CC BY
40
56
Исследование дизельного топлива с добавками пальмового масла
1П.П. Ощепков, доцент Инженерной академии Российского университета дружбы народов (РУДН), к.т.н.,
А.В. Бижаев, доцент Московского государственного аграрного университета им. К.А. Тимирязева, к.т.н.,
И.А. Заев, ассистент Инженерной академии РУДН, к.ф.-м.н.,
С.В. Смирнов, доцент Инженерной академии РУДН, к.т.н.,
Адегбенро Симеон Адедожа (Нигерия), аспирант Инженерной академии РУДН
Рассмотрены физико-химические и моторные свойства альтернативных топлив (биотоплива), выполненных в виде смесей дизельного топлива с пальмовым маслом. В ряде стран Африки, Азии и др. (Малайзия, Индонезия, Таиланд, Нигерия и др.) разрабатываются программы по переводу транспорта на работу на биотопливах. Наибольшей производительностью среди растений, если считать в килограммах и литрах масла с гектара, обладает пальмовое масло, которое по ряду свойств (теплота сгорания, стехиометрическое отношение, цетановое число и др.) наиболее близко к традиционному дизельному топливу.
ведутся исследования по поиску альтернативных видов топлива для двигателей внутреннего сгорания. В соответствии с прогнозом развития энергетики мира [1], в Африке ожидается значимый прирост спроса на жидкие топлива -на 73 %: со 183 млн т н.э. в 2015 г. до 316 млн т в 2040 г. Прогнозируется, что к 2040 г. альтернативное топливо в транспортном секторе будет достигать 20 % в общем объеме спроса на энергию.
Обычно рассматривают два наиболее распространенных типа биотоплив - этанол и биодизельное топливо [2]. В последнее время некоторые развивающиеся страны, такие как Малайзия, Индонезия, Таиланд, Нигерия, активно поддерживают тенденцию производства биотоплива из внутренних возобновляемых ресурсов.
Нигерия входит в ТОП-10 стран, производителей пальмового масла [3]. Автомобильный транспорт в Нигерии осуществляет большую часть грузовых и пассажирских перевозок [4]. В сельском хозяйстве этой страны занято 65 % населения [5]. По данным The Global Petroleum Club [6], среди растительных масел наибольшей продуктивностью (количество масла с гектара) обладает пальмовое масло.
Ключевые слова:
дизель, альтернативное топливо, биотопливо, пальмовое масло, физико-химические и моторные свойства.
ировой спрос на нефть и жидкие биотоплива во многом определяется объемом потребления топлива транспортом (более 55 %). Со временем запасы углеводородов сокращаются, поэтому во многих странах мира
При использовании пальмового масла в качестве добавки к основному виду топлива в транспортном секторе сельского хозяйства Нигерии можно существенно уменьшить потребление дизельного топлива (ДТ), сократить транспортные издержки на перевозку нефтепродуктов и снизить токсичность отработавших газов дизельной техники, используемой в аграрных районах страны.
Мировыми лидерами по производству пальмового масла являются Индонезия и Малайзия. В этих странах проводятся научные исследования [7, 8] по использованию пальмового масла в качестве альтернативного топлива для дизельных двигателей.
Сравнение химико-физических свойств [9-11] растительных масел показывает, что пальмовое масло по ряду свойств (теплота сгорания, стехиометрическое соотношение, цетановое число и др.) наиболее близко к традиционному дизельному топливу. Однако пальмовое масло обладает и теми характеристиками, которые имеют серьезные отличия от традиционного нефтяного топлива (кинематическая вязкость, температура застывания), что делает невозможным применение чистого пальмового масла в дизельных двигателях без внесения изменений в их конструкцию и топливную аппаратуру. В этих условиях наиболее приемлемым является вариант использования без существенных изменений конструкции двигателя, работающего на дизельном топливе с добавками пальмового масла, то есть на смесевом биодизельном топливе.
Экспериментальные исследования мощностных и экономических показателей двигателя проводились на дизеле Д-120 (2410,5/12) при частоте вращения коленчатого вала п = 1800 мин-1. При испытаниях снимались нагрузочные характеристики двигателя при работе на дизельном топливе (без каких-либо добавлений) и на топливах с различными вариантами смесей ДТ с пальмовым маслом (10 % и 20 %), а также с добавкой перекиси водорода (Н202) объемной долей 0,5 %.
Экспериментальные исследования показали, что добавка пальмового масла заметно влияет на процесс сгорания. Так, максимальное увеличение удельного расхода топлива при содержании пальмового масла в смесевом топливе 10 % достигает 15 %, а при содержании 20 % - 30 % (рис. 1).
Для улучшения экономичности двигателя при работе на смесевых топли-вах применили добавку перекиси водорода. В результате добавление 0,5 % перекиси водорода приводит к снижению удельного эффективного расхода топлива на 10...15 % при нагрузках меньше 50 % (рис. 2), и его значения на частичных нагрузках становятся сравнимы с аналогичными показателями двигателя, работающего на дизельном топливе без добавок пальмового масла.
Для выяснения особенностей сгорания дизельного топлива с добавками пальмового масла и перекиси водорода были проведены расчетные исследования. Мощностные и экономические показатели работы двигателя во многом определяются организацией процесса горения топлива, поэтому необходимо исследовать особенности сгорания дизельного топлива с добавками пальмового масла.
Процесс сгорания топлива в дизеле включает два важных этапа: воспламенение горючей смеси, образовавшейся в цилиндре к моменту начала самовоспламенения, а также сгорание топлива в диффузионно-лимитируемом режиме (турбулентная диффузия). Первый из них определяется кинетикой самовоспламенения топлива, второй - конструктивными и другими параметрами организации рабочего процесса (мелкость распыливания топлива, форма камеры сгорания в поршне, степень закрутки потока и т.д.). Следовательно, при сохранении конструктивных параметров дизельного двигателя наибольший интерес
10 лет
журналу
57
Биодизельное топливо
кт\\\\\\\\\\\\\\\\\
\
450
400
I
¿300
(Щ
250
200
\ ч ДТ100 ДТ90+П ДТ80+П мю
М20
—• -•
10 12
Л'е, кВт
14
16
13
Рис. 1. Изменение удельного расхода топлива (&) в зависимости от эффективной мощности (Ые) дизеля Д-120 (2410,5/12) при работе на разных топливах: ДТ100 - дизельное топливо без добавок; ДТ90+ПМ10 - смесевое топливо, содержащее 90 % ДТ с добавкой 10 % пальмового масла; ДТ80 + ПМ20 - топливо, содержащее 80 % ДТ и 20 % пальмового масла
Рис. 2. Изменение удельного расхода топлива (&) в зависимости от эффективной мощности (Ые) дизеля Д-120 (2410,5/12) при работе на разных топливах: ДТ100 - дизельное топливо без добавок; ДТ80+ПМ20 - смесевое топливо, содержащее 80 % ДТ с добавкой 20 % пальмового масла; ДТ80 + ПМ20 + Н202 - топливо, содержащее 80 % ДТ, 20 % пальмового масла и 0,5 % перекиси водорода
представляет регулирование этапа самовоспламенения горючей смеси для обеспечения оптимальных условий воспламенения и последующего сгорания топлива.
Самовоспламенение и распространение пламени в камере сгорания двигателя определяются скоростями соответствующих химических реакций. Для сгорания топлива должна быть выбрана адекватная химическая модель горения.
В работе [12] предложена химическая модель горения «суррогатов» дизельного топлива, а также компонентов биодизельного топлива (список веществ и их термодинамических и переносных свойств, список реакций с аппроксимациями зависимости констант скорости от температуры и давления). Также была проведена проверка данного механизма на большом количестве экспериментальных данных по задержкам самовоспламенения и скорости распространения ламинарного пламени в топливовоздушных смесях, поэтому эта модель использована в данном исследовании для оценки характеристик горения биодизельного топлива и того же топлива с добавками в сравнении с дизельным топливом.
Анализ химической модели [12] показывает, что она включает перекись водорода H2O2 и реакции ее взаимодействия с азотом, кислородом, углеводородами и промежуточными радикалами, поэтому эта модель может быть использована для анализа влияния перекиси водорода на самовоспламенение дизельного топлива с добавками пальмового масла и H2O2.
Дизельное топливо имеет сложный состав, поэтому для выполнения расчетов процессов самовоспламенения используется модельное топливо на основе н-гептана, которое имеет то же самое цетановое число, что и ДТ. Добавки пальмового масла моделировались следующим образом. Основными составляющими такой добавки являются метил-эфиры пальмовой и олеиновой кислот в равной молярной пропорции. Для исследования самовоспламенения дизельного топлива с добавками пальмового масла был выбран н-гептан C7H16 в качестве суррогата дизельного топлива, а также эквимолярная смесь метил-эфиров пальмовой и олеиновой кислот: C17H34O2 : C19H36O2 = 0,5 : 0,5 (мольные доли).
Целью настоящего теоретического исследования является оценка свойств горения дизельного топлива с добавками пальмового масла и влияние на процесс горения данного биодизельного топлива добавок перекиси водорода. Для этого нужно решить следующие задачи.
1. На основе кинетических расчетов сопоставить характеристики горения смеси модельного дизельного топлива и модельного биодизельного топлива, включающие время задержки воспламенения для условий, характерных для работы дизельных двигателей.
2. Исследовать степень повышения реакционной способности дизельного топлива с добавками пальмового масла в зависимости от объемной доли добавок перекиси водорода в сравнении с исходными ДТ и дизельным топливом с добавками пальмового масла.
Для решения поставленных задач в программе Chemical workbench [13, 14] была проведена серия расчетов процесса самовоспламенения для исследования характеристик самовоспламенения модельного дизельного топлива, дизельного топлива с добавками пальмового масла и с добавками в него перекиси водорода. В расчетах использовался химический механизм [12]. Все расчеты проводились при следующих начальных условиях:
• давление в системе 4 МПа;
• начальная температура от 600 до 1400 К;
• стехиометрическая топливовоздушная смесь;
• добавки перекиси водорода от 0,1 до 0,5 % массовых по отношению к топливу (смесь дизельного топлива и пальмового масла).
На рис. 3 приведены результаты расчетов времени самовоспламенения модельного дизельного топлива в чистом виде и с добавками пальмового масла в количестве 10 и 20 % по массе.
10 лет
журналу
59
Биодизельное топливо
km\\\\\\\\\\\\\\\\\
\
а.®
и"
S.8 cog
0,0012 0,0011 0:0010 0,0009 0.0008 0,0007 0:0006 0,0005 0,0004
ДТ100
-•-ДТ90-ПМ10 -•-ДТ80-11М20
\
700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 Температура, К
Рис. 3. Задержки воспламенения дизельного топлива (ДТ100) и ДТ с добавками 10 и 20 % пальмового масла (ПМ10 и ПМ20):
начальное давление 4 МПа; начальная температура 700...1100 К, стехиометрическая смесь
Характерными условиями самовоспламенения смеси в двигателе Д-120 является диапазон температур от 800 до 900 К, до которых нагревается воздух в момент наибольшего сжатия в ВМТ. Как видно из рис. 3, именно в этом диапазоне температур как у чистого дизельного топлива, так и в случае добавок к нему пальмового масла наблюдается увеличение задержки воспламенения больше чем в 1,5 раза. Причем, добавка в дизельное топливо 20 % по массе пальмового масла приводит к увеличению задержки воспламенения по сравнению с дизельным топливом еще на 6.7 %.
Увеличение задержки воспламенения смесевого топлива эквивалентно задержке впрыска исходного биодизельного топлива. Как было показано в [15], отложенный впрыск по отношению к оптимальному значению (номинальный режим работы двигателя на дизельном топливе) приводит к увеличению удельного расхода топлива.
Таким образом, одним из возможных факторов увеличения расхода топлива при добавках пальмового масла (см. рис. 1) является задержка воспламенения топлива (наряду с таким фактором, как ухудшение качества распыла). При высоких температурах, превышающих 1000 К (см. рис. 3), чистое дизельное топливо и с добавками пальмового масла воспламеняются практически за одно и то же время.
На рис. 4 приведены результаты расчета самовоспламенения следующих смесей: чисто дизельное топливо; дизельное топливо + 20 % (масс.) пальмового масла; дизельное топливо + 20 % (от массы дизельного топлива) пальмового масла + от 0,16 до 0,64 % (от полной массы топлив) H2O2. Как видно из рис. 4, для условий работы дизельного двигателя (температуры 800.900 К) добавки 0,16 % перекиси водорода восстанавливают реакционную способность ДТ с добавками пальмового масла до уровня чистого дизельного топлива. Большие добавки перекиси водорода еще больше увеличивают реакционную способность дизельного топлива с добавками пальмового масла.
10 лет
журналу
61
Рис. 4. Задержки воспламенения дизельного топлива (ДТ100), дизельного топлива с добавками пальмового масла (ПМ) и дизельного топлива с добавками пальмового масла и перекиси водорода (Н2О2) в процентах массовых 0,16; 0,32 и 0,64:
начальное давление 4 МПа; начальная температура 700...1100 К; стехиометрическая смесь
Следует отметить, что в области высоких температур оба топлива (дизельное с добавками пальмового масла и дизельное топливо) воспламеняются примерно одинаково. При этих температурах наибольшую роль начинают играть реакции распада больших молекул и воспламенение фрагментов их распада, которые при температурах свыше 1100 К идут достаточно эффективно и способны самостоятельно, без более реакционно способных добавок, генерировать значительное количество радикалов для продолжения цепного процесса самовоспламенения.
Выводы
Экспериментальным исследованием показано, что добавки до 20 % пальмового масла к дизельному топливу повышают удельный эффективный расход топлива на 20...30 %, а 10 % добавки - на 10...15 %.
Расчетными исследованиями установлено влияние добавок пальмового масла и перекиси водорода на время задержки воспламенения топлива.
В диапазоне температур 800.900 К наблюдается увеличение задержки воспламенения больше чем в 1,5 раза как у чистого дизельного топлива, так и в случае добавок к нему пальмового масла. Причем, добавка в дизельное топливо 20 % по массе пальмового масла приводит к увеличению задержки воспламенения по сравнению с дизельным топливом еще на 6.7 %.
Добавка 0,16 % перекиси водорода в смесь дизельного топлива с 20 % пальмового масла восстанавливает реакционную способность ДТ с добавками пальмового масла до уровня чистого дизельного топлива.
Большие добавки перекиси водорода еще больше увеличивают реакционную способность дизельного топлива с добавками пальмового масла. Таким образом,
Биодизельное топливо
km\\\\\\\\\\\\\\\\\
\
появляется возможность регулирования задержки воспламенения за счет количества перекиси водорода.
Расчетные и экспериментальные исследования показали эффективность использования в качестве добавки к биодизельному топливу перекиси водорода. Экспериментальные исследования позволили установить наибольший эффект от добавки перекиси водорода на нагрузках менее 50 % (добавление 0,5 % перекиси водорода приводит к снижению удельного эффективного расхода топлива на 10.15 %).
_ Использованные источники
1. Прогноз развития энергетики мира и России 2016 / Под ред. А.А. Макарова, Л.М. Григорьева, Т.А. Митровой; ИНЭИ РАН-АЦ при Правительстве РФ. -М., 2016. - 200 с. ISBN 978-5-91438-023-3.
2. A.A. Aziz, M.F. Said, M.A. Awang and M. Said. The Effects of Neutralized Palm Oil Methyl Esters (NPOME) on Performance and Emission of a Direct Injection Diesel Engine, in Proc. of the 1st International Conference on Natural Resources Engineering and Technology INRET2006, 24-25 July 2006.
3. http://ab-centre.ru/articles/mirovoy-rynok-palmovogo-masla-v-2001-2013-gg.
4. К. Шумилов. Транспортная инфраструктура республики Нигерия // Зарубежное военное обозрение. - 2004. - №7. - C. 18-22.
5. http://www.gecont.ru/articles/econ/nigeria.htm (дата обращения 8.11.2017 г.).
6. http://www.abercade.ru/research/analysis/2314.html (дата обращения 13.11.2017 г.)
7.https://www.researchgate.net/publication/253329374_Performance_and_ Emission_Characteristics_of_Diesel_Engine_Running_on_Blended_Palm_Oil (дата обращения 3.12.2017 г.)
8. http://people.idsia.ch/~nagi/conferences/iccbt_palm_biodiesel.pdf (дата обращения 3.12.2017 г.)
9. Гусаков С.В. Перспективы применения в дизелях альтернативных топлив из возобновляемых источников: учеб. пособие. - М.: РУДН, 2008. - 318 с.
10. Ощепков П.П., Адедожа Адегбенро С. Альтернативное топливо для автотранспорта Нигерии на основе пальмового масла // Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. - 2017. - Том 18. - № 4. - С. 437-444.
11. Ощепков П.П., Симеон А.А. Возможность использования пальмового масла в качестве добавки к дизельному топливу на примере Нигерии. / Сборник научных трудов по материалам 76-й научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ. - М.: Техполиграфцентр, 2018. - С. 155-162.
12. Chiara Saggese, Alessio Frassoldati, Alberto Cuoci, Tiziano Faravelli, Eliseo Ranzi. A lumped approach to the kinetic modeling of pyrolysis and combustion of biodiesel fuels, Proceedings of the Combustion Institute 34 (2013) 427 - 434.
13. Chemical Workbench 4.1, Kintech Lab Ltd., http://www.kintechlab.com.
14. M. Deminsky, V. Chorkov, G. Belov, I. Cheshigin, A. Knizhnik, E. Shulakova, M. Shulakov, I. Iskandarova, V. Alexandrov, A. Petrusev, I. Kirillov, M. Strelkova, S. Umanski, B. Potapkin. Chemical Workbench-integrated environment for materials science. Computational Materials Science, vol. 28, Issue 2, October 2003. - Рp. 169-178.
15. Cenk Sayin, Mustafa Canakci. Effects of injection timing on the engine performance and exhaust emissions of a dual-fuel diesel engine ,Energy Conversion and Management 50 (2009) 203-213.
