CC BY
12
АВТОМОБ1ЛЬНИЙ ТРАНСПОРТ
УДК 656.13 DOI: 10.30977/BUL.2219-5548.2019.86.1.90
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬН1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ ПОКАЗНИК1В ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГУНА ЗА УМОВИ ЙОГО РОБОТИ НА Б1ОМЕТАНОЛ1
Крижашвський G.I.1, Криштопа С.1.2, Криштопа Л.1.3, Гнип М.М.4, Микитiй 1.М.5 1'2'3'4'5 ¡вано-Франкчвський нацюнальний технiчний унiверситет нафти i газу
Анотаця. Виконат до^дження доцгльностг використання бгометанолу як палива поргвняно з використанням дизельного палива нафтового походження в дизельних двигунах, переобладна-них на роботу на спиртах. Досл1джено експериментальт залежност1 ефективног потуж-ност1 та питомог витрати палива в1д частоти обертання колтчастого вала для базового дизельного й конвертованого на метанол двигуна. Установлено, що в раз1 переведення дизельного двигуна на роботу на метанол1 не в1дбуваеться зниження потужшсних показниюв двигуна. Анал1з в1дпрацьованих газ1в у випадку переведення дизельного двигуна на роботу на метанол1 показуе, що на вах режимах роботи двигуна в1дбуваеться зниження викид1в оксид1в азоту та оксиду вуглецю.
Ключовi слова: дизельний двигун, б1опаливо, б1ометанол, водорост1, еколог1чт показники ДВЗ.
Вступ
Одшею iз серйозних проблем, що сьогодш стоять перед фахiвцями автомобшь-ного транспорту, е забезпечення автомобшв альтернативними паливами не нафтового походження. Наявш розвщаш нафтовi родо-вища наближаються до свого вичерпання, що неминуче призведе до поступового зростання цш на нафту та, вщповщно, на моторне па-ливо, одержане шляхом переробки нафти. Одночасно глобальною проблемою людства е захист навколишнього середовища вщ шюдливих викцщв з вщпрацьованими газами двигушв внутршнього згорання. Особливо це питання е актуальним для автомобшв з дизельними двигунами. Поступово все бшь-ше европейських мют переходить до заборони або обмеження використання автомобшв з дизельними двигунами. У зв'язку з шдви-щеною канцерогеншстю автомобшв з дизельними двигунами низка св^ових авто-мобшьних концершв уже оголосила про згортання програм випуску автомобшв з ди-зельними двигунами.
Таким чином, в Укра!ш та свт на сьогодш юнуе актуальна багатогранна проблема iз забезпечення потреби автомобшьно-го транспорту в дешевому i еколопчно чистому паливi не нафтового походження. Необхщно зазначити, що на даний час у свт експлуатуеться велика кшьюсть автомобiлiв з дизельними двигунами, що порiвняно з бензиновими характеризуются значно бшь-шою вартiстю та ресурсом. Тому рацюналь-
ним кроком було б використання як для пер-спективних дизельних двигунiв, так i дизельних двигунiв, що на даний час знаходяться в експлуатаци, альтернативних, бiльш дешевих та еколопчно чистих палив порiвняно з ди-зельним паливом нафтового походження. Одним з головних напрямiв вирiшення цього завдання е використання вiдновлюваних джерел енерги з рослинно! бiомаси. Разом з тим необхщно зазначити, що бурхливе зрос-тання виробництва та споживання бюпалив з рослинних олив харчового призначення в багатьох кра!нах свiту призвело до порушен-ня балансу в структурi агропромислового виробництва та стало породжувати в сус-пшьсга проблеми соцiального, екологiчного та етичного плану. Це значною мiрою пов'язано з використанням для виробництва бюпалива сшьськогосподарських площ, у той час коли зараз, за рiзними оцшками, голодуе близько 20 % людства.
Один з перспективних подальших шляхiв розвитку бiопалив пов'язаний з використанням замють бiомаси iз сшьськогосподарсь-ких площ бiомаси водоростей та водних рос-лин (бiоматерiалiв третього поколiння), що як енергетична сировина за низкою сво!х характеристик переверщують традицiйнi сиро-винш бiоресурси (бiоматерiали першого-другого поколшь). Проте широкому впро-вадженню в автомобшьному транспортi бiопалив з водоростей та водних рослин за-важае недостатне на цей момент дослщження питань використання в автомобiльних двигу-
нах бiопалив, яю виготовленi iз зазначених бiоматерiалiв третього поколшня. Тому до-слiдження використання в автомобiльних двигунах бiопалив, яю створенi з велико! но-менклатури наявних водоростей та водних рослин, е вчасними та актуальними.
Аналiз публiкацiй
Виконаний аналiз робiт свщчить, що до-слiдники все часпше приходять до едино! думки про поступову вщмову вiд застосу-вання нафтових палив [1] i доцшьност в цьому планi використання вщновлюваних джерел енергi! з рослинно! бюмаси [2].
Необхiдно зазначити, що технологи отри-мання бiопалив з рослинних масел з подаль-шим його використанням в двигунах авто-тракторно! технiки розробленi на достатньо глибокому рiвнi [3]. Переважно з олшних культур шляхом вичавлювання вцщляеться масло, а надалi очищаеться рiзними методами, зокрема нейтралiзацiею, виморожуван-ням або фiльтруванням.
У виробництвi бюдизельного палива за-стосовують рiзнi види рослинних масел, таких як рапсове, льняне, соняшникове, паль-мове та ш. [4]. Одночасно отримане бюпаливо з рiзних рослинних масел мае низку вщмшних фiзико-хiмiчних ознак. До таких ознак належать: нижча теплота згоряння, в'язюсть, щiльнiсть, фiльтрованiсть, температура застигання, коксованiсть, цетанове число та ш.
Паливний потенцiал олiйних культур порiвняно на 1 т сировини набагато бшьше щодо iнших сiльськогосподарських культур. Проведеш розрахунки показують, що витра-ти на отримання рапсового насiння станов-лять близько 17 700 МДж /кг, на отримання масла - 700 МДж /кг, зокрема енерпя, що отримуеться вiд масла, - 22 200 МДж/кг. У зв'язку з вищесказаним можна зробити вис-новок, що енергетичний прибуток з одного гектара пошву рiпаку становить 3 800 МДж (що вщповщае 110 л нафтового дизельного палива за своею енергетичною цшшстю) [5].
Бюпаливо з наземних сшьськогоспо-дарських культур (ршак, соняшник та iн.) устшно використовуеться у двигунах, про-довжуючи !х термiн служби, та мае високе цетанове число [6]. Використання бюпалива як бюдобавки до нафтового дизельного палива дозволяе покращувати еколопчш та протизношувальнi властивостi палив [7].
За умови використання водоростей та водних рослин як бiоматерiалiв для створен-
ня моторного палива е низка переваг [8]: во-доросп та водш рослини в процес росту по-глинають 80-90 % вуглекислого газу з видшенням кисню; для культиваци водоро-стей та водних рослин можна використо-вувати стiчнi та засолеш води; водоростi та водш рослини, на вiдмiну вiд наземних рослин, ростуть цший рш. Разом з тим установлено, що бюпродуктившсть та вмiст лшщв водоростей залежить вiд iнтенсивностi освгглення [9].
Невисоке перемiшування води штен-сифiкуе тепломасообмiннi процеси у водоро-стях, сприяе руху клiтин у зону осв^лення та збiльшуе бюпродуктившсть водоростей [10]. Установлено, що на врожайшсть водоростей та водних рослин суттевий вплив мае кон-центращя вуглекислого газу [11]. Так, у разi зростання концентрацi! вуглекислого газу з 4 до 22 % вихщ бюмаси водоростей збшьшу-вався в чотири-п'ять разiв.
Важливе мiсце серед перспективних аль-тернативних палив для дизелiв займають спирти [12]. До них насамперед належать: метиловий спирт (метанол), етиловий спирт (етанол), н-бутиловий спирт (бутанол) та ш. Виробляти спирти можна практично з будь-яко! сировини, що мютить в собi вуглець. Спирти за низкою фiзико-хiмiчних властиво-стей iстотно вiдрiзняються вiд стандартних дизельних палив, що ускладнюе застосуван-ня !х у дизелях.
Найбiльш перспективним на сьогоднiшнiй день для застосування в дизелях е одноатом-ний первинний спирт - метиловий (метанол) СНзОН. Метанол - це найпростiший спирт, вш е отруйною рiдиною зi слабким спирто-вим запахом. Серед позитивних моментiв метилового спирту для застосування в ди-зельних двигунах можна вщзначити на-явнiсть у його молекулах атомiв кисню, що дозволяе використовувати метанол як окси-генати (кисневмюш компоненти), що сприя-ють зниженню викидiв саж та монооксиду вуглецю як в бензинових двигунах, так i в дизелях [13].
Мета i постановка завдання
Водорост та воднi рослини е одним з найстарших та найстiйкiших органiзмiв на Землi та живуть в прюнш та солонiй водi, у грунт та навiть снiгу. Серед усього рiзно-манiття наявних водоростей та водяних рослин авторами для дослщжень була обрана елодея (ЕМеа) - багаторiчна водна рослина родини водокрасових (Hydrocharitacea). За-
значена водяна рослина е надзвичайно при-стосованою до будь-якого водного середо-вища, е вкрай невибагливою та вiдрiзняеться надзвичайно високими темпами збшьшення бiомаси: до 5 % за добу.
Зазначена водяна рослина створила вели-ку проблему для кра!н Свропи та Укра!ни через !! швидке поширення й негативний вплив на екосистеми, рибальство й навт судноплавство, зокрема щороку масштаби забруднення поверхнi води суттево збшьшу-ються. Найефективнiшим шляхом очищення водоймищ е використання еладе! як палива.
Тому завданнями ще! статтi е експери-ментальнi дослщження:
- змiни потужнiсних характеристик авто-мобiльних дизельних двигунiв за умови ви-користання в цих двигунах метанолу, який одержано з елоде!;
- змши екологiчних показниюв авто-мобiльних дизельних двигунiв у процес ви-користання в цих двигунах метанолу, який одержано з елоде!.
Результати експериментальних дослщжень
Порiвняно з iншими альтернативними па-ливами вартiсть метилового спирту невисока [14], ^м того, за умови використання метанолу як палива для дизелiв можна значно
знизити викиди часток саж та оксидiв азоту. Це вiдбуваеться внаслiдок того, що шд час горiння метанолу в цилiндрi дизеля не утво-рюються промiжнi продукти, що сприяють зародженню ацетиленових i ароматичних вуглеводшв, якi i призводять до утворення саж [15]. Тому предметом дослщження з економiчно! та екологiчно! точок зору стало використання метанолу, одержаного з елоде!, у дизельному двигуш. У табл. 1 представлеш порiвняльнi фiзико-хiмiчнi властивостi метанолу i дизельного палива [16].
До недолшв метанолу можна вiднести меншi значения нижчо! теплоти згорання порiвняно з дизельним паливом (табл. 1). У зв'язку з цим для збереження потужних по-казниюв дизеля циклова подача збшьшува-лася в 2,2 раза.
Поганi змащувальнi властивостi [17], як наслщок пiдвищено! пружностi парiв, викли-кають великi кавiтацiйнi зноси та появу па-рових каверн у системi у разi низького тиску паливних насосiв, якi знижують рiв-номiрнiсть подачi палива, а також мають негативний вплив на стабшьшсть порцн па-лива, що впорскуеться. Для забезпечення працездатностi паливно! апаратури пiд час проведення експериментiв у метиловий спирт додавався 1 % касторово! олн.
Таблиця 1 - Порiвияльиi характеристики метанолу та дизельного палива
Показник Метанол Дизельне паливо
Щшьшсть за умови 20 °С, не бшьше, кг/м3 792 860 (штне), 840 (зимове)
В'язкють за умови 20 °С, мм2/с, (сСт) 0,55 3,0-6,0
Зм1шувашсть з вуглеводневими паливами погана добра
Температура спалаху, °С 11 62 (л1тне), 40 (зимове)
Теплота згоряння, кДж/кг 19700 42500
Цетанове число, од. 3 45
Температура кипшня, °С 64,7 170-380
Теоретична кшьюсть пов1тря, необх1дна для 6,52 14,45
повного згорання 1 кг палива, кг пов1тря/кг
палива
Елементарний склад, кг / кг: вуглець водень 0,375 0,125 0,870 0,126
кисень 0,5 0,004
У процес згоряння метилового спирту в цилiндрах дизеля виникае проблема його займання. Займання метанолу в дизельному двигуш можливе за допомогою [18]:
- подачi запально! порцп дизельного па-лива в камеру згорання;
- використання каталiзаторiв, якi сприя-ють зниженню температури займання метилового спирту та прискорюють процес реак-цн горiння;
- додатково встановлено! системи запа-лення.
Для проведения експериментальних до-слщжень було обраио третш шлях.
Для викоиаиия поставлеиих завдаиь на кафедрi автомобшьного транспорту в 1вано-Фраикiвському иацiоиальиому техиiчиому ушверситет иафти i газу (1ФНТУНГ) було переобладиаио для роботи на метанолi ди-зельиий двигун моделi X17DTL автомобiля Опель Астра. Вказаний автомобшь та двигун (рис. 1) були виготовлеш 2000 р. та на початок дослщжень пробiг зазначеного авто-мобiля становив 186 тис. км. Двигун авто-мобiля знаходиться в повиiстю техиiчио справному сташ. Компресiя вимiряиа в цилiидрах двигуна зазначеного автомобiля до дефорсування становила 2,95 ± 0,05 МПа.
Для переведення дизельного двигуна мо-делi X17DTL автомобiля Опель Астра на метанол на кафедрi автомобшьного транспорту 1ФНТУНГ були викоиаиi таю ди: знижений
ступiиь стиснення двигуна до 14,1 шляхом установлення додаткових прокладок пiд головку блока цилiидрiв; установлена оригiиальиа мiкропроцесориа DIS-система запалення (рис. 1) власно'' розробки; оп-тимiзоваиа робота системи управлшня двигуном.
Стисла техиiчиа характеристика пере-обладнаного дизельного двигуна моделi X17DTL автомобiля Опель Астра наведена в табл. 2.
Паливний бак автомобiля заповнювався дизельним паливом марки Л виробництва Кременчуцького НПЗ або метанолом, що був виготовлений з елоде'1. Метанол одержувався шляхом сухо'1 перегонки висушено! бюмаси елоде'1 у разi температури 400 °С. Сушку бiомаси виконували в сушильнш шафi до рiвия вологост 10 %.
г
Рис. 1. Легковий автомобшь Опель Астра з переобладнаним дизельним двигуном: а - двигун модифшацп X17DTL; б - головка блока переобладнаного двигуна iз свiчками запалення та дизельними форсунками; в - конвертований двигун з демонтованою головкою блока та встановленими додатковими прокладками; г - конвертований двигун зi встановленою системою запалення
Таблиця 2 - Стисла техшчна характеристика переобладнаного дизельного двигуна моделi X17DTL автомобiля Опель Астра
№ з/п Назва параметра Значення
1 Базовий двигун Дизельний, з електронною системою впорску-вання Bosch EDC 15М
2 Конвертований двигун Метаноловий, з оригшальною мiкропроцесор-ною системою запалювання розробки 1ФНТУНГ
3 Робочий об'ем двигуна, см3 1669
4 Номшальна потужшсть базового дизельного двигуна, кВт (к.с.) 50 (68)
5 Частота обертання колшвала в процеш експлуатацшно'1 потужност^ об./хв 4500
6 Ступiнь стиснення базового дизельного двигуна 22,0
7 Стутнь стиснення конвертованого метано-лового двигуна 14,1
Бюмаса елоде1 для одержання палива в лггнш час збиралася з водоймищ навколо м. 1вано-Франк1вська (рис. 2, а), а в зимовий перюд - культивувалася в фггобюреакторах (рис. 2, б). Фотобюреактором слугував про-зорий резервуар на 60 л з освггленням люмшесцентними лампами. До реактора за
допомогою компресора та вуглекислотного балона подавалася газоповггряна сумш в об'ем1 1 м куб. за добу (вуглекислий газ -8 %). Елодея культивувалася циклами три-валютю по 14 д1б. Шд час кожного циклу маса елоде1 подвоювалася.
а
Рис. 2. Джерела збирання синьо-зелених воде ми (а); штучний бюреактор (б)
Методика проведення експеримешгв мала певш етапи. На першому - дослщжувалися параметри двигуна, який працював на дизельному паливь На другому етат у двигуна знижувалась м1ра стиснення до 14,1 шляхом демонтажу головки блока та встановлення тд головку двох додаткових прокладок. Дал1 дослщжувалися параметри двигуна, який працював на метаноль
Для пор1вняльно1 оцшки показник1в двигуна на дизельному палив1 з вщповщни-ми показниками двигуна на метанол1 зн1ма-лися навантажувальн1 характеристики двигуна на фжсованих частотах обертання
б
й для одержання бюпалив: природш водой-
кол1нчастого вала на вищш передач1. Перед вим1рюваннями параметр1в для стаб1льного прот1кання робочого процесу двигун про-гр1вався до робочо1 температури. Результати вим1рювань ефективних та економ1чних по-казник1в записувалися в протокол! випробо-вувань у процес1 трикратного повторення на кожному режим1 роботи двигуна.
Ефективна потужн1сть двигуна визнача-лась як сума потужност1 на ведучих колесах та втрат потужност1 в трансм1сЙ, що вим1рювалася за допомогою портативного динамометричного стенда РоГ;аЫе Road Dyno виробництва Dynomet. Абсолютна по-
хибка вимiрювань потужност стендом -1,0 %.
Об'емш частки оксидiв азоту визначалися ra3oaHanÎ3aTopoM «Автотест-02.03П». Дiапа-зон вимiрювань оксидiв азоту становить 05000 ррт, абсолютна похибка вимiрювань -± 10 ррт, дiапазон вимiрювань вуглеводшв становить 0-2000 ррт, абсолютна похибка вимiрювань - ± 10 ррт, дiапазон вимiрювань оксиду вуглецю становить 0-5 %, абсолютна похибка вимiрювань - ± 0,03 %, дiапазон вимiрювань дiоксину вуглецю -0-16 %, абсолютна похибка вимiрювань становить ± 0,05 %. Для визначення температур вiдпрацьованих газiв використовува-лися термопари типу «хромель-копель» та логометр-потенцiометр УП-2М. Для порiвняльноï оцiнки екологiчних показниюв двигуна на газовому паливi з вщповщними показниками базового дизельного двигуна знiмалися навантажувальнi характеристики двигуна на частотах обертання колшчастого вала вщ 1 000 до 4 500 1/хв.
Для вимiрювання витрати палива тд капотом установлювалася окрема eмнiсть на 2 л. Паливо з цieï eмностi подавалося на вхщ паливного насоса. У цю ж eмнiсть була заведена зворотна паливна магiстраль. Маса палива вимiрювалась електронною вагою CAS EC 15 (Ивденна Корея) з похибкою ± 0,1 %. Частота обертання колiнчастого вала визна-чалася мотор-тестером USB Autoscope II за сигналами вщ датчика частоти обертання кол^астого вала.
Найбiльш важливими показниками двигуна, як характеризують ефектившсть викори-стання метанолу в дизел^ е ефективна поту-жшсть та ефективна питома витрата палива. Ефективна потужшсть двигуна розраховува-лася через визначеш потужностi на ведучих колесах та втрати потужностi в трансмюи. Ефективна питома витрата палива розрахо-вувалася через визначенi ефективну потуж-нiсть двигуна та годинну витрату палива. Цi показники, одержат тд час роботи двигуна моделi X17DTL автомобiля Опель Астра на дизельному палив^ порiвнювалися з показниками, як були отриманi в процес роботи на альтернативному палива
На рис. 3 наведенi залежносп ефективноï потужностi та ефективноï питомоï витрати палива вiд змiни частоти обертання колiнча-стого вала двигуна за умови роботи на дизельному паливi та метанола За даними експериментiв порiвняно з роботою на дизельному паливi в разi роботи на метанолi питома витрата палива зростае залежно вщ
частоти обертання вщ 89,5 до 110,4 %. Таке значне зростання питомо1' витрати палива тд час роботи на метанолi щодо дизпалива по-яснюеться значно меншою теплотворною здатнiстю метанолу.
За даними експеримеш!в порiвняно з роботою на дизельному паливi за умови роботи на метанолi в дiапазонi вiд обертiв холостого ходу до номшальних обертiв спостертаеться зростання ефективно1' потужностi на 2-5 %. Зазначене зростання ефективно1' потужност в разi роботи на метанолi пояснюеться вмiстом велико1' кiлькостi кисню в молекулi метанолу, що призводить до бiльш повного згорання палива в цилшдрах двигуна.
Унаслiдок виконаних експериментальних дослiджень установленi залежностi змши вмiсту OKCИдiв азоту NOx, вуглеводшв CnHm, оксиду вуглецю СО та дюксиду вуглецю СО2 вiд частоти обертання колiнчастого вала двигуна n для базового дизельного й конвер-тованого на метанол двигуна (рис. 4 та 5).
Аналiз одержаних результатiв дозволяе зробити певнi висновки. Оскшьки процес згорання як метанолу, так i нафтового дизельного палива вщбуваеться в обох випад-ках достатньо ефективно, то вмют вуглевод-нiв CnHm (рис. 4) та дюксиду вуглецю СО2 (рис. 5) майже не вiдрiзняеться тд час згорання обох палив.
У дiапазонi вiд обертiв холостого ходу до номшальних обер^в у процес роботи на ме-танолi вiдбуваеться iстотне зниження ви-кищв оксиду вуглецю СО порiвняно з роботою двигуна на дизельному паливi (рис. 4). Експериментально встановлено, що iз зрос-танням частоти обертання двигуна спiввiдношення викищв оксиду вуглецю СО за умови роботи на метанолi порiвняно з роботою двигуна на дизельному паливi майже не змшюеться.
У середньому за умови роботи на мета-нолi зниження викидiв оксиду вуглецю СО порiвняно з роботою двигуна на дизельному паливi становить 71-89 %. Зниження вмюту оксиду вуглецю СО в разi роботи на метанолi пояснюеться бiльшою кшьюстю кисню в па-ливi порiвняно з роботою двигуна на дизельному палива
Бiльший вмiст кисню в камерi згорання призводить до доокислення до СО2 бiльшоï кшькосп оксиду вуглецю СО. У дiапазонi вiд обертiв холостого ходу до номшальних обер-тiв за умови роботи на метанолi вiдбуваеться ютотне зниження викидiв оксидiв азоту NOx порiвняно з роботою двигуна на дизельному паливi (рис. 5).
48
Ne, kW
32
24
16
__ — =4
1 1 N6^ __. |
______ у// г —< ►- ---
// // // // \ \
/ ge, /
1 1
( к — < 1-__ >—--—1 1-\ ^ > > —■ >
540
490
440
g/(kW*hour)
340
290
240
1000
1700
2400
3100
3800
4500
,
Рис. 3. Експериментальш залежностi ефективно! потужностi Ые та питомо! витрати палива ge вiд частоти обертання колiнчастого вала п для базового дизельного та конвертованого на
метанол двигуна:------робота двигуна на метанолц----робота двигуна на нафтовому
дизельному паливi
0,35
СО, %
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
о у
СпНт / -Л 1-" г* 9 У
( _— Г — у— — / / у ____ >-—
с ------ __ — у— ' ^ -----1- —'
4 га
600
СпНт, РРт
400
350
300
250
200
1000
1700
2400
3100
3800
4500
,
Рис. 4. Експериментальш залежносп вмюту вуглеводшв СпНт та оксиду вуглецю СО вiд частоти обертання колiнчастого вала двигуна п для базового дизельного та конвертованого на метанол двигуна:------робота двигуна на метанолц----робота двигуна на нафтовому дизельному паливi
8
0
Експериментально встановлено, що iз зростанням частоти обертання двигуна зни-ження викидiв оксидiв азоту NOx стае бiльш суттевим. Наприклад, якщо пiд час обертань холостого ходу вмют оксидiв азоту NOx за умови роботи на метанолi майже не вiдрiзняеться порiвняно з роботою двигуна
на дизельному палив^ то на обертах номшально! потужносп вмiст оксидiв азоту NOx знижуеться на 54 %.
Таке зниження вмюту оксидiв азоту NOx у разi роботи на метанолi пояснюеться нижчою температурою процесу згорання порiвняно з роботою двигуна на дизельному паливь
900 NOx,
PPm
700
600
500
400
300
CO2
-- —« \ ----A :
J 1 — r~ f ►==_3
< ---- ----- —< —_ 1—. ^^ NOx
ч __
\ \ 1
CO2, %
8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 п об./хв. 5000
Рис. 5. Експериментальш залежностi вмiсту оксидiв азоту NOx та дiоксиду вуглецю СО2 вiд ча-стоти обертання колшчастого вала двигуна п для базового дизельного та конвертованого на
метанол двигуна:------робота двигуна на метанолц----робота двигуна на нафтовому
дизельному паливi
Висновки
1. Використання бiоматерiалiв третього поколiння (водоростей та водних рослин) е ефективним шляхом забезпечення авто-мобiльних ДВЗ альтернативним паливом. Зокрема метанол, одержаний з елоде!, може успiшно використовуватися в дизельних ДВЗ пiсля незначно! модершзацн двигунiв, що дозволяе виключити необхiднiсть використання нафтового дизельного палива. Уна-слiдок виконаних експерименпв установлено, що за умови переведення дизельного двигуна на роботу на метанолi не вщбуваеть-ся зниження потужнiсних показникiв двигуна. Питома витрата палива конвертованого на метанол двигуна збшьшуеться, але з врахуванням суттево нижчо! собiвартостi метанолу витрати на паливо спiвставнi з вартютю дизельного палива.
3. Аналiз вщпрацьованих газiв у разi пе-реведення дизельного двигуна на роботу на метанолi показуе, що на всiх режимах роботи двигуна вщбуваетъся зниження викцщв ок-сидiв азоту (до 54 %) та оксиду вуглецю (до 89 %).
Одержанi результати дозволяють оп-тимiзувати вибiр палив для систем живлення двигушв внутрiшнього згорання та знизити викиди шкiдливих речовин у вщпрацьованих газах автомобiльних дизельних двигушв. Подальшi дослiдження будуть пов'язаш з оптимiзацiею системи живлення дизельного двигуна конвертованого на роботу на мета-нолi та зниженням вартостi метанолу за рахунок удосконалення виготовлення метанолу з водоростей та водних рослин.
^ÏTepaTypa
1. Thompson N.A. (2018). Biofuels are (Not) the Future! Legitimation Strategies of Sustainable Ventures in Complex Institutional Environments. Sustainability. 10 (5), 1382. doi: 10.3390/ su10051382
2. Taheripour F., Zhao X., Tyner W.E. (2017). The impact of considering land intensification and updated data on biofuels land use change and emissions estimates. Biotechnology for Biofuels. 10(1), 1-16. doi: 10.1186/s13068-017-0877-y.
3. Ai B., Chi X., Meng J., Sheng Z., Zheng L., Zheng
X., Li J. (2016). Consolidated bioprocessing for butyric acid production from rice straw with undefined mixed culture. Frontiers in Microbiology. 7. doi: 10.3389/fmicb.2016.01648.
4. German L., Schoneveld G.C., Pacheco P. (2011). The Social and Environmental Impacts of Biofuel Feedstock Cultivation: Evidence from Multi-Site Research in the Forest Frontier. Ecology and Society. 16 (3), 24. doi: 10.5751/ES-04309-160324.
5. Yves S., Diamantis A., Stéphane F. (2013). Catalyst technology for biofuel production: Conversion of renewable lipids into biojet and biodiesel. Oilseeds and fats, crops and lipids. 20 (5), 502. doi: 10.1051/ocl/2013023.
6. Haas M.I., and Wagner K. (2011). Simplifying biodiesel production: the direct or in situ trans-esterification of algal biomass. Eur. J. Lipid Sci. Technol. 113, 1219-1229. doi: 10.1002/ej lt.201100106.
7. Nascimento I.A., Marques S.S.I., Cabane-las I.T.D., Pereira S.A., Druzian J.I., de Souza C.O. (2013). Screening microalgae strains for biodiesel production: lipid productivity and estimation of fuel quality based on fatty acids profiles as selective criteria. Bioenerg. Res. 6, 1-13. doi:10.1007/s12155-012-9222-2.
8. Behera S., Singh R., Arora R., Sharma N., Shukla M., Kumar S. (2015). Scope of algae as third
generation biofuels, 2, 90. doi: 10.3389/fbioe.2014.00090.
9. Afify A.M.M., Shanab S.M., Shalaby E.A. (2010).
Enhancement of biodiesel production from different species of algae. Grasas y Aceites 61, 416— 422. doi: 10.3989/gya.021610.
10. Chen C.Y., Zhao X.Q., Yen H.W., Ho S.H., Cheng C.L., Bai F. (2013). Microalgae-based carbohydrates for biofuel production. Biochem. Eng. J. 78, 1-10. doi: 10.1016/j .bej .2013.03.006.
11. Ho S.H., Chen C.Y., Lee D.J. Chang J.S. (2011). Perspectives on microalgal Co2-emission mitigation systems-a review. Biotechnol. Adv. 29, 189198. doi: 10.1016/j. biotechadv.2010.11.001.
12. Brewer Paul J., Brown Richard J.C., Keates Adam C. (2010). Sensitivities of a Standard Test Method for the Determination of the pHe of Bio-ethanol and Suggestions for Improvement. Sensors. 10 (11), 9982-9993. doi: 10.3390/s101109982.
13. Mukherjee V., Radecka D., Aerts G., Verstrepen K.J., Lievens B., Thevelein J.M. (2017). Pheno-typic landscape of non-conventional yeast species for different stress tolerance traits desirable in bi-oethanol fermentation. Biotechnology for Biofuels. 10 (1), 1-19. doi: 10.1186/s13068-017-0899-5.
14. Branco Rita H.R., Serafim Luísa S., Xavier Ana M.R.B. (2018). Second Generation Bioethanol Production: On the Use of Pulp and Paper Industry Wastes as Feedstock. Fermentation. 5 (1), 4. doi: 10.3390/ fermentation5010004.
15. Kim, I-Tae, Yoo, Young-Seok, Yoon, Young-Han, Lee, Ye-Eun, Jo, Jun-Ho, Jeong, W., Kim Kwang-Soo. (2018). Bio-Methanol Production Using Treated Domestic Wastewater with Mixed Methanotroph Species and Anaerobic Digester Biogas. Water. 10 (10), 1414. doi: 10.3390/w10101414.
16. Duque A., Manzanares P., González A., Ballesteros M. (2018). Study of the Application of Alkaline Extrusion to the Pretreatment of Eucalyptus Biomass as First Step in a Bioethanol Production Process. Energies. 11 (11), 2961. doi: 10.3390/en11112961.
17. Rujiroj T., Rujira J., Tarawipa P., Weerawat P., Kamonrat L. (2018). Kinetic modeling and simulation of biomethanol process from biogas by using aspen plus. MATEC Web of Conferences. 192, 3030. doi: 10.1051 /matecconf/201819203030.
18. Bharadwaz Y.D., Rao B.G., Rao V.D., Anusha C. (2016). Improvement of biodiesel methanol blends. Alexandria Engineering Journal. 55 (2), 1201-1209. doi: 10.1016/j.aej.2016.04.006.
References
1. Lebedevas S., Pukalskas S., Zaglinskis J., Mati-josius J. (2012). Comparative investigations into energetic and ecological parameters of camelina-based biofuel used in the 1Z diesel engine. Transport, Vol. 27, Iss. 2, 171-177. doi:
10.3390/su10051382.
2. Taheripour F., Zhao X., Tyner W.E. (2017). The impact of considering land intensification and updated data on biofuels land use change and emissions estimates. Biotechnology for Biofuels. 10(1), 1-16. doi: 10.1186/s13068-017-0877-y.
3. Ai B., Chi X., Meng J., Sheng Z., Zheng L., Zheng
X., Li J. (2016). Consolidated bioprocessing for butyric acid production from rice straw with undefined mixed culture. Frontiers in Microbiology. 7. doi: 10.3389/fmicb.2016.01648.
4. German L., Schoneveld G.C., Pacheco P. (2011). The Social and Environmental Impacts of Biofuel Feedstock Cultivation: Evidence from Multi-Site Research in the Forest Frontier. Ecology and Society. 16 (3), 24. doi: 10.5751/ES-04309-160324.
5. Yves S., Diamantis A., Stéphane F. (2013). Catalyst technology for biofuel production: Conversion of renewable lipids into biojet and biodiesel. Oilseeds and fats, crops and lipids. 20 (5), 502. doi: 10.1051/ocl/2013023.
6. Haas M.I., Wagner K. (2011). Simplifying biodiesel production: the direct or in situ transesteri-fication of algal biomass. Eur. J. Lipid Sci. Tech-nol. 113, 1219-1229. doi: 10.1002/ejlt.201100106.
7. Nascimento I.A., Marques S.S.I., Cabane-las I.T.D., Pereira S.A., Druzian J.I., de Souza C.O. (2013). Screening microalgae strains for biodiesel production: lipid productivity and estimation of fuel quality based on fatty acids profiles as selective criteria. Bioenerg. Res. 6, 1-13. doi:10.1007/s12155-012-9222-2.
8. Behera S., Singh R., Arora R., Sharma N., Shukla
M., Kumar S. (2015). Scope of algae as third generation biofuels, 2, 90. doi: 10.3389/fbioe.2014.00090.
9. Afify A.M.M., Shanab S.M., Shalaby E.A. (2010).
Enhancement of biodiesel production from different species of algae. Grasas y Aceites 61, 416422. doi: 10.3989/gya.021610.
10. Chen C.Y., Zhao X.Q., Yen H.W., Ho S.H., Cheng C.L., Bai F. (2013). Microalgae-based carbohydrates for biofuel production. Biochem. Eng. J. 78, 1-10. doi:10.1016/j .bej .2013.03.006.
11. Ho S.H., Chen C.Y., Lee D.J., Chang J.S. (2011). Perspectives on microalgal Co2-emission mitigation systems-a review. Biotechnol. Adv. 29, 189198. doi: 10.1016/j. biotechadv. 2010.11.001.
12. Brewer Paul J., Brown Richard J.C., Keates Adam C. (2010). Sensitivities of a Standard Test Method for the Determination of the pHe of Bioethanol and Suggestions for Improvement. Sensors. 10 (11), 9982-9993. doi: 10.3390/s101109982.
13. Mukherjee V., Radecka D., Aerts G., Verstrepen K.J., Lievens B., Thevelein J.M. (2017). Pheno-typic landscape of non-conventional yeast species for different stress tolerance traits desirable in bioethanol fermentation. Biotechnology for Biofuels. 10 (1), 1-19. doi: 10.1186/s13068-017-0899-5.
14. Branco Rita H.R., Serafim Luísa S., Xavier Ana M.R.B. (2018). Second Generation Bioethanol Production: On the Use of Pulp and Paper Industry Wastes as Feedstock. Fermentation. 5 (1), 4. doi: 10.3390/ fermentation5010004.
15. Kim, I-Tae, Yoo, Young-Seok, Yoon, Young-Han, Lee, Ye-Eun, Jo, Jun-Ho, Jeong, W., Kim Kwang-Soo. (2018). Bio-Methanol Production Using Treated Domestic Wastewater with Mixed Methanotroph Species and Anaerobic Digester Biogas. Water. 10 (10), 1414. doi: 10.3390/w10101414.
16. Duque A., Manzanares P., González A., Ballesteros M. (2018). Study of the Application of Alkaline Extrusion to the Pretreatment of Eucalyptus Biomass as First Step in a Bioethanol Production Process. Energies. 11 (11), 2961. doi: 10.3390/en11112961.
17. Rujiroj T., Rujira J., Tarawipa P., Weerawat P., Kamonrat L. (2018). Kinetic modeling and simulation of biomethanol process from biogas by using aspen plus. MATEC Web of Conferences. 192, 3030. doi: 10.1051 /matecconf/201819203030.
18. Bharadwaz Y.D., Rao B.G., Rao V.D., Anusha C. (2016). Improvement of biodiesel methanol blends. Alexandria Engineering Journal. 55 (2), 1201-1209. doi: 10.1016/j.aej.2016.04.006.
Крижашвський Свстахш 1ванович1, доктор техшчних наук, ректор 1ФНТУНГ, e-mail: trans@nung.edu.ua, тел: (0342) 72-71-48,
Криштопа Святослав 1горович2, доктор техшчних наук, завщувач кафедри автомобшьного транспорту, е-mail: trans@nung.edu.ua, тел: (0342) 72-71-48,
Криштопа Людмила 1вашвна3, кандидат техшчних наук, доцент кафедри автомобшьного транспорту, е-mail: trans@nung.edu.ua, тел: (0342) 72-71-48,
Гнип Марiя Михай^вна4, астрант кафедри автомобшьного транспорту, е-mail:
trans@nung.edu.ua, тел: (0342) 72-71-48,
Микитш 1ван Михайлович5, астрант кафедри автомобшьного транспорту, е-mail: trans@nung.edu.ua, тел: (0342) 72-71-48,
1,2,зд5 !вано-Франювський нащональний техшчний ушверситет нафти i газу, Украша, 76019, м. 1вано-Франювськ, вул. Карпатська, 15.
Экспериментальные исследования показателей дизельного двигателя при его работе на биометаноле
Аннотация. Выполнены исследования целесообразности использования биометанола в качестве топлива по сравнению с использованием дизельного топлива нефтяного происхождения в дизельных двигателях, переоборудованных на работу на спиртах. Исследованы экспериментальные зависимости эффективной мощности и удельного расхода топлива от ча-
стоты вращения коленчатого вала для базового дизельного и конвертированного на метанол двигателя. Установлено, что при переводе дизельного двигателя на работу на метаноле не происходит снижения мощностных показателей двигателя. Анализ отработанных газов при переводе дизельного двигателя на работу на метаноле показывает, что на всех режимах работы двигателя происходит снижение выбросов оксидов азота (до 54 %) и оксида углерода (до 89 %). Ключевые слова: дизельный двигатель, биоматериалы, водоросли, метанол, мощностные характеристики, экологические показатели.
Крижановский Евстафий Иванович1, доктор технических наук, ректор ИФНТУНГ, e-mail: trans@nung.edu.ua, тел: (0342) 72-71-48, Криштопа Святослав Игоревич2, доктор техн-наук, заведующий кафедрой автомобильного транс-спорту, е-mail: trans@nung.edu.ua, тел: (0342) 72-71-48,
Криштопа Людмила Ивановна3, кандидат технически наук, доцент кафедры автомобильного транспорта, е-mail: trans@nung.edu.ua, тел: (0342) 72-71-48,
Гнип Мария Михайловна4, аспирант кафедры автомобильного транспорта, е-mail:
trans@nung.edu.ua, тел: (0342) 72-71-48, Микитий Иван Михайлович5, аспирант кафедры автомобильного транспорта, е-mail: trans@nung.edu.ua, тел: (0342) 72-71-48, 1'2'3'4'5 Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа, Украина, 76019, г. Ивано-Франковск, ул. Карпатская, 15.
Experimental research of the diesel engine indicators when it works on biomethanol Abstract. Problem. The problem is that in Ukraine and in the world today there is an urgent multifacet-ed problem of meeting the demand for road transport in cheap and environmentally friendly fuel, not of oil origin. Goal. The goal of this article is experimental study of:
- changes in the power characteristics of automobile diesel engines when used in these engines of methanol, which is obtained from elode;
- changes in the environmental performance of automotive diesel engines when used in these engines of methanol, which is obtained from elode. Methodology. At the first stage, parameters of the engine, which worked on diesel fuel, were investigated. At the second stage, the compression ratio was reduced to 14.1 by removing the head of the block and installing two additional gaskets under the head. Next, the engine parameters that worked on methanol were studied. Results. The experimental dependences of the effective power N and the specific fuel consumption ge on the crankshaft rotational speed n for the base diesel and the methanol-converted engine are investigated. Experimental dependencies of the content of hydrocarbons CnHm and carbon monoxide CO on the rotational speed of the crankshaft engine n
for the base diesel engine and converted to methanol; Experimental dependences of the content of NOx and carbon dioxide CO2 on the crankshaft rotational speed of the engine n for the base diesel engine and the methanol-convertible. Originality. The obtained results allow to optimize the choice offuels for power systems of internal combustion engines and to reduce emissions of harmful substances in exhaust gases of automobile diesel engines. Practical value. When transferring a diesel engine to operation on methanol there is no reduction of power engine parameters; the analysis of the exhaust gases during the transfer of the diesel engine to work on methanol shows that in all modes of operation of the engine there is a reduction in emissions of nitrogen oxides (up to 54%) and carbon monoxide (up to 89%). Keywords. Diesel engine, biomaterials, algae, methanol, powerful characteristics, environmental performance.
Kryzhanivskyi Yevstahiy Ivanovych1, Doctor of Technical Sciences, rector IFNTUNG, e-mail: trans@nung.edu.ua, tel: (0342) 72-71-48, Kryshtopa Svyatoslav Igorovych2, Doctor of Technical Sciences, Head of the Department of Automobile Transport, e-mail: trans@nung.edu.ua, tel: (0342) 72-71-48,
Kryshtopa Lyudmyla Ivanivna3, PhD, Associate Professor, e-mail: trans@nung.edu.ua, tel: (0342) 72-71-48,
Hnyp Maria Myhailivna4, post-graduate student of the Department of Automobile Transport, e-mail: trans@nung.edu.ua, tel: (0342) 72-71-48, Mykytii Ivan Myhailovych5, postgraduate student of the Department of Automobile Transport, e-mail: trans@nung.edu.ua, tel: (0342) 72-71-48, 1'2'3'4,5 Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas, Ukraine, 76019, Ivano-Frankivsk, str. Carpathian, 15.
