CC BY
5
http://vestnik.mrsu.ru
ISSN Print 2658-4123 ISSN Online 2658-6525
УДК 621.436:662.7
doi: 10.15507/2658-4123.033.202301.100-113
Оригинальная статья
Ш Исследование составов и способов подачи новых топлив с добавками сурепного масла в дизель
С. А. Плотников 1 н, А. Н. Карташевич 2, Г. Э. Заболотских 1
1 Вятский государственный университет (г. Киров, Российская Федерация)
2 Белорусская ГСХА (г. Горки, Республика Беларусь) н [email protected]
Аннотация
Введение. Исследованы физико-химические свойства эмульсии дизельного топлива с сурепным маслом и этанолом. При использовании смесевого топлива не производили конструктивные изменения в двигателе, а только усовершенствовали навесное оборудование: систему питания двигателя внутреннего сгорания. Цель статьи. Определить влияние добавок сурепного масла и этанола в разных количествах в товарное дизельное топливо на показатели, такие как плотность, кинематическая вязкость, низшая удельная теплота сгорания смесей. Определить оптимальную смесь топлив для стендовых испытаний на дизеле.
Материалы и методы. Использовано следующее оборудование: весы лабораторные УШКААШ-620СЕ, пикнометр ПЖ2-10-КШ 7/16, вискозиметр ВПЖ-2, электронный секундомер.
Результаты исследования. Установлена зависимость между плотностью, кинематической вязкостью и концентрацией добавок в смесевые топлива. Отмечена взаимосвязь кинематической вязкости масел и низшей удельной теплоты сгорания. Представлена динамика снижения средней низшей удельной теплоты сгорания смесей относительно увеличения концентрации смесевых топлив.
Обсуждение и заключение. Для дальнейших стендовых испытаний на двигателе были определены 2 смеси 10%СурМ+10%Э+80%ДТ и 25%СурМ+25%Э+50%ДГ При выборе этих смесей основное внимание уделялось 4 параметрам: кинематической вязкости, плотности, времени стабильности и низшей удельной теплоте сгорания.
Ключевые слова: сурепка, сурепное масло, этанол, дизельное топливо, кинематическая вязкость, плотность, низшая удельная теплота сгорания, зависимость, динамика, смесевое топливо, система питания
Благодарности: авторы выражают признательность сторонним участникам, которые внесли значительный вклад в исследование.
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Для цитирования: Плотников С. А., Карташевич А. Н., Заболотских Г. Э. Исследование составов и способов подачи новых топлив с добавками сурепного масла в дизель // Инженерные технологии и системы. 2023. Т. 33, № 1. С. 100-113. doi: https:// doi.org/10.15507/2658-4123.033.202301.100-113
© Плотников С. А., Карташевич А. Н., Заболотских Г. Э., 2023
© I Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License. O^H This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.
Original article
The Study of Compositions and Methods of Supplying New Fuels with Additives of Brassica Rapa Oil to the Diesel
S. A. Plotnikov ° A. N. Kartashevich b, G. E. Zabolotskikh °
a Vyatka State University (Kirov, Russian Federation) b Belarusian State Agricultural Academy (Gorki, Republic of Belarus)
H [email protected] Abstract
Introduction. Physico-chemical properties of the diesel fuel emulsion with Brassica rapa oil and ethanol have been studied. The use of blended fuel does not make structural changes in the engine, but only the improvement of the attachments: the power supply system of the internal combustion engine.
Aim of the Article. The article aims at determining the effect of additives of Brassica rapa oil and ethanol in commercial diesel fuel in different quantities on such indicators as density, kinematic viscosity, and the lowest specific heat of combustion of mixtures and determining the optimal mixture of fuels for bench tests on the diesel.
Materials and Methods. There were used the following equipment: laboratory scales VIBRAAJH-620CE, pycnometer PZh2-10-KSh 7/16, viscosimeter VPZh-2, and electronic stopwatch.
Results. The dependence between the density, kinematic viscosity and concentration of additives in blended fuels has been determined. The relationship between the kinematic viscosity of oils and the lower specific heat of combustion has been noted. The dynamics of a decrease in the average lower specific heat of combustion of blends relative to an increase in the concentration of blended fuels is presented.
Discussion and Conclusion. For bench tests on the engine, there were selected two blends 10% Brasssica rapa +10% Ethanol+80% Diesel and 25% Brasssica rapa +25% Ethanol +50% Diesel. When selecting the mixtures, the focus was on 4 parameters: kinematic viscosity, density, stability time, and lower specific heat of combustion.
Keywords: Brassica rapa, Brassica rapa oil, ethanol, diesel fuel, kinematic viscosity, density, lower specific heat of combustion, dependence, dynamics, mixed fuel, power system
Acknowledgements: The authors would like to thank the outside contributors who made significant contributions to the study.
Conflict of interest: The authors declare no conflict of interest.
For citation: Plotnikov S.A., Kartashevich A.N., Zabolotskikh G.E. The Study of Compositions and Methods of Supplying New Fuels with Additives of Brassica Rapa Oil to the Diesel. Engineering Technologies and Systems. 2023;33(1):100-113. doi: https://doi. org/10.15507/2658-4123.033.202301.100-113
Введение
В настоящее время все чаще встает вопрос развития альтернативной энергетики. Это связано с дефицитом энергоносителей и увеличением их стоимости [1].
Для экономии ископаемых энергоресурсов необходимо внедрение новых технологий энергосбережения. К таковым можно отнести, например, альтернативные виды топлив для
101
автотракторных дизельных двигателей на основе растительных масел. Однако по причине различий физико-химических и энергетических свойств альтернативных топлив использование их в чистом виде в двигателях ограничено по ряду конструктивных причин. Они вносятся в классическое дизельное топливо (ДТ) в виде добавок [1; 2].
Необходимо создать такой состав смесевого топлива, который будет близок к чистому минеральному ДТ по физико-химическим свойствам (плотности, кинематической вязкости и т. д.), позволит при этом сохранить моторные качества двигателя и снизить эмиссию выхлопных газов. Важно отметить, что при использовании выведенного в статье состава сме-севого топлива не будет производиться конструктивных изменений в двигателе, а только усовершенствование навесного оборудования (системы питания ДВС).
Использование масел в производстве биодизельного топлива находит активное применение уже несколько лет, например в странах Европы. Для производства этого топлива применяют метиловый эфир рапсового масла, который вносится в чистое ДТ1 [3]. Данный вид топлива позволяет снизить содержание вредных веществ в процессе работы двигателя, таких как сажа, формальдегид, оксиды азота, углеводороды, оксид углерода, диоксид серы, бензоперен [4; 5]. Эти и многие другие компоненты негативно действуют как на здоровье человека, так и на окружающую среду. Но производство метилового эфира требует использования сложного дорогостоящего оборудования, что делает получение этого продукта затратным.
В данной статье внимание будет уделено добавке сурепно-этаноловой эмульсии к ДТ, так как по своим физико-химическим свойствам сурепное
масло близко к рапсовому маслу. Кроме того, обе этих культуры хоть и различны в ботаническом отношении, но схожи в сельскохозяйственном плане. Обе они являются сидератами, обогащают в ходе своего роста почву азотом и угнетают рост сорняков. Сурепицу отличает высокая урожайность, а значит, и объем производимого масла будет выше. На данный момент распространение сурепицы на территории РФ нельзя сравнить с более популярным рапсом, хотя она выгодно отличается от рапса своей неприхотливостью и способна произрастать на разнообразных почвах [6].
В. В. Крюков в своих исследованиях обращал внимание на возможность использования топлива на сурепно-мине-ральной основе для работы автотракторного двигателя, но добавок спиртов к этому смесевому топливу применено не было. В нашем исследовании решено было добавить этиловый спирт к сурепному маслу (СурМ) и ДТ. Выбор именно этого вида спирта основывался на меньшей токсичности и окисляемости относительно, например, метилового спирта. Но спирты в маслах и ДТ практически не растворяются, что приводит к фазовому разделению компонентов. Именно для этой цели необходимо разработать оборудование для топливоподготовки, которое будет готовить однородное топливо при постоянном перемешивании компонентов.
Было проведено исследование необходимой концентрации добавки компонентов. Учитывались такие параметры, как плотность, кинематическая вязкость и низшая удельная теплота сгорания. На основе этих параметров был выявлен ряд зависимостей.
Цель исследования - определение влияния добавок сурепного масла и этанола разных концентраций в чистое
1 Was ist Biodiesel [Электронный ресурс]. URL: http://https://www.bioexh/biodiesel/was-ist-bio-diesel (дата обращения: 10.10.2022).
Vol. 33, no. 1. 2023
дизельное топливо на показатели, такие как плотность, кинематическая вязкость, низшая удельная теплота сгорания смесей, чтобы найти оптимальную смесь для стендовых испытаний на дизеле.
Обзор литературы
Сурепица (лат. Brassica rapa) известна человечеству приблизительно 4 000-6 000 лет. Данный вид был примечателен тем, что имел в своем генетическом коде три набора хромосом. Такой обширный генетический потенциал обеспечил создание разнообразных подвидов дикорастущей сурепицы. В результате одомашнивания появились современные овощи и масличные культуры, которые содержали уже два набора хромосом [7]. Позднее сурепицу стали выращивать в Европе. Например, в Древнем Риме она являлась важным продуктом питания, а масло из ее семян служило заправкой для лампад. Позднее сурепица распространилась на Востоке и по всему миру2 [8].
Сурепица озимая наиболее приспособлена к климату России. Данный подвид европейского вида репы характеризуется тонким несъедобным корнем, продолжительной стадией яровизации, высокой зимостойкостью. В связи с «утопленно-стью» точки роста сурепицы в почву эта культура способна успешно противостоять влиянию неблагоприятных факторов зимнего периода [9-11].
А. П. Уханов и Д. А. Уханов активно изучали сурепное масло в качестве добавки к минеральному дизельному топливу [12]. Проведен
хроматографический анализ СурМ и дизельного смесевого топлива (жирно-кислотный состав и физико-химические свойства) для оценки целесообразности использования СурМ в качестве добавки для минерального ДТ для автотракторных дизелей. Анализ данных показал обратно пропорциональную зависимость концентрации минерального ДТ в смесевом топливе и жирно-кислотного состава смесевого топлива. Так, при увеличении концентрации чистого ДТ до 75 % в смеси был отмечен рост содержания эруковой, стеариновой, бегеновой и арахиновой кислот. Для улучшения качества смешивания ученые предложили метод ультразвуковой обработки при помощи диспергатора УЗДН-2Т. Обработка ультразвуком привела к изменению вида содержащихся в смесевых топливах высших жирных кислот3.
В. В. Крюков продолжил изучать физико-химические свойства сурепного масла. Исходя из результатов анализа сурепного масла с применением хроматографа, удалось вычислить низшую теплоту сгорания и рассчитать элементарный состав, а также разработать систему питания, которая позволяет производить смешивание компонентов, контролируя при этом соотношение биокомпонента в чистом ДТ в зависимости от требуемого режима работы и погодных (температурных) условий эксплуатации двигателя4.
В. В. Крюков отмечает, что при росте концентрации СурМ в ДТ наблюдается снижение средней скорости нарастания давления газов в рабочей камере дизеля,
2 Tarlach G. The Deep Roots of the Vegetable That 'Took Over the World' [Электронный ресурс] // Atlas Obscura. 30 June 2021. URL: https://www.atlasobscura.com/articles/brassica-rapa-vegetable-do-mestication (дата обращения: 10.10.2022).
3 Влияние ультразвуковой обработки биотоплива на показатели работы тракторного дизеля / Д. А. Уханов [и др.] // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России : сб. материалов Всероссийской НПК. Пенза : РИО ПГСХА, 2009. С. 11-13.
4 Крюков В. В. Оценка эксплуатационных показателей сельскохозяйственного трактора при работе на сурепно-минеральном топливе: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Пенза, 2014. 20 с. ; Крюков В. В. Смесевое сурепно-минеральное топливо: результаты экспериментальных исследований и технические решения // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России : сб. материалов Всероссийской НПК. Пенза : РИО ПГСХА, 2012. С. 202-204.
а также уменьшение максимального давления цикла, что делает рабочий процесс двигателя на смесевых топливах, в сравнении с работой на чистом ДТ, более «мягким»5.
Вторым дополнительным компонентом, который планируется добавить в исследуемую смесь, является этанол (Э). Увеличение его содержания делает рабочий процесс более «жестким», что связано с повышением максимума скорости активного тепловыделения при работе двигателя на смеси этанола с чистым ДТ при частоте 1 200 мин1. С повышением частоты вращения происходит снижение максимума скорости активного тепловыделения6 [13; 14].
Предположительно, добавление сурепного масла к этанолу в равных концентрациях позволит максимально приблизить работу двигателя по моторным характеристикам к работе на чистом ДТ.
Следовательно, мы должны определить такое содержание компонентов СурМ и Э в смесевом топливе на основе ДТ, которое будет соответствовать физико-химическим характеристикам
чистого ДТ (плотности, кинематической вязкости, низшей удельной теплоте сгорания)7 [15].
Материалы и методы
Первоначально были изучены физико-химические свойства смесевых то-плив. В качестве объектов для исследования были подготовлены смеси сурепного масла, этилового спирта и ДТ разных концентраций: 5%СурМ+5%Эт+90% ДТ, 10%СурМ+10%Эт + 80%ДТ,
1 5 % С у р М + 1 5 % Э т + 7 0 % ДТ,
2 0 % С у р М + 2 0 % Э т + 6 0 % ДТ, 25%СурМ+25%Эт+50%ДТ Кроме этого, в каждый образец было добавлено от 0,5 до 1,0 % диспергирующей присадки С-5А для увеличения времени стабильности смесей. Определяли плотность и кинематическую вязкость, а также время стабильности смесей к фазовому разделению.
Использовали физико-химическое (вискозиметр ВПЖ-2, пикнометр ПЖ2-10-КШ 7/16), а также сопутствующее ему (весы лабораторные VIBRAAJH-620CE, электронный секундомер) оборудование (рис. 1).
a)
d)
b) c)
Р и с. 1. Используемое оборудование: а) пикнометр ПЖ2-10-КШ 7/16; b) весы лабораторные VIBRAAJH-620CE; с) электронный секундомер; d) вискозиметр ВПЖ-2
F i g. 1. The equipment used: a) pycnometer PZh 2-10-KSh 7/16; b) laboratory scales VIBRAAJH-620CE; c) electronic stopwatch; d) viscometer VPZh-2
5 Там же.
6 Там же.
7 Плотников С. А., Черемисинов П. Н. Исследование свойств альтернативных топлив на основе рапсового масла // Общество, наука, инновации (НПК-2017): Всерос. ежегод. науч.-практ. конф. : сб. статей. Киров, 2017. С. 1875-1882.
Необходимо было для каждой пробы определить такие физических величины, как кинематическая вязкость, плотность и время стабильности смеси. Нужно отметить, что опыты проводились при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) при температуре окружающей среды 20 °С.
Поскольку при использовании пикнометра ПЖ2-10-КШ 7/16 плотность является расчетной величиной, для проведения эксперимента дополнительно понадобились лабораторные весы VIBRAAJH-620CE (рис. 1 а, Ь). Метод и выходные значения были взяты из ГОСТ 3900-85 «Нефть и нефтепродукты. Методы определения плотности».
Расчет производился согласно формуле:
р = тпшссмес. m*".™. • 0,99703, г/см3, (1)
где гапик. смес. - суммарная масса, состоящая из массы пустого пикнометра и массы смеси; т пус. пик. - масса пустого пикнометра; тпик. дис. - суммарная масса, состоящая из массы пикнометра и массы содержащейся в нем дистиллированной воды; 0,99703 - коэффициент,
характеризующий относительную плотность воды при температуре 20 °С.
Для определения динамической вязкости использовался вискозиметр ВПЖ-2 (диаметр капилляра С = 0,99 мм) (рис. 2d).
Расчет кинематической вязкости был произведен по формуле:
V = —, см2/с,
(2)
где п - динамическая вязкость, г/см-с;р -плотность исследуемой жидкости, г/см3.
Время стабильности смеси Т было определено в результате визуального наблюдения. С помощью электронного секундомера фиксировался момент фазового разделения образцов смесей [16].
Результаты исследования
На основе результатов иследования (табл. 1) получены наглядные графики.
Как видно из таблицы 1, был проведен анализ 5 образцов ДТ, СурМ и Э. Ниже описываются результаты произведенных наблюдений.
Отмечено, что с увеличением содержания СурМ и Э в ДТ увеличивается кинематическая вязкость (рис. 2). Можно объяснить это тем, что вязкость СурМ существенно выше, чем у ДТ, и составляет УСурМ = 77,2 сСт против уДТ = 4,5 сСт.
Т а б л и ц а 1 T a b l e 1
Результаты исследования The results of the study
ДТ, % / Diesel fuel, % СурМ, % / Brasssica rapa, % Эт., % / Кинематич. вязкость при T = 20 °C, сСт / Kinematic viscosity at T = 20 °C, cSt Плотность при T = 20 °C, г/см3 / Density at T = 20 °C, g/cm3 Время стабильности, мин / Stability time, min
Ethanol, % Без присадки / No additive 0,5 % С-5А 1,0 % С-5А Без присадки / No additive 0,5 % С-5А 1,0 % С-5А Без присадки / No additive 0,5 % С-5А 1,0 % С-5А
90 5 5 3,246 3,322 3,253 0,821 0,816 0,823 >75 78 66
80 10 10 3,838 3,855 3,723 0,818 0,820 0,821 >75 60 52
70 15 15 4,636 4,555 4,440 0,824 0,822 0,825 40 40 33
60 20 20 5,596 5,851 5,659 0,824 0,827 0,829 7 16 18
50 25 25 7,125 7,164 7,469 0,830 0,831 0,834 4,7 11 15
Technologies, machinery and equipment 105
Наличие в смеси этанола снижает общую вязкость смесевого топлива, но этого недостаточно, чтобы она находилась в рамках, определенных для летнего ДТ (ГОСТ 305-2013 «Топливо дизельное. Технические условия»). Внесение С-5А тоже увеличивает кинематическую вязкость.
Плотность, как и кинематическая вязкость, в смесевых топливах возрастает
при увеличении содержания СурМ и Э, но не так сильно. Наибольшее увеличение плотности смеси на 0,1 г/см3 зафиксировано при 25%СурМ+25%Э+50%ДТ (рис. 3). Таким образом, согласно ГОСТ 305-2013 «Топливо дизельное. Технические условия», плотность чистого ДТ составляет 0,80-0,86 г/см3, а это значит, что все образцы смесей укладываются в эти рамки.
ДТ, % / Disel fuel, % 100 г
1"1'
1 2"
2
'3,?3~ 4'
4 4" У'-"*-*-*
5* 5
3 3,25 3,5 3,75 4 4,25 4,5 4,75 5 5,25 5,5 5,75 6 6,25 6,5 6,75 7 7,25 7,5 7,75 8 - ДТ, % / Disel fuel, % 1- Без присадки / No additive i'....... 0,5% С-5А 1"""" 1,0% С-5А
1 - 90%+5%СурМ+5%Эт, 2 - 80%+10%СурМ+10%Эт, 3 - 70%+15%СурМ+15%Эт, 4 - 60%+20%СурМ+20%Эт, 5 - 50%+25%СурМ+25%Эт
Р и с. 2. Влияние концентрации компонентов (ДТ, СурМ и Э) на кинематическую вязкость смеси
F i g. 2. The effect of the concentration of components (diesel fuel, Brassica rapa oil, ethanol) on the kinematic viscosity of the mixture
p, г/см3 / p, g/cm3 0,90 0,89 0,88 0,87 0,86 0,85 0,84 0,83 0,82 0,81 0,80
0 10 20 30 40 50 60 70 80 - ДТ, % / Disel fuel-Б/п / No additive
5" 5:". 4"'
2"' 1'
4' 3' ^ 2Г-- ■г
90 100
ДТ, % / Disel fuel, % 0,5 % С-5А ......1% С-5А
1' - 90%+5%СурМ+5%Эт, 2' - 80%+10%СурМ+10%Эт, 3' - 70%+15%СурМ+15%Эт, 4' - 60%+20%СурМ+20%Эт, 5' - 50%+25%СурМ+25%Эт
Р и с. 3. Влияние концентрации компонентов на плотность смеси F i g. 3. The effect of the concentration of components on the density of the mixture
Экспериментально установлено, что при увеличении содержания СурМ и Э в ДТ снижается время стабильности. Положительное влияние присадки было отмечено с 30 % от общего содержания СурМ и Э (рис. 4).
Отмечена зависимость между кинематической вязкостью масел и низшей удельной теплотой сгорания. Была составлена таблица 2, содержащая вышеизложенные параметры на примере трех масел (хлопковое, рапсовое, сурепное)
^ мин / t, шт 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
и летнего ДТ, для того чтобы проследить взаимосвязь.
График (рис. 5.) показывает, что с ростом кинематической вязкости смесе-вых топлив снижается низшая удельная теплота сгорания. Предположительно, данный эффект можно объяснить тем, что масла, обладающие наименьшей вязкостью, быстрее испаряются, и содержание газовой фазы, соответственно, выше, а это значит, что фактическая температура возгорания и низшая удельная теплота сгорания топлив будут выше.
/ у 'i'
1,2
/ i"
21'
,2"
33'
>3"
ij
S" ..4' r
S'< ..-•••• 4
4
S
C 1C 2C 3C 4C SC 6C 7C SC 9C
Без присадки / No additive
■ C,S% С-SA
1CC
С, % ■ 1,0% C-5A
1 - 90%+5%СурМ+5%Эт, 2 - 80%+10%СурМ+10%Эт, 3 - 70%+15%СуМ+15%Эт, 4 - 60%+20%СурМ+20%Эт, 5 - 50%+25%СурМ+25%Эт Р и с. 4. Влияние концентрации компонентов и наличия присадки в смесях на изменение времени стабильности F i g. 4. The effect of the concentration of components and the presence of additives in mixtures on the change in stability time
T а б л и ц а 2 T a b l e 2
Отношение кинематической вязкости растительных масел и ДТ к их низшей удельной теплоте сгорания Ratio of the kinematic viscosity of vegetable oils and Diesel fuel to their lowest specific heat of combustion
ХлопокМ / Cotton oil
СурМ / Brasssica rapa oil
РМ / Rapeseed oil
ДТ / Diesel fuel
v, сСт / v, cSт
QH, МДж/кг / Q н MJ/kg н
84 34
77,2 37,2
7,5 37,3
4,5 42,5
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
Р и с
<2н, МДж/кг / QH, MJ
0
20
40
60
80
100
v, сСт / v, cSt
5. Отношение кинематической вязкости растительных масел и ДТ к их низшей удельной теплоте сгорания F i g. 5. Ratio of the kinematic viscosity of vegetable oils and diesel fuel to their lowest specific heat of combustion
Среди проанализированных видов масел видно, что наиболее близко к ДТ по Qн рапсовое и сурепное масла, но рапсовое масло уже давно нашло свое применение в производстве альтернативного топлива, тогда как сурепное на данный момент недостаточно изучено в этом отношении. Но кинематическая вязкость СурМ выше вязкости ДТ примерно в 17,2 раза, а это значит, что
Qн, МДж/кг / Qн, MJ 41,5 41,0 40,5 40,0 39,5 39,0 38,5 38,0 37,5 37,0 36,5
в процессе топливоподготовки перед смешением на него придется произвести либо физическое, либо химическое воздействие [17; 18]. Возможно в этом случае применение Э, так как он при V = 1,5 сСт имеет Qн = 30,6 МДж/кг, что позволило бы при постоянном смешивании в равных соотношениях с СурМ добиться Уср = 39,4 сСт, а Qн(ср) = 33,9 МДж/кг, при этом средняя вязкость снизится примерно в 2 раза.
0
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
С,%
Р и с. 6. Снижение 2н(средн) при увеличении концентрации смеси СурМ:Э:ДТ (5:5:90, 10:10:80, 15:15:70, 20:20:60, 25:25:50) F i g. 6. A decrease in 2н(средн) with an increase in the concentration of a mixture of Brassica rapa oil, ethanol and diesel fuel (5:5:90, 10:10:80, 15:15:70, 20:20:60, 25:25:50)
Vol. 33, no. 1. 2023
Из данного графика (рис. 6.) видна динамика снижения 2н(средн.) относительно увеличения концентрации смесевых топлив. При 10%СурМ+10%Э+80%ДТ она составляет 40,2 МДж/кг, а при 25%СурМ+25%Э+50%ДТ - 36,9 МДж/кг. Таким образом, согласно ГОСТ «305-2013 Топливо дизельное. Технические условия», Q смесей указанных концентраций близка к 2н(ДТлетн.) = 42,5 МДж/кг.
Опираясь на вышеизложенные результаты исследования, приходим к выоду, что возникает необходимость усовершенствования системы питания дизеля. Проанализировав двухтопливные системы питания с возможностью автоматического регулирования состава смесевого топлива, установили, что они имеют общий недостаток, а именно невозможность автоматического регулирования оптимального установочного угла опережения впрыскивания топлива при работе двигателя на разных смесевых составах [19; 20].
Обсуждение и заключение
Для дальнейших стендовых испытаний на двигателе были определены 2 смеси 10%СурМ+10%Э+80%ДТ и 25%СурМ+25%Э+50%ДТ. При выборе этих смесей основное внимание уделялось 4 параметрам, а именно: кинематической вязкости, плотности, времени стабильности и низшей удельной теплоте сгорания:
1. Кинематическая вязкость летнего ДТ составляет 4,5 сСт. При увеличении концентрации добавок она увеличивается при 1 % С-5А до 7,5 сСт. Это связано с тем, что уСурМ выше Удр в 17,2 раза. Это значит, что при использовании смеси 25%СурМ+25%Э+50%ДТ на нее нужно будет оказывать тепловое воздействие перед подачей на форсунки. В смеси 10%СурМ+10%Э+80%ДТ с 1 % содержания С-5А она Q„ = 3,7 сСт, что ниже Одт).
2. При увеличении концентрации смесевых топлив плотность тоже
несущественно возрастает, но ее динамика выражена менее явно. Только на максимальном содержании добавок 25%СурМ+25%Э+50%ДТ она увеличится на 0,1 г/см3. Согласно ГОСТ 305—2013 «Топливо дизельное. Технические условия», плотность чистого ДТ составляет 0,80-0,86 г/см3, а это значит, что все образцы смесей укладываются в эти рамки.
3. При увеличении содержания СурМ и Э в смеси отмечено снижение времени стабильности. На увеличение времени стабильности влияет добавление присадки, начиная с 30 % от общего содержания СурМ и Э. Лучший результат достигнут при 10%СурМ+10%Э+80%ДТ, он составил 52 мин. То есть применяемое смесевое топливо нуждается в постоянном перемешивании для стабильности смеси.
4. Низшая удельная теплота сгорания СурМ, по сравнению с другими растительными маслами, относительно высока (0н(сурм) = 37,2 МДж/кг, бн(Дт) = 42,5 МДж/кг) и примерно равна РМ. РМ уже долгое время активно применяется в мировой промышленности как компонент для производства биодизеля, тогда как СурМ не так хорошо изучено. Но ^СурМ выше уДТ примерно в 17,2 раза, следовательно, в процессе топливоподго-товки перед смешением на него придется произвести либо физическое, либо химическое воздействие. Возможно в этом случае применение Э, так как он при V = 1,5 сСт имеет Qн = 30,6 МДж/кг, что позволило бы при постоянном смешивании в равных соотношениях с СурМ добиться уср=39,4 сСт, а Qн(cP) = 33,9МДж/кг, при этом средняя вязкость снизится примерно в 2 раза.
Поскольку смесевые топлива всегда будут в некоторой степени отличаться друг от друга по своим физико-химическим свойствам, необходимо проводить работу над усовершенствованием системы питания8 [21; 22]. Изученные
8 Плотников С. А., Черемисинов П. Н. Исследование свойств альтернативных топлив на основе рапсового масла // Общество, наука, инновации (НПК-2017) : Всерос. ежегод. науч.-практ. конф. : сб. статей. Киров, 2017. С. 1875-1882.
системы питания для дизеля с добавлением биокомпонента имеют ряд преимуществ. К ним можно отнести наличие установленных перед смесителем специальных дозаторов. Эти дозаторы могут управляться, либо кинематически (посредством тяг со впускным коллектором дизеля) [19], либо электронным способом (через ЭБУ с датчиком температуры растительного топлива и индуктивным датчиком нагрузочного и скоростного
режимов двигателя) [20]. Основным недостатком этих систем является то, что они не имеют возможности автоматического регулирования угла опережения впрыска для оптимальной работы дизеля, хотя разработка таковой позволила бы двигателю работать на любом из предложенных составов смесевых топлив. Это могло бы гарантировать экономичность, надежность и увеличить ресурс ДВС при работе на смесях с растительными добавками.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белов В. М., Девянин С. Н., Слепцов О. Н. Применение в дизелях топлива растительного происхождения // Вести Моск. гос. агроинж. ун-та. 2003. Вып. 4. С. 15-21.
2. Карташевич А. Н., Плотников С. А., Черемисинов П. Н. Исследование свойств альтернативных топлив на основе рапсового масла // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. 2017. № 3. С. 144-147. URL: https://clck.ru/33Zrjc (дата обращения: 10.10.2022).
3. Effect of Two-Stage Injection on Combustion and Emissions under High EGR Rate on a Diesel Engine by Fueling Blends of Diesel/Gasoline, Diesel/N-Butanol, Diesel/Gasoline/N-Butanol and Pure Diesel / Z. Zheng [et al.] // Energy Conversion and Management. 2015. Issue 90. doi: http://doi.org/10.1016/j. enconman.2014.11.011
4. Emission and Vibration Analysis of Diesel Engine Fueled Diesel Fuel Containing Metallic Based Nanoparticles / A. Yasar [et al.] // Fuel. 2018. Issue 239. P. 1224-1230. doi: https://doi.org/10.1016/j. fuel.2018.11.113
5. Specific Features of Diesel Fuel Supply under Ultra-High Pressure / J. Zhao [et al.] // Applied Thermal Engineering. 2020. Issue 179. doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115699
6. Виноградов Д. В. Сурепица яровая в южной части нечерноземной зоны // АГРО XXI: электрон. научн. журн. 2010. № 7-9.
7. Brassica Rapa Domestication: Untangling Wild and Feral Forms and Convergence of Crop Morphotypes / A. C. McAlvay [et al.] // Molecular Biology and Evolution. 2021. Vol. 38, Issue 8. P. 3358-3372. doi: https://doi.org/10.1093/molbev/msab108
8. Oil Content and Fatty Acids Composition in Brassica Species / Y. Sharafi [et al.] // International Journal of Food Properties. 2015. Vol. 18, Issue 10. P. 2145-2154. doi: https://doi.org/10.1080/10942912. 2014.968284
9. Svalof F. Per en Vinterhardig Lagerukahostrybs // Aktuellt. 1985. Issue 2. P. 8-9.
10. Grabiek B. Reacjia rzepaku ozimego na nizkie temperatury // Nove rol. 1970. Issue 1. P. 10-11.
11. Dhahad H. A., Chaichan M. T. The Impact of Adding Nano-Al2O3 and Nano-Zno to Iragi Diesel Fuel in Terms of Compression Ignition Engines' Performance And Emitted Pollutants // Thermal Science and Engineering Progress. 2020. Issue 18. doi: https://doi.org/10.1016/j.tsep.2020.100535
12. Использование сурепно-минерального топлива в тракторном дизеле / А. П. Уханов [и др.] // Нива Поволжья. 2012. № 2. С. 70-75. URL: https://clck.ru/33Zrzq (дата обращения: 10.10.2022).
13. Effects of Gasoline Research Octane Number on Premixed Low-Temperature Combustion of Wide Distillation Fuel by Gasoline/Diesel Blend / H. Liu [et al.] // Fuel. 2014. Issue 134. P. 381-388. doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2014.06.019
14. Venu H., Madhavan V. Effect of Al2O3 Nanoparticles in Biodiesel-Diesel-Ethanol Blends at Various Injection Strategies Strategies: Perfomance, Combustion and Emission Characteristics // Fuel. 2016. Issue 186. P. 176-189. doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2016.08.046
15. Плотников С. А., Карташевич А. Н., Черемисинов П. Н. Улучшение смесей дизельного топлива с рапсовым маслом для использования в тракторных дизелях // Двигателестроение. 2017. № 4. С. 21-25.
16. Исследование свойств новых топлив для автотракторной техники / С. А. Плотников [и др.] // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета имени П. А. Костычева. 2022. Т. 14, № 1. С 117-125. doi: https://doi.org/10.36508/RSATU.2022.92.31.014
17. Lenin M. A., Swaminathan M. R., Kumaresan G. Perfomance and Emission Characteristics of a DI Diesel Engine with a Nanofuel Additive // Fuel. 2013. Issue 109. P. 362-365. doi: https://doi. org/10.1016/j.fuel.2013.03.042
18. Preferential Cavitation and Friction-Induced Heating of Multi-Component Diesel Fuel Surrogates Up to 450MPa / A. Vidal [et al.] // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021. Issue 166. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120744
19. Двухтопливная система питания дизеля с автомотическим регулированием состава смесе-вого топлива : патент Российская Федерация 2476716 / Уханов А. П. [и др.]. Аналог.
20. Двухтопливная система питания : патент 2484291 Российская Федерация / Уханов А. П. [и др.]. Прототип.
21. Марков В. А. Теплоэнергетические установки и их системы автоматического управления и регулирования // Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Серия Машиностроение. 2020. № 6. С. 106-130. doi: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2020-6-106-130
22. Исследование работы автотракторного дизеля 4ЧН 11,0/12,5 на смесях дизельного топлива с рапсовым маслом / С. А. Плотников [и др.] // Молочнохозяйственный вестник. 2017. № 1. С. 110-118. URL: https://clck.ru/33ZsbC (дата обращения: 10.10.2022).
Поступила 17.10.2022; одобрена после рецензирования 15.02.2023; принята к публикации 20.02.2023
Об авторах:
Плотников Сергей Александрович, доктор технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения Вятского государственного университета (610000, Российская Федерация, г Киров, ул. Московская, д. 36), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8887-4591, Researcher ID: R-8491-2016, [email protected]
Карташевич Анатолий Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой тракторов, автомобилей и машин для природообустройства Белорусской ГСХА (213410, Республика Беларусь, г. Горки, ул. Мичурина, д. 5), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3649-1521
Заболотских Георгий Эдуардович, аспирант кафедры технологии машиностроения Вятского государственного университета (610000, Российская Федерация, г. Киров, ул. Московская, д. 36), Researcher ID: GWV-5405-2022, [email protected]
Заявленный вклад авторов:
С. А. Плотников - общее руководство, постановка задач исследования.
А. Н. Карташевич - теоретический анализ, формулировка выводов.
Г. Э. Заболотских - проведение лабораторных исследований.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
REFERENCES
1. Belov V.M., Devyanin S.N., Sleptsov O.N. [The Use of Plant-Based Fuels in Diesels]. Vesti Mosk. gos. agroinzh. un-ta. 2003;4:15-21. (In Russ.)
2. Kartashevich A.N., Plotnikov S.A., Cheremisinov P.N. [Study of Properties of Alternative Fuels Based on Rapeseed Oil]. Vestnik Belorusskoy gosudarstvennoy selskokhozyaystvennoy akademii. 2017;(3):144-147. Available at: https://clck.ru/33Zrjc (accessed 10.10.2022). (In Russ.)
3. Zheng Z., Yue L., Liu H., et al. Effect of Two-Stage Injection on Combustion and Emissions under High EGR Rate on a Diesel Engine by Fueling Blends of Diesel/Gasoline, Diesel/N-Butanol, Diesel/ Gasoline/N-Butanol and Pure Diesel. Energy Conversion and Management. 2015;(90). doi: http://doi. org/10.1016/j.enconman.2014.11.011
4. Yasar A., Keskin A., Yildizhan S., Uludamar E. Emission and Vibration Analysis of Diesel Engine Fueled Diesel Fuel Containing Metallic Based Nanoparticles. Fuel. 2018;239:1224-1230. doi: https://doi. org/10.1016/j.fuel.2018.11.113
5. Zhao J., Grekhov L., Ma X., Denisov A. Specific Features of Diesel Fuel Supply under UltraHigh Pressure. Applied Thermal Engineering. 2020;(179). doi: https://doi.org/10.1016/j.appltherma-leng.2020.115699
6. Vinogradov D.V. [Spring Brasssica Rapa in the Southern Part of the Non-Chernozem Zone]. AGRO XXI: elektron. nauchn. zhurn. 2010;(7-9). (In Russ.)
7. McAlvay A.C., Ragsdale A.P, Mabry M.E., et al. Brassica Rapa Domestication: Untangling Wild and Feral Forms and Convergence of Crop Morphotypes. Molecular Biology and Evolution. 2021;38(8):3358-3372. doi: https://doi.org/10.1093/molbev/msab108
8. Sharafi Y., Majidi M.M., Goli A.M.H., Rashidi F. Oil Content and Fatty Acids Composition in Brassica Species. International Journal of Food Properties. 2015;18(10):2145-2154. doi: https://doi.org/10.1 080/10942912.2014.968284
9. Svalof F. Per en Vinterhardig Lagerukahostrybs. Aktuellt. 1985;(2):8-9.
10. Grabiek B. Reacjia rzepaku ozimego na nizkie temperatury. Nove rol. 1970;(1):10-11.
11. Dhahad H.A., Chaichan M.T. The Impact of Adding Nano-Al2O3 and Nano-Zno to Iragi Diesel Fuel in Terms of Compression Ignition Engines' Performance And Emitted Pollutants. Thermal Science and Engineering Progress. 2020;(18). doi: https://doi.org/10.1016Zj.tsep.2020.100535
12. Ukhanov A.P., Ukhanov D.A., Chernyakov A.A., Kryukov V.V. [Use of Brasssica Rapa Oil and Mineral Fuel in a Tractor Diesel Engine]. Niva Povolzhya. 2012;(2):70-75. Available at: https://clck. ru/33Zrzq (accessed 10.10.2022). (In Russ.)
13. Liu H., Wang Z., Wang J., He X. Effects of Gasoline Research Octane Number on Premixed Low-Temperature Combustion of Wide Distillation Fuel by Gasoline/Diesel Blend. Fuel. 2014;(134):381-388. doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2014.06.019
14. Venu H., Madhavan V. Effect of Al2O3 Nanoparticles in Biodiesel-Diesel-Ethanol Blends at Various Injection Strategies Strategies: Perfomance, Combustion and Emission Characteristics. Fuel. 2016;(186):176-189. doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2016.08.046
15. Plotnikov S.A., Kartashevich A.N., Cheremisinov P N. [Improving Blends of Diesel Fuel with Rapeseed Oil for Use in Tractor Diesels]. Dvigatelestroenie. 2017;(4):21-25. (In Russ.)
16. Plotnikov S.A., Zabolotskikh G.E., Kantor P.Ya., Vtyurina M.N. Investigation of the Properties of New Fuels for Automotive Equipment. Vestnik Ryazanskogo gosudarstvennogo agrotekhnologichesk-ogo universiteta imeniP. A. Kostycheva. 2022;14(1):117-125. (In Russ., abstract in Eng.) doi: https://doi. org/10.36508/RSATU.2022.92.31.014
17. Lenin M.A., Swaminathan M.R., Kumaresan G. Perfomance and Emission Characteristics of a DI Diesel Engine with a Nanofuel Additive. Fuel. 2013;(109):362-365. doi: https://doi.org/10.1016/j. fuel.2013.03.042
18. Vidal A., Kolovos K., Gold M.R., et al. Preferential Cavitation and Friction-Induced Heating of Multi-Component Diesel Fuel Surrogates Up to 450MPa. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021;(166). doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120744
19. Ukhanov A.P., Ukhanov D.A., Sidorov Ye.A., et al. [Dual-Fuel Diesel Fuel System With Automatic Regulation of the Blend Fuel Composition]. Patent 2,476,716 Russian Federation. Analogue. (In Russ.)
20. Ukhanov A.P., Ukhanov D.A., Godina Ye.D., Khokhlova Ye.A. [Dual-Fuel Power System]. Patent 2,484,291 Russian Federation. Prototype. (In Russ.)
21. Markov V.A. Heat and Power Plants and Their Automatic Control and Regulation Systems. Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Mechanical Engineering. 2020;(6):106-130. (In Russ., abstract in Eng.) doi: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2020-6-106-130
22. Plotnikov S.A., Cheremisinov P.N., Kartashevich A.N., Biryukov A.L. Study of Car-And-Tractor Diesel 4c4ss (4 Cylinder 4 Stroke Supercharger) 11,0/12,5 Work on Diesel Fuel Mixtures with Rapeseed Oil. Molochnokhozyaystvennyy vestnik. 2017;(1):110-118. Available at: https://clck.ru/33ZsbC (accessed 10.10.2022). (In Russ., abstract in Eng.)
Submitted 17.10.2022; revised 15.02.2023; accepted 20.02.2023
About the authors:
Sergey A Plotnikov, Dr.Sci. (Engr.), Professor of the Chair of Mechanical Engineering Technology, Vyatka State University (36 Moskovskaya St., Kirov 610000, Russian Federation), ORCID: https://orcid. org/0000-0002-8887-4591, Researcher ID: R-8491-2016, [email protected]
Anatoly N. Kartashevich, Dr.Sci. (Engr.), Professor, Head of the Chair of Tractors, Automobiles and Environmental Engineering Machines, Belarusian State Agricultural Academy (5 Michurin St., Gorki 213410, Republic of Belarus), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3649-1521
Georgiy E. Zabolotskikh, Postgraduate Student of the Chair of Mechanical Engineering Technology, Vyatka State University (36 Moskovskaya St., Kirov 610000, Russian Federation), Researcher ID: GWV-5405-2022, [email protected]
Authors contribution:
S. A. Plotnikov - general management, setting research objectives.
A. N. Kartashevich - theoretical analysis, formulation of conclusions.
G. E. Zabolotskikh - conducting laboratory tests.
All authors have read and approved the final manuscript.
