CC BY
31(Щ
Альтернативное моторное топливо
Использование рапсового масла в топливах для дизелей
С.Н. Девянин,
профессор МГАУ им. В.П. Горячкина, д.т.н., В.А. Марков,
профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н., Л.И. Быковская,
аспирантка МГАУ им. В.П. Горячкина, В.В. Маркова,
аспирантка МГАУ им. В.П. Горячкина
Проведен анализ возможности использования растительного масла в качестве топлива для дизелей. Показана целесообразность применения рапсового масла или метилового эфира рапсового масла для топливных целей в России в виде биодобавки к нефтяному топливу. Применение биодобавок на основе рапсового масла позволяет улучшить экологические характеристики дизеля.
Ключевые слова: биотопливо, дизель, топливо для дизеля, рапсовое масло, метиловый эфир рапсового масла, смесевое биотопливо.
Analysis of the possibility of using rapeseed oil in the fuel for diesel engines
S.N. Devianin, V.A. Markov, L.I. Bykovskaya, V.V. Markova
The analysis of the possibility of using vegetable oil as fuel for diesel engines. Rapeseed oil or rapeseed oil methyl ester should be used as a fuel for diesel engines in Russia, but only as bioadditives for fuel from oil. The use of bioadditives based on rapeseed oil can improve the environmental performance of diesel.
Keywords: biofuels, diesel engine, fuel for diesel engines, rapeseed oil, rapeseed oil methyl ester, biofuel mixture.
Вопрос поиска топлив, альтернативных нефтяным, возник в связи с истощением нефтяных запасов и ростом дефицита нефти, которые приводят к увеличению цен на топливо, а значит и на производимую и перевозимую продукцию. Альтернативное топливо для дизелей, чтобы стать достойной заменой нефтяному, должно обладать физико-химическими свойствами, близкими к дизельному. В этом случае переход на новое топливо произойдет постепенно, без значительных изменений в конструкции дизелей, а значит без
существенных капиталовложений и достаточно быстро.
Вместе с тем выбор альтернативного топлива должен учитывать его запасы на ближайшее столетие, эко-логичность, энергоемкость, агрессивность и т.д. В настоящее время, когда улучшение экономических и экологических показателей дизелей при их работе на дизельном топливе нефтяного происхождения для обеспечения экологических норм требует огромных затрат и поиск альтернативного топлива становится все более актуальным, появляется необходимость
создания такого альтернативного топлива, которое отвечало бы оптимальным требованиям и в первую очередь по экологии.
Недостаток ископаемых энергоресурсов и экологическая безопасность являются основными проблемами мобильных машин. С каждым годом эти проблемы обостряются, и их решение пытаются найти в возобновляемых энергоресурсах. Активность внедрения биотоплива в развитых странах Европы, Америки и Азии обострила проблемы, связанные с его производством и использованием:
■ противоречие с обеспеченностью продовольствием;
■ обеспечение сырьевыми ресурсами;
■ стоимость биотоплива в сравнении с нефтяным;
■ эффективность использования в ДВС;
■ законодательное обеспечение применения биотоплив;
■ надежность работы техники и др.
В качестве сырьевой базы для обеспечения топливом дизелей рассматриваются следующие источники:
■ нефть (дизельное топливо);
■ растительное масло (масло, эфиры масла);
■ природный газ (диметиловый эфир, синтетические топлива);
■ биомасса (синтетические топлива);
■ производственные и бытовые отходы (синтетические топлива);
■ животные жиры (эфиры жиров) и др.
Если в развитых зарубежных странах, где наиболее остро ощущается энергетический голод, уже давно эксплуатируется техника на биотопливе и с каждым годом объемы его производства растут, то в России дальше экспериментальных испытаний дело не продвинулось. И хотя в 2005 г. появился ГОСТ 52368-2005 на дизельное топливо, допускающий применение до 5 % эфира рапсового масла (РМ), отечественные производители пока разрешение на применение эфира на своей технике не дают.
Европа ориентируется на использование в качестве энергоносителя
SÜSS Л Ф® eü# J^tefet Щ фЩ
«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (20) март 2011 г.
Альтернативное моторное топливо
рапсового масла, что обусловлено следующими причинами:
■ высокой урожайностью масло-семян - до 40 ц/га;
■ содержанием масла в семенах - до 50 %;
■ соответствием переработанного рапсового масла требованиям эксплуатируемых сейчас дизелей;
■ востребованностью жмыха для животноводства;
■ повышением урожайности зерновых на 10-20 % при предварительном посеве рапса на тех же площадях.
Следует отметить, что при производстве рапсового масла около 60 % от переработанного урожая семян составляет рапсовый жмых, который представляет собой ценный белковый продукт. В настоящее время он используется только в качестве кормовой добавки в животноводстве и птицеводстве. Технологии его переработки и использования в качестве продуктов питания еще не разработаны. Широкое распространение этой культуры для топливных целей позволяет существенно увеличить также и производство калорийных продуктов питания для решения продовольственной проблемы.
В дизелях применяют как рапсовое масло (стандарты EN 590:2004, DIN 51 605), так и метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ), отвечающего требованиям стандарта DIN EN 14 214 (ASTM D6751). Техника эксплуатируется на чистых РМ или МЭРМ, а также в смесях с дизельным топливом. Производители техники оговаривают модификации двигателей, на которых допускается использование альтернативных биотоплив. Система производства биодизеля и топливозаправок уже хорошо развита [1].
Россия пока находится в самом начале пути и вопрос технологии использования биотоплива в дизелях не решен. На некоторых предприятиях России проводятся экспериментальные работы по использованию РМ в дизелях, причем стараются обеспечить работу на одном только масле, что не оправданно по многим причинам.
Эффективная работа дизеля на топливе с другими физико-химическими свойствами, которыми обладают
растительные масла в отличие от нефтяного дизельного топлива (ДТ), не может быть обеспечена во всем диапазоне рабочих режимов без существенной переделки двигателя. Существующие дизели на ДТ дорабатывались производителями по мощностным и экономическим показателям. Для этого топлива подобраны конструктивные параметры топливной аппаратуры, форма камеры сгорания, наддув, газообмен и т.д. Поэтому применение только масла в качестве топлива приводит к ухудшению мощностных и экономических показателей.
Ухудшение процесса смесеобразования при работе дизеля только на масле приводит к затягиванию сгорания, увеличению температуры отработавших газов, перегреву двигателя, повышению тепловой напряженности деталей цилиндропоршневой группы, выпускных клапанов и турбокомпрессора. Это снижает ресурс двигателя. Решение этих проблем требует изменений конструкции двигателя или использования растительного масла в виде смеси с ДТ.
Кроме конструктивных проблем, существует и вопрос обеспечения сырьевыми ресурсами. Если рассмотреть условия производства рапса в России, то простые расчеты показывают следующее. Посевные площади в РФ составляют около 120 млн га и, естественно, все их ежегодно задействовать под рапс нельзя. Но если даже на всех площадях включить рапс в севооборот один раз в 4 года при средней урожайности в РФ до 1,5 т/га, то можно получать ежегодно валовой сбор рапса около 45 млн т, а после отжима - около 15 млн т рапсового масла. Ежегодное потребление дизельного топлива в РФ приближается к 70 млн т. Таким образом, доля производимого РМ или МЭРМ может составлять около 20...30 % от производимого количества дизельного топлива.
Использование перспективных сортов рапса позволяет поднять урожайность семян на 70 % и содержания масла в них на 7 %, что может увеличить производство рапсового масла до 80 % и повысить соотношение РМ или МЭРМ и дизельного топлива до 50:50. Следовательно, разрабатывать массовый дизель для работы на
одном РМ или МЭРМ нецелесообразно. Необходимо искать компромисс в использовании топлива в виде смеси.
Стоимость топлива из рапсового масла - один из барьеров, сдерживающих его применение, в том числе и в России. В Европе доля его стоимости в цене на биодизель составляет около 60 %. Поэтому для расширения использования биодизеля важно снизить затраты на производство РМ. Среди основных факторов, позволяющих уменьшить его цену, следует отметить следующие: повышение урожайности, снижение потерь при уборке и хранении, расширение сферы использования рапсового жмыха, снижение энергозатрат при отжиме масла и увеличение общего производства рапса.
Анализ затрат производства рапсового масла показывает, что уже при урожайности 1 т/га стоимость рапсового масла с учетом реализации жмыха становится соизмеримой с ценой на дизельное топливо (23.26 руб./кг). Дальнейшее повышение урожайности приводит к увеличению прибыли производителя в случае замещения дизельного топлива маслом. При использовании МЭРМ экономическую выгоду можно получать уже при урожайности, превышающей 2.2,5 т/га. При этом анализ не учитывает экологического эффекта от использования биодобавок к топливу.
Испытания отечественных дизелей показывают, что добавка рапсового масла к дизельному топливу до 50 % без дополнительной регулировки обеспечивает их работу без снижения мощности и эффективного КПД. Выбросы нормируемых токсичных компонентов зависят от концентрации рапсового масла в топливе. Для дизелей различных марок влияние концентрации рапсового масла на токсичные составляющие в отработавших газах различно и зависит от конструкции дизеля, организации процессов смесеобразования и сгорания, режима работы и т.д. Однако для всех дизелей существенно снижается дымность при добавке растительного масла в топливо [1].
Для дизеля Д-245 [2] добавка рапсового масла к топливу до 25.40 % приводит к некоторому увеличению
«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (20) март 2011 г.
Альтернативное моторное топливо
^ЫОх* ес0, Öqhi Г/(кВтч)
6c0i ®СНр Г/(кВт ч}
®NO*
есо
.--^всн
20
а
40 с РИ,%
eNOl
Bqo
вен
20 do Смэрм . %
б
Рис. 1. Влияние биодобавки в топливе на экологические показатели дизеля Д-245, усредненные по Правилам ЕЭК ООН № 49 (емо*' есо- есн - удельные выбросы оксидов азота, оксида углерода и углеводородов; СРМ, СМЭРМ - доля РМ и МЭРМ в топливе):
а - добавка РМ; б - добавка МЭРМ
мощности и крутящего момента дизеля. Повышение удельного расхода топлива пропорционально уменьшению его теплотворной способности при добавлении масла, имеющего меньшую энергоемкость, чем дизельное топливо. Снижение дымности наиболее существенно на режиме максимального крутящего момента и эффективность снижения выше при добавке масла до 40 %.
Добавки МЭРМ оказывают аналогичное влияние на мощностные, экономические и экологические показатели дизеля [3] и приводят к снижению дымности отработавших газов на полной нагрузке. Наибольший эффект снижения наблюдается при добавке МЭРМ до 20...40 %. Уменьшение дымности при добавке МЭРМ и РМ объясняется повышением содержания кислорода в топливе, причем концентрация кислорода больше в тяжелых фракциях, которые догорают в последнюю очередь в пристеночных зонах камеры сгорания с недостатком кислорода.
По представленным графикам токсичных составляющих (рисунок), усредненных по области рабочих режимов дизеля (Правила ЕЭК ООН № 49), видно, что при добавке РМ только содержание монооксида углерода СО увеличивается, по остальным отмечается снижение вредных выбросов.
При использовании в качестве биодобавки МЭРМ выбросы монооксида углерода СО существенно уменьшаются уже при добавке метилового эфира в топливо до 5 %, и дальнейшее увеличение МЭРМ мало сказывается на снижении СО. Выбросы углеводородов СН практически не изменяются при добавке МЭРМ до 60 %. Более сложный характер изменения выбросов оксидов азота Шх. Минимальные выбросы обеспечиваются при добавке МЭРМ 15.25 % и становятся больше, чем при работе на дизельном топливе, при добавке более 40 %.
Следует отметить, что полученный эффект от добавки РМ или МЭРМ в топливо достигнут без доводки процессов в дизеле, которые оптимизированы для работы на дизельном топливе. Биодобавка в дизельное топливо меняет его физико-химические характеристики и качество протекания процессов, при этом их оптимизация нарушается. При доведении процессов дизеля для работы на смеси с заданной концентрацией РМ или МЭРМ показатели могут быть еще более улучшены.
В заключении можно отметить следующее:
■ Рапсовое масло или его эфир как энергоноситель следует рассматривать в виде смеси с дизельным топливом как биодобавку, улучшаю-
щую экологические характеристики дизеля.
■ Ресурсы по производству рапсового масла позволяют заместить до 50 % нефтяной составляющей в топливе для дизелей.
■ РМ и МЭРМ могут добавляться к ДТ (до 30 %) без дополнительной регулировки дизеля с сохранением его мощности и КПД, что позволяет внедрять эту технологию без переделки существующих дизелей.
■ Использование РМ и МЭРМ в качестве добавок к нефтяному топливу приводит к улучшению экологических характеристик дизеля практически по всем составляющим во всем диапазоне рабочих режимов дизеля.
Литература
1. Девянин С.Н., Марков В.А., Семенов В.Г. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей. М.: Изд-во МГАУ им. В.П. Горячкина, 2008. - 427 с.
2. Марков В.А., Коршунов Д.А., Девянин С.Н. Работа дизелей на растительных маслах // Грузовик &. - 2006. - № 7 - С. 33-46.
3. Марков В.А., Зенин А.А., Девянин С.Н., Черных В.Н. Метиловый эфир рапсового масла - новое топливо для отечественных дизелей // Автомобильная промышленность. - 2008. - № 4. - С. 8-11.
НИ ЙЯЯЯЯ Л Ф® «О» J^tefet Щ фЩ
«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (20) март 2011 г.
