Использование смесей дизельного топлива и метилового эфира подсолнечного масла в качестве топлива для транспортных дизелей Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 621.436

Использование смесей дизельного топлива и метилового эфира подсолнечного масла в качестве топлива для транспортных дизелей

В.А. Марков1, С.Н. Девянин2, С.А. Нагорнов3, С.С. Лобода1

1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия

2 МГАУ им. В.П. Горячкина, Москва, 105005, Россия

3 ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии, Тамбов, 392022, Россия

Показаны преимущества использования в дизелях биотоплив, производимых на основе растительных масел. Приведены результаты экспериментальных исследований дизеля типа Д-245.12С малотоннажного автомобиля ЗИЛ-5301 «Бычок», работающего на смесях дизельного топлива и метилового эфира подсолнечного масла. Подтверждена возможность значительного улучшения показателей токсичности отработавших газов исследуемого дизеля при его работе на смесевом биотопливе.

Ключевые слова: дизельный двигатель, дизельное топливо, подсолнечное масло, метиловый эфир подсолнечного масла, смесевое биотопливо, токсичность отработавших газов.

Сокращение запасов нефтяных месторождений, повышение цен на нефть и нефтепродукты, острые экологические проблемы мегаполисов приводят к необходимости поиска альтернативы нефтяным топливам. При этом наиболее перспективны моторные топлива, производимые из возобновляемых сырьевых ресурсов, в первую очередь из сырья растительного происхождения [1, 2]. Эта сырьевая база является практически неисчерпаемой.

В качестве моторного топлива для дизельных двигателей все более широкое применение находят топлива, получаемые из растительных масел [3, 4]. Для централизованного снабжения мегаполисов моторными топливами в наибольшей степени подходят сложные эфиры таких масел (их называют также биодизельным топливом) — они имеют физико-химические свойства, достаточно близкие к свойствам нефтяных дизельных топлив (ДТ). Кроме того, эти эфиры хорошо смешиваются с нефтепродуктами, что позволяет получать стойкие смеси, отличающиеся к тому же хорошими экологическими характеристиками.

Основой производства сложных эфиров растительных масел являются реакции этерификации, представляющие собой процесс взаимодействия жирных кислот растительных масел со спиртами. В об-

щем случае получение эфиров из кислот может быть выражено уравнением химической реакции этерификации, представленным на рис. 1 [5]. При протекании этой реакции отделившийся от спирта атом водорода Н соединяется с гидроксильной группой ОН кислоты с образованием воды, а при взаимодействии оставшихся радикалов кислоты и спирта образуется эфир.

Кислота Спирт

Рис. 1. Реакция кислоты со спиртом с образованием эфира

При этерификации жирных кислот растительных масел могут быть использованы различные спирты: метанол, этанол, пропанол, бутанол. Однако наименьшая цена моторного топлива достигается при взаимодействии жирных кислот растительных масел с метанолом.

В странах Евросоюза биодизельное топливо производится из различных растительных масел: около 84 % приходится на долю метилового эфира рапсового масла, примерно 13 % составляет метиловый эфир подсолнечного масла, по 1 % — сложные эфиры, производимые из соевого масла, пальмового масла и остальных масел [3]. В Российской Федерации представляется весьма привлекательным производство биодизельного топлива из подсолнечного масла. В 2007 г. в России произведено около 2,7 млн т растительных масел, из них на долю подсолнечного масла приходилось более 90 %. В 2012 г. производство растительных масел составило приблизительно 4,2 млн т, а подсолнечного масла — около 3,6 млн т (рис. 2). Ниже приведена доля различных растительных масел в общем объеме их производства в России в 2012 г., %:

Подсолнечное............86,84 Горчичное...............0,11

Соевое..........................7,96 Кукурузное.............0,04

Рапсовое.......................4,84 Льняное...................0,03

На долю прочих масел, к которым относятся арахисовое, оливковое, сафлоровое, хлопковое, сурепное и иные, приходится 0,18 %.

В 2008 г. посевные площади под подсолнечником в России достигли 6,17 млн га, а валовый сбор маслосемян составил 7,22 млн т. При этом общемировая посевная площадь подсолнечника равна около 14 млн га. Подсолнечное масло вызывает дополнительный интерес еще и потому, что производство биодизельного топлива может быть организовано из отработанного фритюрного подсолнечного масла, используемого в пищевой промышленности и системе общественного питания.

Производство масел, млн т

11 □ 2

¡11

— [я 1— ■I

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Годы

Рис. 2. Динамика изменения объемов производства растительных масел

в России:

1 — подсолнечное масло; 2 — прочие растительные масла

При сельскохозяйственном производстве с 1 га посевных площадей получают около 1 000 литров подсолнечного масла (около 920 кг). При производстве биодизельного топлива в результате реакции этерификации подсолнечного масла метанолом получают смесь, которой дают отстояться. Легкие верхние фракции продукта и являются метиловым эфиром подсолнечного масла (МЭПМ), или биодизельным топливом. Нижние фракции являются глицериновой фазой (глицерином с примесями). Из 1 000 кг подсолнечного масла и 150 кг метанола получают около 1 т МЭПМ и около 200 кг глицерина. Выделение высоковязкого глицерина из растительного масла позволяет значительно снизить его исходно высокую вязкость и приблизить ее к вязкости нефтяного ДТ.

Характерной особенностью биодизельных топлив, производимых из растительных масел, является присутствие в их молекулах атомов кислорода — 10...12 % (масс.); отметим, что в молекулах нефтяного дизельного топлива — 0,4 %. При сгорании биодизельного топлива наличие этого кислорода благоприятно сказывается на процессе сгорания и позволяет уменьшить выбросы с отработавшими газами (ОГ) продуктов неполного сгорания топлива. Практическое отсутствие в МЭПМ серы снижает выбросы в атмосферу оксидов серы (соединяясь с парами воды в атмосфере Земли они способствуют возникновению кислотных дождей). Поскольку в МЭПМ отсутствуют и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), в ОГ дизелей, работающих на этом топливе, отмечено существенно меньшее содержание канцерогенных веществ (бенз(а)пирен и другие ПАУ).

Одно из основных преимуществ использования биотоплив заключается в возможности сокращения выбросов в атмосферу основного

парникового газа — диоксида углерода. Это обусловлено тем, что при их сгорании, в частности при сгорании МЭПМ, выделяется примерно такое же количество СО2, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьем для производства подсолнечного масла, за весь период его жизни. При попадании в почву и в воду МЭПМ не причиняет вреда растениям и животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 1 мес. перерабатывают 99 % эфира, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озер.

Структурные формулы жирных кислот растительных масел и углеводородов ДТ подобны, поэтому все растительные масла являются горючими и могут применяться в качестве моторных топлив. Низкая испаряемость и высокая вязкость растительных масел исключают их использование в бензиновых двигателях, но их можно успешно применять в качестве топлива для дизельных двигателей. Этому способствуют сравнительно невысокая термическая стабильность растительных масел и приемлемая температура их самовоспламенения ^св = 280...320 °С), лишь немного превышающая температуру самовоспламенения дизельных топлив (св = 230.300 °С). При этом цета-новое число различных растительных масел изменяется от 33 до 50 (табл. 1), что сопоставимо с аналогичным показателем дизельных топлив (от 40 до 55) [3].

Таблица 1

Физико-химические свойства растительных масел

Физико-химическое свойство Масло

рапсовое подсолнечное соевое пальмовое оливковое хлопковое арахисовое

Плотность при ^ = = 20 °С, кг/м3 916 923 924 918 914 919 917

Кинематическая вязкость, мм2/с, при °С: 20 40 100 75,0 36,0 8,1 65,2 30,7 7,4 32,0 7,7 8,6 8,4 7,7 81,5 36,5 8,3

Цетановое число 36 33 50 49 - - 37

Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 12,6 11,1 11,2

Теплота сгорания низшая, МДж/кг 37,3 37,0 36-39 37,1 - - 37,0

Температура самовоспламенения, °С 318 320 318 315 285 316 -

Окончание табл. 1

Физико-химическое свойство Масло

рапсовое подсолнечное соевое пальмовое оливковое хлопковое арахисовое

Температура застывания, °С -20 -16 -12 +30 -12 -18 -

Содержание серы, % (масс.) 0,002 - - - - - -

Содержание, % (масс.) С Н О 78,0 10,0 12,0 77,6 11,5 10,9 77,5 11,5 11,0 77,6 12,0 11,4 - 77.1 11,7 11.2 78,0 12,3 9,7

Кислотность, мг КОН/ 100 мл топлива 4,66 2,14 0,03 0,17 5,90 0,23 -

Коксуемость 10%-ного остатка, % (масс.), не более 0,40 0,51 0,44 0,20 0,23

Примечание. Прочерк означает, что свойства не определялись.

Отличительной особенностью МЭПМ является то, что в его состав входят более тяжелые фракции, о чем свидетельствуют представленные на рис. 3 кривые фракционной разгонки этого эфира и базового ДТ [6]. Исследуемое в работе [6] базовое ДТ выкипает в пределах от 190 до 340 °С, а МЭПМ имеет диапазон температур пе-

(а,%(об.)

80

60

40

20

п о 3 о /

/ / о /

А / □ 1 0 1

/ □ / 1 0 1

У | | 2 / р 1

180 220 260 300 340 С С

Рис. 3. Зависимость количества испарившегося топлива от температуры

разгонки: 1 — базовое ДТ; 2 — МЭПМ

регонки от 310 до 360 °С. Поэтому МЭПМ отличается от ДТ заметно большими плотностью и вязкостью. Указанные отличия физических свойств МЭПМ, а также его смесей с ДТ от свойств стандартного ДТ влияют на параметры процесса топливоподачи и, следовательно, на показатели топливной экономичности и токсичности ОГ дизеля, работающего на указанных топливах.

Известен ряд работ, посвященных исследованию дизелей, работающих на МЭПМ и его смесях с ДТ [6-8]. В работе [9] приведены результаты испытаний дизеля типа Д-245.12С (4ЧН 11/12,5) на нефтяном ДТ и на смеси 95 % ДТ и 5 % МЭПМ. Вместе с тем вопрос о применении смесей МЭПМ и ДТ в качестве топлива для отечественных транспортных дизелей недостаточно изучен. Для подтверждения возможности использования этих смесей в качестве моторного топлива проведены экспериментальные исследования дизеля Д-245.12С Минского моторного завода, устанавливаемого на малотоннажные грузовые автомобили ЗИЛ-5301 «Бычок». Приведем некоторые параметры этого дизеля:

Тип двигателя..............................Четырехтактный, рядный, дизельный

Число цилиндров........................................................4

Диаметр цилиндра, мм.............................................110

Ход поршня, мм........................................................125

Рабочий объем цилиндра, л....................................1,08

Общий рабочий объем, л........................................4,32

Степень сжатия.........................................................16

Система турбонаддува...............Турбокомпрессор ТКР-6 производства

ОАО «Борисовский завод автоагрегатов» (Беларусь)

Тип камеры сгорания.......................Камера сгорания типа ЦНИДИ

Способ смесеобразования ........ Объемно-пленочное смесеобразование

Система питания.........................................Разделенного типа

Топливный насос высокого

давления (ТНВД) ............................Рядный типа РР4М10И^ фирмы

Мо1югра1 (Чехия) со всережимным центробежным регулятором

Диаметр плунжеров ТНВД, мм...............................10

Ход плунжеров ТНВД, мм.......................................10

Длина нагнетательных

топливопроводов, мм ..............................................540

Форсунки.....................................Типа ФДМ-22 производства АО «Ку-

роаппаратура» (г. Вильнюс, Литва)

Распылители форсунок ...............Типа БОР 1198534 фирмы Мо1огра1

с пятью сопловыми отверстиями диаметром 0,34 мм и проходным сечением 0,25 мм2

Давление начала впрыскивания форсунок, МПа.........................................21,5

Дизель исследован на моторном стенде АМО «ЗИЛ» на режимах внешней скоростной характеристики и режимах 13-ступенчатого испытательного цикла Правил ЕЭК ООН № 49 с установочным УОВТ 9 = 13° поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки (ВМТ) и неизменным положением упора дозирующей рейки (упора максимальной подачи топлива). Моторный стенд был оборудован комплектом измерительной аппаратуры. Дымность ОГ измеряли с помощью ручного дымомера МК-3 фирмы Наг1;пё§е (Великобритания) с погрешностью измерения ±1 %. Концентрации N0*, СО, СНХ в ОГ определяли газоанализатором 8АЕ-7532 фирмы Уаиаео (Япония) с погрешностью измерения ±1 %.

Исследовали товарное ДТ и его смеси с МЭПМ с содержанием от 5 до 40 % эфира, произведенного во Всероссийском научно-исследовательском институте использования техники и нефтепродуктов Рос-сельхозакадемии (ГНУ ВНИИТиН, г. Тамбов). Некоторые физико-химические свойства дизельного топлива, МЭПМ и указанных смесей представлены в табл. 2.

На первом этапе исследований проведены испытания дизеля Д-245.12С на чистом ДТ и на смеси 80 % ДТ с 20 % МЭПМ на режимах внешней скоростной характеристики (рис. 4). Смесь ДТ и МЭПМ имеет физические свойства, приближающиеся к свойствам ДТ, но ее плотность и вязкость несколько выше аналогичных показателей ДТ (см. табл. 2). Поэтому при переходе от ДТ к смесевому биотопливу отмечено небольшое увеличение часового расхода топлива Gт (см. рис. 4 и табл. 3). Однако крутящий момент двигателя и его эффективная мощность изменились незначительно (см. рис. 4 и табл. 3). В то же время из-за наличия в молекулах МЭПМ атомов кислорода теплотворная способность смесевого биотоплива несколько ниже теплотворной способности ДТ. Это привело к тому, что при переходе от ДТ на смесь 80 % ДТ и 20 % МЭПМ на режиме максимальной мощности с частотой вращения коленчатого вала п = 2 400 мин1 удельный эффективный расход топлива gе увеличился от 246,6 до 254,0 г/(кВт ч), на режиме максимального крутящего момента при п = 1 500 мин-1 — от 221,1 до 231,8 г/(кВтч). При этом изменения эффективного КПД дизеля це на этих режимах не превышали 1,6 % (см. табл. 3).

Физико-химические свойства исследуемых топлив

Топливо

Физико-химическое свойство ДТ МЭПМ 95 % ДТ + + 5 % МЭПМ 90 % ДТ + + 10 % МЭПМ 85 % ДТ + + 15% МЭПМ 80 % ДТ + + 20 % МЭПМ 60 % ДТ + + 40 % МЭПМ

Плотность при 20 °С, кг/м3 830 886 832,8 835,6 838,4 841,2 852,4

Кинематическая вязкость при 20 °С, 3,8 7,0 4,0 4,2 4,3 4,4 5,0

мм2/с

Теплота сгорания низшая, МДж/кг 42,5 37,2 42,2 41,9 41,7 41,4 40,4

Цетановое число 45 47 - - - - -

Температура помутнения, °С -25 -13 - - - - -

Температура застывания, °С -35 -17 - - - - -

Количество воздуха, необходимое 14,30 12,53 14,23 14,11 14,03 13,96 13,59

для сгорания 1 кг вещества, кг

Содержание, % (масс.): С 87,0 76,7 86,5 86,0 85,5 85,0 82,9

н 12,6 12,2 12,6 12,5 12,5 12,5 12,4

О 0,4 11,1 0,9 1,5 2,0 2,5 4,7

Общее содержание серы, % (масс.) 0,20 0,002 0,19 0,18 0,17 0,16 0,12

Коксуемость 10%-ного остатка, 0,20 0,30 0,21 0,21 0,22 0,22 0,24

% (масс.), не более

Примечания: 1. Прочерк означает, что свойства не определялись.

2. Для смесей указано объемное содержание компонентов.

Показатели дизеля Д-245.12С, работающего на исследуемых топливах

Топливо

Показатель дизеля ДГ 95 % ДГ + + 5% мэпм 90 % ДГ + + 10 % МЭПМ 85 % ДГ + + 15 % МЭПМ 80 % ДТ + + 20 % МЭПМ 60 % ДГ + + 40 % МЭПМ

Часовой расход топлива (7,. кг/ч 19,23 12,51 19,20 12,54 19,49 12,81 19,47 12,85 19,71 12,98 20,07 13,14

Крутящий момент дизеля Мс, Н м 310 359 306 356 313 355 307 353 309 357 311 357

Удельный эффективный расход топлива ge, г/(кВт-ч) 246.6 222,1 249.8 224,4 247.8 229,7 252.6 231,8 254.0 231,8 257.0 234,5

Эффективный КПД дизеля г\е 0.343 0,381 0.342 0,380 0.347 0,374 0.342 0,372 0.342 0,375 0.347 0,380

Дымность ОГ Кх, % по шкале Хартриджа 15.0 36,0 13.0 37,0 10.0 36,0 10.0 35,0 8.0 34,0 6.0 25,0

Условный эффективный расход топлива £еуСл, г/(кВт-ч) 241,32 250,40 251,31 252,75 255,07 258,49

Условный эффективный КПД дизеля, г\е усл 0,351 0,341 0,342 0,342 0,341 0,345

Удельный выброс оксидов азота г/(кВт-ч) 5,948 5,905 5,894 5,724 5,718 5,742

Удельный выброс монооксида углерода еСо, г/(кВт-ч) 2,782 2,767 2,428 2,288 2,171 1,949

Удельный выброс углеводородов, еСНх, г/(кВт-ч) 1,006 0,924 0,829 0,821 0,813 0,784

Примечания: 1. В числителе — на режиме максимальной мощности, в знаменателе - — на режиме максимального крутящего мо-

мента.

2. Значения ge усл, це усл, eNOx, есо, есш. — результаты интегральной оценки работы дизеля на режимах 13-ступенчатого цикла.

80 60 40 20

Ст,

кг/ч

18

14 10 6

Кх,%

50 40 30 20 10 0

кВт

X-X - о-----о - 2

с---'

*

Л

/

1

/ Ме

/ Ч,

у

X „с

Ст N

у*

/ У

^- >

\

р" У

N X

-------

о--- - —<

Кх \

—( ---

----- .С »

С Зе у*

^- - *" "

/ -—:

х'

Ме, Н м

360

320

280

а 2,4

2,0

1,6

г

кВт-ч 260

240

220

1000

1400

1800

2200

П , МИН"

Рис. 4. Зависимости эффективной мощности Ые, крутящего момента Ме, часового расхода топлива Gт, коэффициента избытка воздуха а, дымности ОГ Кх и удельного эффективного расхода топлива ge 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 + 20 % МЭПМ

Вместе с тем наличие в молекулах МЭПМ атомов кислорода привело к заметному уменьшению дымности ОГ при работе дизеля Д-245.12С на указанной смеси. Так, на режиме максимальной мощности при п = 2 400 мин-1 переход с ДТ на смесь 80 % ДТ и 20 % МЭПМ сопровождался снижением дымности ОГ Кх с 15 до 8 % по шкале Хартриджа, а на режиме максимального крутящего момента при п = 1 500 мин-1 — с 36 до 34 % по шкале Хартриджа.

Результаты экспериментальных исследований Д-245.12С на чистом дизельном топливе и на смеси 80 % ДТ и 20 % МЭПМ на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла Правил ЕЭК ООН № 49 представлены на рис. 5. Как отмечено выше, использование рассматриваемого смесевого биотоплива привело к некоторому увеличению часового расхода топлива Gт (см. рис. 4 и табл. 3). Так, при переводе дизеля с ДТ на смесь 80 % ДТ и 20 % МЭПМ на режиме максимальной мощности при п = 2 400 мин-1 расход топлива Gт возрос от 19,23 до 19,71 кг/ч, а на режиме максимального крутящего момента при п = 1500 мин-1 — от 12,51 до 12,98 кг/ч (см. рис. 5, а и табл. 3).

Рис. 5. Зависимость часового расхода топлива (а), объемных концентраций в ОГ оксидов азота Ска* (б), монооксида углерода Ссо (в) и несгорев-ших углеводородов Ссн (г) от крутящего момента Ме и частоты вращения п дизеля Д-245.12С при использовании различных топлив: 1 — ДТ; 2 — смесь 80 % ДТ + 20 % МЭПМ

Переход от нефтяного ДТ к исследуемому смесевому биотопливу сопровождался изменением концентрации в ОГ оксидов азота СМОх (см. рис. 5, б), причем на большинстве исследованных режимов отмечено снижение содержания оксидов азота в ОГ. Так, перевод дизеля с ДТ на смесь 80 % ДТ и 20 % МЭПМ на режиме холостого хода при п = 900 мин-1 сопровождался уменьшением концентрации СМОх от 0,0120 до 0,0100 %, на режиме максимального крутящего момента при п = 1 500 мин-1 — от 0,0625 до 0,0580 %, на режиме максимальной мощности при п = 2 400 мин-1 — от 0,0575 до 0,0500 %. При использовании рассматриваемого смесевого биотоплива отмечено значительное снижение концентрации в ОГ монооксида углерода ССО (см. рис. 5, в). Перевод дизеля с ДТ на смесь 80 % ДТ и 20 % МЭПМ на режиме холостого хода при п = 900 мин-1 сопровождался снижением значения ССО от 0,0310 до 0,0240 %, на режиме максимального крутящего момента при п = 1 500 мин-1 — от 0,0480 до 0,0380 %, а на режиме максимальной мощности при п = 2 400 мин-1 — от 0,0180 до 0,0130 %.

Использование смесевого биотоплива позволило заметно снизить и концентрацию в ОГ несгоревших углеводородов ССНх (см. рис. 5, г). При переводе дизеля с ДТ на смесь 80 % ДТ и 20 % МЭПМ на режиме холостого хода при п = 900 мин-1 отмечено снижение значения ССНх от 0,0290 до 0,0240 %, на режиме максимального крутящего момента при п = 1 500 мин-1 — от 0,0180 до 0,0150 %, на режиме максимальной мощности при п = 2 400 мин-1 — от 0,0170 до 0,0100 %.

По приведенным на рис. 5, б-г характеристикам содержания в ОГ нормируемых токсичных компонентов (оксидов азота КОх, монооксида углерода СО, несгоревших углеводородов СНх) с использованием общепринятых методик рассчитаны их интегральные удельные массовые выбросы на режимах 13-ступенчатого цикла (соответственно еМОх, еСО, еСНх). Оценка эксплуатационного расхода топлива на режимах 13-ступенчатого цикла проведена по среднему (условному) удельному эффективному расходу топлива, который определялся с использованием зависимости [3]

13

X ^т 1К1

2 = 1=_

&в усл 13 5

I ^е1Кг

1=1

где Gг;, — часовой расход топлива и эффективная мощность двигателя на 1-м режиме. Поскольку смесевые биотоплива имеют меньшую теплотворную способность, топливную экономичность дизеля при его работе на этих топливах целесообразно оценивать не удель-

ным эффективным расходом топлива gе, а эффективным КПД дизеля пе. При этом для интегральной оценки работы дизеля на режимах 13-ступенчатого цикла использован условный эффективный КПД

= 3 600

Л е усл

Hugt

е усл

где Ни — низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Условный эффективный КПД рассчитан с использованием указанной методики и данных табл. 2 и рис. 5, а. Результаты расчетов этих параметров представлены в табл. 3.

Приведенные в табл. 3 данные подтверждают возможность улучшения экологических показателей дизеля Д-245.12С при его переводе с ДТ на исследуемую смесь. При такой смене вида топлива отмечено заметное снижение дымности ОГ: на режиме максимальной мощности при п = 2400 мин-1 — на 46,7 %, на режиме максимального крутящего момента при п = 1 500 мин-1 — на 5,6 %. При этом интегральный на режимах 13-ступенчатого цикла эффективный КПД пе усл снизился с 0,351 до 0,341, т. е. на 2,8 %, удельный выброс оксидов азота еМОх уменьшился с 5,948 до 5,718 г/(кВт-ч), т. е. на 3,9 %, удельный выброс монооксида углерода еСО снизился с 2,782 до 2,171 г/(кВт-ч), т. е. на 22,0 %, а удельный массовый выброс не-сгоревших углеводородов еСНх сократился с 1,006 до 0,813 г/(кВт-ч), т. е. на 19,2 % (см. табл. 3).

Определенный интерес представляет вопрос о влиянии состава смесевого биотоплива на характеристики дизеля. Оценка этого влияния позволяет провести оптимизацию состава смесевого биотоплива. С этой целью выполнены исследования дизеля Д-245.12С на чистом ДТ и смесевых биотопливах, содержащих до 40 % (об.) МЭМП (рис. 6 и 7). Результаты этих исследований также приведены в табл. 3.

Характеристики дизеля Д-245.12С (рис. 6, а) свидетельствуют о том, что увеличение содержания МЭПМ в смесевом биотопливе СМЭпм от 0 до 40 % приводит к некоторому росту часового расхода топлива Gт. Так, на режиме максимального крутящего момента при п = 1 500 мин-1 часовой расход топлива увеличился от 12,51 до 13,14 кг/ч, а на режиме максимальной мощности при п = 2 400 мин-1 — от 19,23 до 20,07 кг/ч. Однако крутящий момент двигателя Ме и коэффициент избытка воздуха а сравнительно слабо зависят от концентрации СМЭПМ во всем исследованном диапазоне ее изменения.

Характеристики удельного эффективного расхода топлива gе, эффективного КПД дизеля це и дымности ОГ Кх в зависимости от концентрации МЭПМ в смесевом биотопливе СМЭПМ приведены на

а б

Рис. 6. Зависимости часового расхода топлива Gт дизеля Д-245.12С, крутящего момента Ме и коэффициента избытка воздуха а (а), удельного эффективного расхода топлива gе, эффективного КПД двигателя це и дымности ОГ Кх (б) от содержания метилового эфира подсолнечного масла СМЭПМ

в смесевом биотопливе: 1 — на режиме максимальной мощности при п = 2 400 мин4; 2 — на режиме максимального крутящего момента при п = 1 500 мин1

рис. 6, б и в табл. 3. Увеличение концентрации МЭПМ в смесевом биотопливе СМЭПМ от 0 до 40 % сопровождалось ростом удельного эффективного расхода топлива. На режиме максимального крутящего момента при п = 1 500 мин-1 расход топлива увеличился от 222,1 до 234,5 г/(кВтч), на режиме максимальной мощности при п = = 2 400 мин-1 — от 246,6 до 257,0 г/(кВтч), но при этом эффективный КПД дизеля Пе изменялся сравнительно слабо. Вместе с тем отмечена сильная зависимость дымности ОГ от состава смесевого биотоплива. При росте СМЭПМ от 0 до 40 % на режиме максимального крутящего момента при п = 1 500 мин-1 дымность ОГ Кх снизилась от

36 до 25 % по шкале Хартриджа, а на режиме максимальной мощности при п = 2 400 мин-1 — от 15 до 6 % по шкале Хартриджа (в 2,5 раза).

0,36

0,35

, г/(кВтч)

0,34

V Ле усл

>о_< 6гЮх

вСо •^о__

©СНх -4-

10

20

30 См

Рис. 7. Зависимости условного эффективного КПД двигателя це усл и удельных массовых выбросов с ОГ дизеля Д-245.12С оксидов азота еМОх, монооксида углерода есО и несгоревших углеводородов еснх от содержания метилового эфира подсолнечного масла СМЭПМ в смесевом биотопливе на режимах 13-сту-пенчатого цикла

Характеристики и значения удельных массовых выбросов токсичных компонентов екох, есо, еснх, представленные на рис. 7 и в табл. 3, подтвердили возможность заметного улучшения показателей токсичности ОГ исследуемого дизеля при использовании смесей дизельного топлива и МЭПМ. При росте содержания МЭПМ в ДТ СМэпм от 0 до 40 % удельные массовые на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла выбросы оксидов азота NOx снизились с 5,948 до 5,742 г/(кВтч), т. е. на 3,5 %о, монооксида углерода СО — с 2,782 до 1,949 г/(кВтч), т. е. на 29,9 %, несгоревших углеводородов СНх — от 1,006 до 0,784 г/(кВтч), т. е. на 22,1 %. Одновременно отмечено незначительное снижение условного эффективного КПД двигателя Пе усл на 1,7 % — от 0,351 при Смэпм = 0 до 0,345 при Смэпм = 40 %.

В целом проведенные исследования подтвердили возможность эффективного использования смесей дизельного топлива с мЭПм в качестве топлива для отечественных дизелей. В исследуемом диапазоне изменения содержания мЭПм в нефтяном ДТ наилучшее сочетание показателей топливной экономичности и токсичности ОГ дизеля Д-245.12С достигнуто при его работе на смеси 60 % ДТ и 40 % мЭПм (при Смэпм = 40 %).

ЛИТЕРАТУРА

[1] Александров А.А. ред., Архаров И.А., марков В.А. ред. Альтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания. москва, ООО НИЦ Инженер; ООО Онико-м, 2012, 791 с.

[2] Орсик Л.С., Сорокин Н.Т., Федоренко В.Ф. ред. Биоэнергетика: Мировой опыт и прогнозы развития. Ыосква, ФГНУ Росинформагротех, 2008, 404 с.

[3] марков В.А., Девянин С.Н., Семенов В.Г. и др. Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях. москва, ООО НИЦ Инженер; ООО Онико-м, 2011, 536 с.

[4] Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. москва, Изд-во мАДИ (ТУ), 2000, 311 с.

[5] Васильев И.П. Влияние топлив растительного происхождения на экологические и экономические показатели дизеля. Луганск, Изд-во Восточно-украинского ун-та им. В. Даля, 2009, 240 с.

[6] Zubik J., Sorenson S.C., Goering C.E. Diesel Engine Combustion of Sunflower Oil Fuels. Transactions of the ASAE, 1984, vol. 27, no. 5, pp. 1252-1256.

[7] Kaufman K.R., Ziejewski M. Sunflower Methyl Esters for Direct Injected Diesel Engines. Transactions of the ASAE, 1984, vol. 27, no. 6, pp. 1626-1633.

[8] Ikilic C., Yucesu H. Investigation of the Effect of Sunflower Oil Methyl Ester on the Performance of a Diesel Engine. Energy Sources, 2006, vol. 27, no. 13, pp. 1225-1234.

[9] марков В.А., Девянин С.Н., маркова В.В. Работа транспортного дизеля на смеси дизельного топлива и метилового эфира подсолнечного масла. Грузовик&, 2010, № 9.

Статья поступила в редакцию 21.06.2013

Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом: Марков В.А., Девянин С.Н., Нагорнов С.А., Лобода С.С. Использование смесей дизельного топлива и метилового эфира подсолнечного масла в качестве топлива для транспортных дизелей. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 5. URL: http://engjournal.ru/catalog/machin/criogen/722.html

Марков Владимир Анатольевич родился в 1958 г., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана в 1981 г. Д-р техн. наук, профессор кафедры «Теплофизика» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор более 300 научных работ в области автоматического управления и регулирования двигателей внутреннего сгорания. e-mail: markov@power.bmstu.ru

Девянин Сергей Николаевич родился в 1954 г., окончил Московский автомобильно-дорожный институт (МАДИ) в 1976 г. Д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Тракторы и автомобили» Московского государственного агроин-женерного университета (МГАУ) им. В.П. Горячкина. Автор более 150 научных работ в области топливоподачи дизелей. e-mail: devta@rambler.ru

Нагорнов Станислав Александрович родился в 1949 г., окончил Тамбовский институт химического машиностроения в 1972 г. Заместитель директора ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии по научной работе, д-р техн. наук, профессор Тамбовского государственного технического университета. Автор более 300 научных работ в области эффективного использования нефтепродуктов и биотоплив в автотракторной технике. e-mail: snagornov@yandex.ru

Станислав Сергеевич Лобода родился в 1993 г., студент кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Специализируется в области использования альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. e-mail: st-loboda@yandex.ru