CC BY
94Использование подсолнечного масла в качестве топлива для дизелей
B.А. Марков,
профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.,
C.Н. Девянин,
зав. кафедрой МГАУ им. В.П. Горячкина, д.т.н.,
В.В. Маркова,
аспирантка МГТУ им. Н.Э. Баумана
Рассмотрены возможные пути использования подсолнечного масла в качестве топлива для дизелей. Проведены экспериментальные исследования дизеля Д-245.12С при работе на смесях дизельного топлива и подсолнечного масла различного состава. Показана возможность снижения токсичности отработавших газов при использовании этих смесей в качестве топлива для автомобильных и тракторных дизелей.
Ключевые слова: дизельный двигатель, дизельное топливо, подсолнечное масло, смесевое биотопливо.
Utilization of sunflower oil as a fuel for diesel engines
V.A. Markov, S.N. Devyanin, V.V. Markovа
Possible ways of utilizing sunflower oil as a fuel for diesel engines are considered. Experimental work on D-245.12C diesel engine fueled with mixture of sunflower oil and diesel fuel of different percentage has been carried out. Possibility of exhaust toxicity characteristics improvement by using these mixtures as a fuel for automotive and tractor diesel engines is demonstrated.
Keywords: diesel engine, diesel fuel, sunflower oil, biofuel mixture.
На современном этапе развития двигателестроения в качестве перспективных моторных топлив для дизельных двигателей рассматриваются растительные масла и топлива, получаемые на их основе [1, 2, 3]. Среди них можно отметить метиловые, этиловые и бутиловые эфиры растительных масел, смесевые биотоплива различного состава, эмульгированные топлива. При производстве этих топлив могут быть использованы растительные масла из непищевого сектора - просроченные, низкосортные и загрязненные (в частности, получаемые экстрагированием из уже отжатого жмыха с использованием растворителей нефтяного происхождения - бензина, гексана, других
индивидуальных углеводородов). Одним из видов сырья для производства моторных топлив являются фритюр-ные масла, использованные в пищевой промышленности и системе общественного питания и подлежащие утилизации. Эта сырьевая база достаточно обширна. Например, в Японии ежегодные отходы фритюрных растительных масел составляют 400600 тыс. т [4]. Наконец, растительное сырье для производства моторных топлив целесообразно выращивать на сельскохозяйственных землях, которые не могут быть использованы для производства продуктов питания - на загрязненных почвах, на площадях, прилегающих к автомобильным магистралям, вблизи вредных
производств, в других экологически неблагоприятных условиях.
В условиях Российской Федерации привлекательным представляется использование в качестве топлива для ДВС подсолнечного масла (ПМ), наиболее распространенного в России - объем его производства составляет более 80 % от общего объема производства растительных масел. Проведены исследования по использованию ПМ в качестве топлива для дизелей в чистом виде, в смесях с дизельным топливом и в виде метилового эфира подсолнечного масла [5-9]. Ряд работ посвящен утилизации в дизелях отработанного фритюрного ПМ [4,10,11], но при этом недостаточно изучена проблема использования ПМ и топлив на его основе в современных отечественных дизелях.
Возможность использования ПМ в качестве топлива для дизелей определяется физико-химическими свойствами этого растительного масла. Как и другие растительные масла ПМ по своей химической структуре представляет собой смесь глицери-дов жирных кислот (моно-, ди- и три-ацилглицеридов) - сложных эфиров глицерина и различных жирных кислот [12]. При этом жирнокислотный состав ПМ включает как ненасыщенные жирные кислоты (линолевая, олеиновая, линоленовая), так и насыщенные кислоты (пальмитиновая, стеариновая, арахиновая, миристиновая). Вне зависимости от сорта подсолнечника ПМ всегда имеет только четыре жирные кислоты с относительным содержанием свыше 2,5 %. Этим ПМ отличается от рапсового масла, имеющего более разнообразный жирно-кислотный состав (табл. 1).
Проведенный анализ показывает, что по своим физико-химическим свойствам ПМ близко к традиционным дизельным топливам (ДТ) и может быть использовано в качестве топлива для дизельных двигателей. Особенностью подсолнечного масла является наличие в его составе достаточно большого количества кислорода (около 10 %, табл. 2). Это приводит к некоторому снижению его теплоты сгорания. Так, низшая теплота
сгорания ПМ составляет 36-37 мДж/кг против 42-43 мДж/кг у дизельных топлив, практически не содержащих кислорода. Но присутствие в ПМ кислорода снижает температуру его сгорания в дизельных двигателях и значительно улучшает экологические свойства этих топлив. В частности, в проведенных исследованиях дизелей, работающих на ПМ, отмечается снижение дымности отработавших газов (ОГ). Подсолнечное масло практически не содержит серу (в отечественных дизельных топливах массовая доля серы достигает 0,2 %). Это позволяет значительно снизить выбросы в атмосферу оксидов серы, образующихся в камере сгорания дизеля.
Для подтверждения возможности использования ПМ в качестве моторного топлива проведены экспериментальные исследования дизеля Д-245.12С (4ЧН 11/12,5) Минского моторного завода, устанавливаемого на малотоннажные грузовые автомобили ЗиЛ-5301 «Бычок» (табл. 3).
Дизель исследован на моторном стенде АМО «ЗиЛ» на режимах внешней скоростной характеристики и режимах 13-ступенчатого испытательного цикла Правил 49 ЕЭК ООН с установочным УОВТ 0=13° поворота коленчатого вала до ВМТ и неизменным положением упора дозирующей рейки (упора максимальной подачи топлива). Моторный стенд был оборудован комплектом необходимой измерительной аппаратуры. Дымность ОГ измерялась с помощью ручного дымомера МК-3 фирмы НагШде (Великобритания) с погрешностью измерения ±1 %. Концентрации N0^ СО, СНх в ОГ определялись газоанализатором БАЕ-7532 фирмы Yanaco (Япония) с погрешностями измерения указанных компонентов ±1 %. Исследовалось товарное дизельное топливо и рафинированное дезодорированное ПМ, производимое Не-винномысским маслоэкстракционным заводом (см. табл. 2).
На первом этапе испытания дизеля Д-245.12С проводились на ДТ и на смесевом биотопливе, содержащем 80 % ДТ (по объему) и 20 % ПМ. В связи с большей плотностью р и повышенной вязкостью V смеси ДТ и ПМ
Ne 80
60
40
20
Ст, кг/ч 18
14
10
S
Кх,% 30
10
кВт
Я-* - 1 О-----0-2
Ne г1 ----
И"
>
Ме J
Á —~ Гн _____
GT ь г
в*-*
У
,-0—< г
х—^с
V Кх
_ I
---- ----
8« -Л "V
О" -О- -Í 1_____ Р—-1 г
I---1
Ме, Им
3S0
320
280
«
2,4
2,0 1,6
в», Г
кВт ч 260
240
1000
1400
1800
2200
220 П, МИН'1
Рис. 1. Зависимость эффективной мощности крутящего момента Ме, расхода топлива бт, коэффициента избытка воздуха а, дымности ОГ Кх и удельного эффективного расхода топлива де от частоты вращения п коленчатого вала дизеля Д-245.12С на режимах внешней скоростной характеристики при использовании различных топлив: 1 - ДТ; 2 - смесь 80 % ДТ и 20 % ПМ
Таблица 1
Жирно-кислотный состав подсолнечного и рапсового масел
Кислота Массовая доля жирных кислот в маслах, %
Подсолнечное Высокоолеиновое подсолнечное Рапсовое
Миристиновая (С 14:0) До 0,2 - До 0,2
Пальмитиновая (С 16:0) 5,6-7,6 4,2-4,6 1,5-6,0
Пальмитолеиновая (С 16:1) До 0,3 - До 3,0
Стеариновая (С 18:0) 2,7-6,5 4,1-4,8 0,5-3,1
Олеиновая (С 18:1) 14,0-39,4 61,0-69,8 8,0-60,0
Линолевая (С 18:2) 50,0-75,0 21,9-28,4 11,0-23,0
Линоленовая (С 18:3) До 0,2 - 5,0-13,0
Арахиновая (С 20:0) 0,2-0,4 До 0,7 До 3,0
Гадолеиновая (С 20:1) До 0,2 До 0,5 3,0-15,0
Эйкозадиеновая (С 20:2) - - До 1,0
Бегеновая (С 22:0) 0,5-1,3 0,7-1,2 До 2,0
Эруковая (С 22:1) До 0,2 - 2,0-60,0
Докозадиеновая (С 22:2) До 0,3 - До 2,0
Лигноцериновая (С 24:0) 0,2-0,3 - До 2,0
Нервоновая (С 24:1) - - До 3,0
Примечание. В обозначении жирных кислот (например, С 18:3) первая цифра - число атомов углерода С, вторая - число двойных связей.
Таблица 2
Физико-химические свойства исследуемых топлив
Топлива
Физико-химические свойства ДТ ПМ 95 % ДТ + 5 % ПМ 90 % ДТ + 10 % ПМ 80 % ДТ + 20 % ПМ
Плотность при 20 °С, кг/м3 830 923 834,7 839,3 848,6
Вязкость кинематическая (мм2/с ) при температуре, °С 20 40 100 3,8 2,4 1,0 72,0 31,0 8,0 5,0 6,0 8,0
Коэффициент поверхностного натяжения а при 20 °С, мН/м 27,1 33,0 - - -
Теплота сгорания низшая, кДж/кг 42500 37000 42100 41900 41400
Цетановое число 45 33 - - -
Температура, °С самовоспламенения помутнения застывания 250 -25 -35 320 -7 -18 - - -
Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг 14,3 12,4 14,2 14,1 13,9
Массовая доля, % С Н О 87,0 12,6 0,4 77,6 11,5 10,9 86,5 12,5 1,0 86,1 12,5 1,4 85,1 12,4 2,5
Массовая доля серы, % 0,20 0,002 0,19 0,18 0,16
Коксуемость 10%-ного остатка, % по массе 0,2 0,5 - - -
Примечание. «-» - свойства не определялись; для смеси ДТ и ПМ указана объемная доля компонентов, %.
в сравнении с чистым ДТ (см. табл. 2) при испытаниях на режимах внешней скоростной характеристики отмечен рост часового расхода смесевого биотоплива в сравнении с расходом ДТ. Так, на режиме максимальной мощности при п=2400 мин-1 часовые расходы ДТ и смесевого биотоплива оказались равны соответственно Ст=19,70 и 20,20 кг/ч, а на режиме максимального крутящего момента при п=1600 мин-1 - G =13,72 и 14,10 кг/ч
т
(рис. 1). Но при этом теплотворная способность смесевого биотоплива несколько ниже теплотворной способности ДТ. Поэтому при переводе дизеля Д-245.12С с ДТ на смесевое биотопливо его эффективная мощность Ме и крутящий момент Ме снижаются. На режиме максимальной мощности при п=2400 мин-1 такой перевод дизеля на смесь 80 % ДТ и 20 % ПМ приводит к уменьшению Ме с 317 до 313 Н^м, а на режиме максимального крутящего момента при п=1600 мин-1 - с 368 до 364 Н^м. Такое незначительное снижение мощностных показателей не требует изменения исходных регулировок дизеля.
В связи с наличием в молекулах ПМ значительного количества кислорода для сгорания смеси ДТ и ПМ требуется меньшее количество воздуха. Поэтому, несмотря на больший часовой расход Gт смесевого биотоплива, коэффициент избытка воздуха а несколько возрастает в сравнении с работой на ДТ. Это благоприятно сказывается на показателях дизеля. В частности, использование смеси ДТ и ПМ приводит к значительному снижению дымности ОГ Кх во всем диапазоне скоростных режимов. При переводе дизеля с ДТ на смесевое топливо на режиме максимальной мощности при п=2400 мин-1 дымность ОГ снизилась с 14,5 до 11,0 % по шкале Хартриджа, на режиме максимального крутящего момента при п=1600 мин-1 - с 20,0 до 14,0 %, а на режиме с п=1080 мин-1 - с 38,0 до 27,5 %.
Наличие в молекулах ПМ атомов кислорода и его пониженная теплотворная способность приводят к тому, что при работе дизеля на смеси ДТ и ПМ удельный эффективный
расход топлива де несколько увеличивается в сравнении с работой на ДТ: на режиме максимальной мощности при п=2400 мин-1 удельный эффективный расход топлива де возрос с 246,8 до 256,2 г/(кВт^ч), а на режиме максимального крутящего момента при п=1600 мин-1 - с 222,6 до 231,1 г/(кВт^ч).
Характеристики часового расхода топлива Gт свидетельствуют о том, что замена ДТ смесью ДТ и ПМ приводит к увеличению Gт на всех исследованных режимах 13-ступен-чатого цикла. Так, на режиме холостого хода при минимальной частоте вращения п=900 мин-1 Gт увеличивается с 0,80 до 0,83 кг/ч, на режиме максимального крутящего момента при п=1600 мин-1 - с 13,76 до 14,04 кг/ч, на режиме максимальной мощности при п=2400 мин-1 - с 19,70 до 20,06 кг/ч (рис. 2).
Концентрация в ОГ оксидов азота СМОх снижается на всех режимах 13-ступенчатого цикла (рис. 3): на режиме холостого хода при п=900 мин-1 - с 0,0150 до 0,0135 %; на режиме максимального крутящего момента при п=1600 мин-1 - с 0,0680 до 0,0615 %; на режиме максимальной мощности при п=2400 мин-1 - с 0,0605 до 0,0550 %. Максимальная концентрация ИОх в ОГ (СМОх=0,0760 %) отмечена при работе дизеля Д-245.12С на ДТ на режиме с п=1600 мин-1 и нагрузкой Ме=277-280 Н^м. При работе дизеля на этом режиме на смеси ДТ и ПМ содержание ИОх в ОГ снизилось до С|П =0,0700 %. Х
ИОх '
Содержание монооксида углерода в ОГ ССО слабо зависит от типа топлива практически на всех режимах 13-сту-пенчатого цикла (рис. 4). При переводе дизеля с ДТ на смесь ДТ и ПМ на режиме холостого хода при п=900 мин-1 содержание монооксида углерода в ОГ ССО снизилось с 0,0330 до 0,0300 %, на режиме максимального крутящего момента при п=1600 мин-1 - с 0,0315 до 0,0285 %, на режиме максимальной мощности при п=2400 мин-1 - напротив увеличилось с 0,0165 до 0,0170 %. Наибольшие различия содержания монооксида углерода в ОГ отмечены на режиме с п=1600 мин-1 и
Таблица 3
Некоторые параметры дизеля Д-245.12С (4 ЧН 11/12,5)
Параметры Значение
Тип двигателя Четырехтактный, рядный, дизельный
Число цилиндров 4
Диаметр цилиндра 0, мм 110
Ход поршня Б, мм 125
Общий рабочий объем ¡Уь, л 4,32
Степень сжатия £ 16,0
Система турбонаддува Турбокомпрессор ТКР-6 Борисовского завода автоагрегатов
Тип камеры сгорания, способ смесеобразования Камера сгорания типа ЦНИДИ, объемно-пленочное смесеобразование
Номинальная частота вращения п, мин1 2400
Номинальная мощность Ые, кВт 80
Система питания Разделенного типа
Топливный насос высокого давления (ТНВД) Рядный типа PP4M10U1f фирмы Motorpal с всережимным центробежным регулятором
Диаметр плунжеров ТНВД дт, мм 10
Ход плунжеров ТНВД hm, мм 10
Длина нагнетательных топливопроводов ¿т, мм 540
Форсунки Типа ФДМ-22 производства ОАО «Куроаппаратура» (г. Вильнюс)
Распылители форсунок Фирмы Motorpal типа DOP 119S534 с пятью сопловыми отверстиями диаметром d=0,34 мм и проходным сечением ^=0,250 мм2
Давление начала впрыскивания форсунок р , МПа 21,5
Таблица 4
Показатели дизеля Д-245.12С, работающего ДТ и смесях ДТ и ПМ
Показатели дизеля Объемная концентрация ПМ в смесевом топливе, %
0 5 10 20
Удельный эффективный расход топлива д, г/(кВт^ч): на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 246,8 222,6 248,1 224,6 251,3 226,9 256,2 231,1
Эффективный КПД дизеля на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 0,343 0,381 0,350 0,386 0,355 0,393 0,357 0,395
Дымность ОГ, К, % по шкале Хартриджа: на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 14,5 20,0 12,5 16,5 12,0 15,0 11,0 14,0
Интегральный удельный выброс на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла, г/(кВт^ч): оксидов азота, еМОх монооксида углерода, еСО несгоревших углеводородов, еСНх 6,630 2,210 0,580 6,626 2,146 0,563 6,649 2,091 0,580 6,078 2,257 0,647
Сек,-10",%
Сснх-10^,%
500
250
П=2400мин"1 х-х-1 ... -О - 2
\ П=900 мин"1
п=1600 мин'1 X
250
100
200
300 Ме.Нм
Рис. 5. Зависимость объемной концентрации в ОГ углеводородов Сснх от скоростного и нагрузочного режимов (частоты вращения п и крутящего момента М) дизеля Д-245.12С при использовании различных топлив: 1 - ДТ; 2 - смесь 80 % ДТ и 20 % ПМ
Ме=40,0-41,2 Н^м. При работе на ДТ ССО=0,0330, а при работе на смеси ДТ и ПМ оно возросло до ССО=0,039.
Тип топлива сравнительно слабо влияет и на концентрацию в ОГ дизеля несгоревших углеводородов ССНх (рис. 5). На режиме холостого хода при п=900 мин-1 перевод дизеля Д-245.12С с ДТ на смесь ДТ и ПМ приводит к увеличению содержания углеводородов в ОГ ССНх с 0,0190 до 0,0215%, на режиме максимального крутящего момента при п=1600 мин-1 - с 0,0073 до 0,0095 %, на режиме максимальной мощности при п=2400 мин-1 - с 0,0100 до 0,0108%. Однако при использовании смеси ДТ и ПМ на ряде режимов эмиссия углеводородов уменьшается. В частности, на режиме с частотой вращения п=1600 мин-1 и нагрузкой Ме=40,0-41,2 Н^м содержание углеводородов в ОГ ССНх снизилось с 0,0280% при работе на ДТ до 0,0270 % при работе на смеси ДТ и ПМ.
По приведенным данным содержания в ОГ СШх, СсО, ССНх рассчитаны интегральные удельные массовые выбросы токсичных компонентов на режимах13-ступенчатого цикла (табл. 4), которые подтверждают возможность заметного снижения дымности ОГ, а также выбросов оксидов азота при переводе дизеля с ДТ на смесь 80% ДТ и 20 % ПМ.
Аналогичные характеристики определены и при испытаниях дизеля Д-245.12С на смесях 90 % ДТ с 10 % ПМ и 95 % ДТ с 5 % ПМ. По результатам этих исследований определены интегральные удельные массовые выбросы токсичных компонентов ОГ на режимах 13-ступенчатого цикла по общепринятой методике. Оценка топливной экономичности дизеля проведена по условному среднеэксплуатационно-му удельному эффективному расходу топлива на режимах 13-ступенчатого цикла де усл, который определялся с использованием зависимости
¿=1 ¿=1
где бт. - часовой расход топлива на ¡-м режиме; Ме.- мощность двигателя на этом режиме; К - коэффициент, отражающий долю времени каждого режима; - номер режима.
Поскольку исследуемое смесе-вое биотопливо имеет меньшую теплотворную способность, топливная
экономичность дизеля при его работе на различных топливах оценивалась не удельным эффективным расходом топлива де, а эффективным КПД двигателя пе- Причем для интегральной оценки работы дизеля на режимах 13-ступенчатого цикла использован условный эффективный КПД, определяемый в виде
Т|е уел =
где Ни - низшая теплота сгорания исследуемого топлива, МДж/кг.
Результаты проведенных исследований сведены в табл. 4.
Таким образом, проведенный комплекс экспериментальных исследований подтвердил возможность эффективной работы транспортного дизеля на смесях ДТ и ПМ. Использование ПМ в качестве топлива для дизелей позволяет не только обеспечить частичное замещение нефтяных моторных топлив альтернативными биотопливами, получаемыми из возобновляемых источников энергии, и утилизацию растительных масел, не пригодных к пищевому использованию, но и улучшить показатели токсичности ОГ дизельного двигателя.
Литература
1. Работа дизелей на нетрадиционных топливах: Учебное пособие // В.А. Марков, А.И. Гайворонский, Л.В. Грехов и др. М: Изд-во «Легион-Автодата», 2008. - 464 с.
2. Девянин С.Н., Марков В.А., Семенов В.Г. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей. - М.: Издательский центр ФГОУ ВПО МГАУ, 2008. - 340 с.
3. Васильев И.П. Влияние топлив растительного происхождения на экологические и экономические показатели дизеля. - Луганск: Изд-во Восточноукраинского университета им. В. Даля, 2009. - 240 с.
4. Hamasaki K., Tajima H., Takasaki K. et al. Utilization of Waste Vegetable Oil Methyl Ester for Diesel Fuel // SAE Technical Paper Series. 2001. № 2001-01-2021. - P. 1-6.
5. Baranescu R.A., Lusco J.J. Sunflower Oil as a Fuel Extender in Direct-Injection Turbo-charged Diesel Engines // SAE Technical Paper Series. 1982. № 820260. - P. 1-14.
6. Zubik J., Sorenson S.C., Goering C.E. Diesel Engine Combustion of Sunflower Oil Fuels // Transactions of the ASAE. 1984. Vol. 27. № 5. - P. 1252-1256.
7. Cigizoglu B.K., Ozaktas T., Karaosmanoglu F. Used Sunflower Oil as an Alternative Fuel for Diesel Engines // Energy Sources. 1997. Vol. 19. № 6. - P. 559-566.
8. Karaosmanoglu F., Kurt G., Ozaktas T. Direct Use of Sunflower Oil as a Compression-Ignition Engine Fuel // Energy Sources. 2000. Vol. 22. № 7. - P. 659-672.
9. Ikilic C., Yucesu H. Investigation of the Effect of Sunflower Oil Methyl Esther on the Performance of a Diesel Engine // Energy Sources. 2006. Vol. 27. № 13. - P. 1225-1234.
10. Morimune T., Yamaguchi H., Konishi K. Exhaust Emissions and Performance of Diesel Engine Operating on Waste Food-Oil // Transactions of the JSME. Ser. B. 2000. Vol. 66. № 641. - P. 294-299.
11. Sendari A., Fragioudakis K., Kalligeros S. et al. Impact of Using Biodiesels of Different Origin and Additives on the Performance of a Stationary Diesel Engine // Transactions of the ASME. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2000. Vol. 122. № 4. - P. 624-631.
12. Химия жиров / Б.Н. Тютюнников, З.И. Бухштаб, Ф.Ф. Гладкий и др. - М.: Колос, 1992. - 448 с.
евШУ Wayne
Российская Федерации, 115114, г.Москоа, ул. Дерйеневс*:зв, д.1, стр.1, подъезд 20 Тел. 1495) 645 -82-64, 5&5 -12-77 Факс (495) 585-12-79 igof.ctvjtyak
Производитель Компрессорного Оборудования
Компания Оге$5ЕГ Мэупе - ведущий производитель комплексных решений е области природного газа
" 1 ~ а
¡ ~ Üf> Г St.
Система удаленного «оитролп и д-'jrкостили
- моделирование реальных рабочих условий
- информация о еооджных причина неполадок
- систем* * своевременного обслуживания ► проти воаеарийнск? предупреждение
- /доенный мочлорипг через модем
или другие коы**унн«чионные устройства
Компрессорные установки CU BOGAS® Дек азан нал эффективность Несравнимый опыт
- различные конфигурации го тип/ заправок {медленная, быстрая, смешанная)
- СПециЭлъные №рСии ui-T.il йщплинчых ТРК
(бензин^дизель-метан, пропан буган мнын и
- большой выбор моделей, установок CUBO' обеспечивающих максимальную гибкость а р,
- проверенные технологии
повышенная эффективность и снижение aaipj ' гарантия безопасности ■ легкость а установке и ойууживднни
Í! ^
