМЭ и смесевого топлива в сравнении с ДТ представлены в таблице [7].

Таблица - Физико-химические характеристики РМ, РМЭ и смесевого топлива в сравнении с ДТ

Показатели РМ РМЭ Смесь РМ и ДТ (20% и 80%) ДТ

Плотность, кг/м3 при t = 20° С 915 877 890 826

Кинематическая вязкость, мм2/с при t = 20° С 78 8,0 38,2 3,0-6,0

Цетановое число 41 48 42 45

Температура воспламенения, °С 593 564 583 543

Температура застывания, ° С -18 -8 -13 -10

Содержание серы,% 0,05 0,02 0,16 0,5

Низшая теплота сгорания, МДж/кг 37,2 37,1 41,5 42,5

Пути использования топлива для дизелей на основе растительных масел

Начало широкомасштабных исследований возможности использования растительных масел и топлив на их основе как топлив для дизелей относится к 80-м годам прошлого века. В начале XXI века в ряде стран Европы, Америки и Азии налажено массовое производство биотоплив из растительных масел для двигателей транспортных средств различного класса [2,3,11]. Растительные масла как моторные топлива можно использовать как в чистом виде, так и в смеси с дизельным и другими нефтяными топливами, а также с газоконденсатами, спиртовыми и остальными альтернативными топливами. Проведены исследования работы дизельных двигателей на смесях растительных масел и их производных со спиртами и водой, на эфирах растительных масел и смесях их с другими традиционными и альтернативными топливами.

Оценка физико-механических свойств топлив на основе растительных масел подтверждает возможность использования многих из них для применения в дизельных двигателях. Это обусловлено тем, что растительные масла обладают приемлемой самовоспламеняемостью в условиях камеры сгорания дизеля и имеют теплоту сгорания, близкую к теплоте сгорания традиционного ДТ. Высокая вязкость исходных масел не является существенной преградой для их использования в дизельных двигателях, поскольку спроектированы механизмы и процессы, позволяющие эксплуатировать дизели на данных видах топлива. В частности, применение смесей растительных масел или их эфиров с легкими альтернативными топливами и водой позволяет улучшить качество распылива-ния и смесеобразования [8].

Научные разработки по использованию растительных масел и производных от них топлив выполнены многими двигателестроительными фирмами Allis Chalmers, Caterpillar, Cummins, GM, John Deere, Harvester (США), Perkins, Ricardo (Великобритания), Mercedes-Benz, Daimler-Benz, Deutz, Volkswagen, MAN, Hatz Diesel, Henkelhauses, Porsche (Германия), Volvo (Швеция), Isuzu, Toyota, Komatsu (Япония). В большинстве случаев - это испытания серийных дизелей на нетрадиционных для них биотопливах.

Выполняются научные изыскания по доработке дизелей для работы на растительных маслах, а также на эфирах этих масел и в научных лабораториях государств бывшего СССР: в МГТУ им. Н.Э. Баумана и Институте механики и энергетики имени В.П. Горячкина, в Российском университете дружбы народов (РУДН) в ВИМс, в Алтайском государственном техническом университете (Ал-тГтУ) им. И.И. Ползунова (г. Барнаул), в Харьковском политехническом институте, в Клайпедском университете. Результаты подтверждают эффективность и целесообразность использования биодизельных топлив на основе растительных масел в двигателях различного назначения.

Заключение

Таким образом, анализ результатов исследований показал возможность применения растительных масел (рапсового масла в частности) в качестве моторного топлива для дизельного двигателя. В целом, опыт зарубежных фирм и результаты отечественных исследований говорят о том, что биотоплива на базе рапсового масла способствуют экономии нефтяного топлива и повышению экологичности работы дизеля.

Наиболее перспективным видом биотоплива для дизеля представляется смесь рапсового масла с легкими альтернативными топливами, использование которой позволит улучшить показатели работы дизелей, находящихся в эксплуатации без существенного изменения конструкции двигателя. Данная технология проста в применении, что позволяет улучшить экономические показатели работы двигателя.

Список литературы

1. О Концепции развития аграрной науки и научного обеспечения АПК России до 2025 года : Приказ Минсельхоза РФ N 342 от 25.06.2007

2. Линия для получения масла из масличных культур / Н. В. Бышов, А. Н. Бачурин, В. М. Кор-нюшин, И. В. Черных // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. - 2013. - № 3 (19). - С. 59-60.

3. Девянин, С. Н. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей / С. Н. Девянин, В. А. Марков, В. Г. Семенов. - М. : ИЦ ФГОУ ВПО МГАУ, 2008. - 340 с.

4. Использование растительных масел и то-плив на их основе в дизельных двигателях / В.

А. Марков, С. Н. Девянин, В. Г. Семенов, А. В. Шахов, В. В. Багров. - М.: ООО НИЦ "Инженер", 2011. -536 с.

5. Федоренко В.Ф. Использование биологических добавок в дизельное топливо. - М. : ФГНУ «Росинформагротех», 2007. - 52 с.

6. Марков, В. А. Токсичность отработавших газов дизелей / В. А. Марков, Р. М. Баширов, И. И. Га-битов. - М. : МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 376 с.

7. Марков, В. А. Работа дизеля на нетрадиционных топливах : Учеб. пособие / В.А. Марков, А.И. Гайвороновский, Л. В. Грехов. - М. : Легион-Автодата, 2008. - 464 с.

8. Семенов, В. Г. Оптимизация состава бинарного альтернативного дизельного топлива // Химия и технология топлив и масел. - 2003. - №4. - С. 29-32.

9. Патент на полезную модель № 114319 RU, МПК8 С 11 В 11/00 Линия для получения масла из

семян масличных культур / Бышов Н.В., Корню-шин В.М., Бачурин А.Н., Костенко П.А. - Опубл. 20.03.2012. - Бюл. № 8.

10. Патент на полезную модель № 134928 RU, МПК С11В11/00. Линия для получения масла из семян масличных культур контейнерного типа. / Бышов Н.В., Корнюшин В.М., Бачурин А.М., Бы-шов Д.Н., Костенко П.А., Черных И.В., Горохов А.А. - Опубл. 27.11.13. - Бюл. № 33.

11. Черных, И. В. Линия контейнерного типа для получения масла из семян / И. В. Черных, Н. В. Бышов, В. М. Корнюшин // Сельский механизатор. - 2014. - № 11. - С. 23.

12. Патент на изобретение РФ № 2014117990/13. Установка для подготовки растительного масличного сырья к прессованию. / Черных И.В., Бышов Н.В., Бачурин А.Н., Бышов Д.Н., Корнюшин В.М., Горохов А.А., Ильин О.А. - Опубл. 27.08.2014. -Бюл. № 24.

THE ANALYSIS USES BIOLOGICAL FUELS IN DIESEL ENGINES

Borychev Sergey N., Dr. of Tech. Sci., Professor, First Vice Rector, [email protected]

SHemyakin Alexander V., Dr. of Tech. Sci., Associate Professor, Head. Department of Organization of Transport Processes and Life Safety, [email protected]

Terentev Vyacheslav V., Cand. Tech. Sci., Associate Professor of the Department of Organization of Transport Processes and Life Safety, [email protected] Ryazan State Agrotechnological University named after P.A. Kostycheva,

Ivanov Alexander A. Senior Lecturer, Department of Technical Operation of Automobiles, Tver State Agricultural Academy, [email protected]

In the context of growing energy deficit and a significant increase of all energy types cost, measures to save energy resources, introduce new technologies for fuel saving and rational use of motor fuel are becoming relevant. Recently, alternative biofuels, based on vegetable oils and their derivatives, are becoming increasingly widespread. The article presents physicochemical properties of the bio fuel, the main technologies for its production and foreign and domestic experience in using this type of alternative fuel. Analysis of physicochemical properties of vegetable oils indicates the possibility to use most of them for diesel engines. This is due to the fact that vegetable oils have acceptable self-inflammability in the combustion chamber of a diesel engine and have combustion value close to that of traditional diesel fuel. The increased viscosity of vegetable oils is not an invincible obstacle to use them in diesel engines, as a number of measures have been developed that allow the engines to be operated on heavy oil fuels. In particular, the use of mixtures of vegetable oils or their esters with light alternative fuels and water can improve the quality of spraying and mixture formation. Thus, the approximation of bio fuels properties to those of the traditional diesel fuel is achieved by using mixtures of vegetable oils and their derivatives with diesel or alternative fuels. Mixing these fuels in certain proportions provides the necessary quality of the working processes of the diesel engines and their required operating characteristics. The mixture of rapeseed oil with light alternative fuels improving the operation of diesel engines without any significant change of the engine design is most advanced.

Key words: diesel, alternative fuel, biofuel, vegetable oil, rapeseed oil

Literatura

1. Prikaz Minsel'hoza RF ot 25.06.2007 N 342 «O Koncepcii razvitiya agrarnoj nauki i nauchnogo obespecheniya APK Rossii do 2025 goda»

2. Byshov, N.V. Liniya dlya polucheniya masla iz maslichnyh kul'tur / N.V. Byshov, A.N. Bachurin, V.M. Kornyushin, I.V. CHernyh // Vestnik Ryazanskogo gosudarstvennogo agrotekhnologicheskogo universiteta im. P.A. Kostycheva. - 2013. - № 3 (19). - S. 59-60.

3. Devyanin, S.N. Rastitel'nye masla i topliva na ih osnove dlya dizel'nyh dvigatelej. /S.N. Devyanin, V.A. Markov, V.G. Semenov//- M. : IC FGOU VPO MGAU, 2008. - 340 s.

4. Markov, V.A. Ispol'zovanie rastitel'nyh masel i topliv na ih osnove v dizel'nyh dvigatelyah. / V.A. Markov, S.N. Devyanin, V.G. Semenov i dr. //- M.: OOO NIC "Inzhener", 2011. - 536 s.

5. Fedorenko, V.F. Ispol'zovanie biologicheskih dobavok v dizel'noe toplivo. / V.F. Fedorenko //- M.: FGNU «Rosinformagrotekh», 2007. - 52 s.

6. Markov, V.A. Toksichnost' otrabotavshih gazov dizelej. /V.A. Markov, R.M. Bashirov, I.I. Gabitov // - M. : MGTU im. N.EH. Baumana, 2002. - 376 s.

7. Markov, V.A. Rabota dizelya na netradicionnyh toplivah: Ucheb. posobie/V.A. Markov, A.I. Gajvoronovskij, L.V. Grekhov //- M. : Legion-Avtodata, 2008. - 464 s.

8. Semenov, V.G. Optimizaciya sostava binarnogo al'ternativnogo dizel'nogo topliva. / V.G. Semenov // Himiya i tekhnologiya topliv i masel. - 2003. - №4. - S. 29-32.

9. Patent na poleznuyu model' № 114319 RU, MPK8 C 11 B 11/00 Liniya dlya polucheniya masla iz semyan maslichnyh kul'tur/ByshovN.V., Kornyushin V.M., Bachurin A.N., Kostenko P.A. - Opubl. 20.03.2012. - Byul. № 8.

10. Patent na poleznuyu model' № 134928 RU, MPK S11V11/00. Liniya dlya polucheniya masla iz semyan maslichnyh kul'tur kontejnernogo tipa. /Byshov N.V., Kornyushin V.M., Bachurin A.M., Byshov D.N., Kostenko P.A., CHernyh I.V., Gorohov A.A. - Opubl. 27.11.13. - Byul. № 33.

11. CHernyh, I.V. Liniya kontejnernogo tipa dlya polucheniya masla iz semyan. /I.V. CHernyh, N.V. Byshov, V.M. Kornyushin //Sel'skij mekhanizator. - 2014. - № 11. - S. 23.

12. Patent na izobretenie RF № 2014117990/13. Ustanovka dlya podgotovki rastitel'nogo maslichnogo syr'ya k pressovaniyu. / CHernyh I.V., Byshov N.V., Bachurin A.N., Byshov D.N., Kornyushin V.M., Gorohov A.A., Il'in O.A. - Opubl. 27.08.2014. - Byul. № 24.

УДК 631.3:621.7

РАЗРАБОТКА НАСАДКИ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ КОНСЕРВАЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

ПРИ ПОСТОЯННОМ НАПОРЕ

БЫШОВ Николай Владимирович, д-р техн. наук, профессор, ректор

ЮХИН Иван Александрович, д-р техн. наук, доцент кафедры «Техническая эксплуатация транспорта», [email protected]

УШАНЕВ Александр Игоревич, учебный мастер кафедры «Техническая эксплуатация транспорта», [email protected]

Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева,

Цель исследования состояла в подборе насадки для нанесения консервационного материала на поверхность сельскохозяйственной техники в период ее хранения, так как вид насадки имеет большое значение для качественного и равномерного нанесения. Из рассмотренных вариантов насадок для применения в конструкции пистолета-распылителя целесообразней использовать коническую расходящуюся насадку, так как она обеспечивает снижение коэффициента расхода консервацион-ного материала и необходимый факел распыла для покрытий поверхности сельскохозяйственной техники. Большинство теоретических исследований струйных насадок посвящено распылителям с цилиндрическим соплом. С практической точки зрения представляют интерес два случая распада цилиндрических струй: режим образования монодисперсных капель и режим распыления. Последний изучен достаточно подробно, в то время как образованию монодисперсных капель уделялось недостаточное внимание. В этой связи представляет интерес анализ процесса образования монодисперсных капель; он делится на два этапа. На первом этапе из сопла вытекает струя жидкости, которая постепенно удлиняется, достигая некоторого равновесного объема V При этом действуют гидростатические силы F, силы поверхностного натяжения Fп, импульсный перенос (распределение скорости жидкости в сопловом канале принимается параболическим) Fм, силы сопротивления Fс и инерции Fи. Получены аналитические зависимости, описывающие процесс распыления консервационного материала через коническую расходящуюся насадку при давлении Р=7,3-8,1 МПа, и установлены расходно-геометрические характеристики факела распыла. При втором интересующем нас режиме - распылении - скорость жидкости достигает существенных значений, и на параметры струи начинает оказывать заметное влияние течение консервационного материала в сопловом канале.

Ключевые слова: коническая расходящаяся насадка, факел распыла, струя жидкости, монодисперсные капли, процесс распыления

Введение

Большое значение для качественного и равномерного нанесения консервационного материала на поверхность сельскохозяйственной техники

имеет подбор насадки.

Насадкой называется присоединенная к отверстию в стенке трубка, длина которой составляет три-четыре диаметра. Большое влияние на ско-

© Бышов Н. В., Юхин И. А., Ушанев А. И., 2017 г