CC BY
1П.А. Болоев, д-р техн. наук, проф., e-mail: boloev.irgsha@yandex.ru М.К. Бураев,. д-р техн. наук,, проф., e-mail: buraev@mail.ru А.В. Шистеев,. канд. техн. наук, ст. преподаватель,. e-mail: Drive-er@yandex.ru Т.В. Бодякина, аспирант, e-mail: Bodt-24@rambler.ru
Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского, г. Иркутск
УДК 621.436
К ВОПРОСУ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ БИОТОПЛИВА В ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
В статье рассмотрены предпосылки использования растительных масел и сложных эфиров в качестве биотоплива для дизельных двигателей. Замена нефтяного топлива на топливо из возобновляемого сырья позволит заметно снизить токсичность отработанных газов и улучшить экологию в городах и сельской местности. Физико-химические свойства эфиров, получаемые путем обработки растительных масел спиртами, приближены к свойствам нефтяных дизельных топлив. Это означает, что биотопливо, полученное на их основе, при стандартном подводе в камеру сгорания с помощью ТНВД способно за минимальное время сформировать топливовоздушную смесь, обеспечивающую легкое воспламенение, плавное и полное сгорание с минимальным содержанием сажи и токсичных элементов в отработанных газах. Топливоподающая система не должна допускать образование осадков и нагароотложений на деталях двигателя.
Ключевые слова: биодизельное топливо, жиры, эфиры, экология, дизельное топливо.
P.A. Boloev, Dr. Sc. Engineering, Prof.
M. K. Buraev, Dr. Sc. Engineering, Prof.
A.V. Shisteev, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
T.V. Bodyakina, P.G.
ON THE PROBLEM OF USING BIOFUELS IN DIESEL ENGINES
The article considers the prerequisites for the use of vegetable oils and esters as biofuels for diesel engines.The replacement of petroleum fuels with renewable fuels will significantly reduce the toxicity of exhaust gases and improve the environment in urban and rural areas. Physico-chemical properties of esters obtained by treating vegetable oils with alcohols are close to the properties ofpetroleum diesel fuels. This means that biofuels obtained on their basis, with a standard supply to the combustion chamber with the help of injection pump, can form a fuel-air mixture in a minimum time, providing easy ignition, smooth and complete combustion with a minimum content of soot and toxic products of elements in commercial exhaust gases. The fuel supply system must not allow the formation ofprecipitates and deposits on the engine parts.
Key words: biodisel fuel, fats, esters, environment, diesel fuel.
Введение
Увеличение цен на нефтепродукты и нефть, уменьшение нефтяных месторождений дают возможность использовать в дизельных двигателях биотоплива на основе растительных масел. Использование биотоплива в дизелях позволит заменить нефтяные топлива на топливо из возобновляемого сырья, что заметно снизит токсичность отработанных газов и улучшит экологию в городах и сельской местности.
В качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания применимы сложные эфиры получаемые путем обработки растительных масел спиртами [2, 4]. Из спиртов более приемлемыми по цене являются метиловые спирты. Сложные эфиры можно получать из различных растительных масел, а также из жиров животного происхождения - говяжьего, свиного сала, рыбьего жира и др.
Цель - обосновать возможность использования возобновляемых источников энергии (сырья) в качестве моторного топлива для дизельных двигателей.
Значительное увеличение производства биодизельного топлива объясняется его сравнительно близкими по физико-химическим свойствам показателями нефтяных дизельных топлив. Сравнивая свойства эфиров с растительными маслами, можно отметить что вязкость сложных эфиров по сравнению с растительными маслами пониженная, а цетановое число - повышенное.
В таблице 1 приведены физико-химические свойства нефтяного дизельного топлива и метиловых эфиров растительных масел [1, 2, 4].
Таблица 1
Физико-химические свойства топлив, вырабатываемых из растительных масел
Физико-химические свойства Нефтепродукты Топлива на основе масла
ДТ МЭРМ МЭПМ
Плотность при 20о С 830 877 886
Вязкость кинематическая при 20о С, мм2/с 3,8 8,0 7,0
Цетановое число 45 48 47
Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг 14,3 12,67 12,53
Теплота сгорания низшая Ни, кДж/кг 42500 37800 37200
Температура самовоспламенения, оС 250 230 240
Температура застывания, оС -35 -21 -17
Содержание серы, % (мас.) 0,20 0,002 0,002
Содержание, % (мас.) С 87,0 77,6 76,7
н 12,6 12,2 12,2
О 0,4 10,2 11,1
Коксуемость, %, не более 0,2 0,3 0,3
Примечание. ДТ - дизельное топливо, МЭРМ - метиловый эфир рапсового масла, МЭПМ - метиловый эфир подсолнечного масла.
Применение биодизельного топлива в дизельных двигателях обеспечивает минимальное время формирования топливо-воздушной смеси в камере сгорания, легкое воспламенение, плавное и полное сгорание с минимальным содержанием сажи, токсичных выбросов в отработанные газы. В топливоподающей системе не допускается образование осадков и нагароотложений на деталях двигателя [7, 8].
При совершенствовании процессов распыливания топлива и смесеобразования в камере сгорания должны быть соблюдены современные требования к показателям токсичности и экономичности отработанных газов дизельных двигателей [1, 2, 3]. Топливо при этом должно обладать определенным фракционным свойством, которое является показателем эксплуатационных свойств топлив для ДВС. Фракционный состав определяет содержание в топливе различных фракций, выкипающих в определенных температурных пределах.
Наличие легких фракций в топливе приводит к снижению ресурса дизельного двигателя. Высокая температура выкипания 96% топлива характеризует наличие тяжелых фракций которые ухудшают смесеобразование, а также увеличивают нагарообразование на деталях цилиндропоршневой группы и таким образом снижают экономичность и надежность работы двигателя. При применении топлива с тяжелыми фракциями вызываются дымность отработанных газов и повышение их температуры, рост удельного расхода топлива загрязнение моторного масла и деталей двигателя сажей и другими продуктами неполного сгорания топлива [4, 5, 6].
Температура кипения нефтяного ДТ в процессе перегонки увеличится с 140 до 350о С. Температура начала кипения биодизельного топлива - от 220 до 285о С.
При повышении температуры выше 310...330° С метиловые эфиры жирных кислот подвержены термическому разложению.
При перегонке биодизельного топлива происходит термическое разложение его компонентов. Основной причиной нагаро- и коксоотложения та деталях камеры сгорания являются образующиеся продукты окисления и полимеризации.
Растительные масла содержат органические соединения, сложные эфиры глицерина, моно- и диацилглицерина.
Вязкость у растительных масел значительно выше, чем у дизельного топлива. У биотоплива вязкость снижается за счет получения из растительных масел сложных метиловых и этиловых эфиров. Метиловый эфир рапсового масла получают при прямой этерификации жирных кислот рапсового масла с метиловым спиртом при 1=80...90°С в присутствии катализатора гидроксида калия [1, 2, 4].
Отметим, что метиловые эфиры рапсового масла и дизельного топлива смешиваются в разных пропорциях и образуют стабильные смеси.
Результаты и обсуждение исследования
Влияние состава ВБТЭ на показатели двигателя изучалось на дизеле Д-240.
При проведении испытаний регулировочные и установочные параметры оставались неизменными.
Исследования проводились на стенде, оборудованном необходимой измерительной аппаратурой. Концентрация в отработанных газах оксидов азота NOx, монооксида углерода СО и несгоревших углеводородов CHx определялись газоанализатором. Испытания дизеля проводились для оценки токсичности отработавших газов в стендовых условиях. Результаты испытаний дизеля Д-240, работающего на разных смесях топлив , приведены в таблиц 2.
Физические свойства исследуемых смесей топлива отличаются от свойств ДТ. Подача смесевого топлива в камеры сгорания осуществляется топливной системой дизеля Д-240 с показателями этого процесса, характерног для дизельног топлива.
Таблица 2
Результаты испытаний дизеля Д-240, работающего на разных смесях растительного масла в биотопливе
Параметры Объем концентрации растительного масла в биотопливе, %
0 5 10 20 40 50
Часовой расход топлива на режимах макс. мощности, СТ 2200 кг/ч 19,03 19,35 19,66 19,66 20,00 20,14
Крутящий момент на режимах макс. мощности, Ме 2200, Н • м 302 302 306 304 304 305
Удельный эффективный расход топлива на режимах макс. мощности 2200, г/кВт.ч 248,1 250,2 251,3 253,9 256,5 260,1
Эффективный КПД на режимах макс. мощности, Т]е 2200 0,320 0,317 0,317 0,319 0,341 0,345
Дымность ОГ на режимах макс. мощности, Кх 2200, % 17,0 17,0 12,5 11,0 10,5 6,0
Дымность ОГ на режимах мин. частоты вращения, Кх 1100, % 34,0 23,0 21,5 24,0 21,0 17,0
Интегральный уд. выброс оксидов азота, емо , г / кВт • ч 7,264 6,774 6,516 6,426 7,354 7,676
Интегральный уд. выброс монооксида углерода, есо, г / кВт • ч 2,734 2,135 2,188 2,086 2,012 1,912
Интегральный уд. выброс углеводородов, есн , г / кВт • ч 0,702 0,614 0,647 0,716 0,684 0,676
Характеристики часового расхода топлива ^ дизеля, работающего на максимальной мощности при частоте вращения коленчатого вала п = 2200мин- и на режиме максимального крутящего момента при п = 1500мин1 , изменяются незначительно с увеличением содержания рапсового масла в топливе.
При переходе Д-240 с дизельного топлива та биотопливо с содержанием рапсового масла до 50 % удельный расход топлива на максимальной мощности возрастает с 248,1 до 260,1 г/кВт • ч. Эффективный КПД двигателя изменяется незначительно - с 0,320 до 0,345 на максимальной мощности.
При экспериментальных исследованиях дизеля на режимах цикла основные параметры двигателя определялись концентрацией в отработанных газах основных нормируемых токсичных компонентов - N0, СО, СНх. Согласно общепринятой методике [3, 4, 5] рассчитаны интегральные удельные выбросы: емо , есо, есн . Результаты представлены в таблице 2. По ним видно, что с увеличением содержания рапсового масла в биотопливе выбросы оксидов азота в отработанных газах сначала снижаются с 7,264 до 6,426 г/кВт • ч, а при увеличении свыше 20 % повышаются до 7,676 г/кВт • ч.
Содержание кислорода в молекулах ВБТЭ благоприятно влияет на выбросы СО. При увеличении количества растительного масла от 0 до 50 % выбросы монооксида углевода снижаются с 2,734 до 1,912 г/кВт • ч. При увеличении количества растительного масла от 0 до 5 % выбросы углеводородов снижаются с 0,702 до 0,614 г/кВт • ч. Показатели дымности и токсичности отработавших газов дизеля Д-240 находятся в сложной зависимости от состава ВБТЭ. Достижение лучших показателей токсичности отработанных газов возможно за счет оптимизации состава биотоплива.
Наиболее токсичные выбросы окислов азота имеют минимальные значен™ при 20 %-ном содержании масла.
В настоящее время европейские мегаполисы собираются закрыть доступ транспорта с дизельными двигателями именно по этой причине, так как в общем объеме токсичных выбросов содержание окислов азота достигает 90 %. Поэтому для снижения токсичных выбросов окислов азота, зависящих в основном от температуры сгорания (около 2000° С, планируется проводить исследования по снижению максимальной температуры цикла путем добавления в биотопливо водотопливных эмульсий (ВБТЭ).
На рисунке изображены данные по дымности Кх на режимах внешней скоростной характеристики. Из графика следует, что с увеличением растительного масла в ВБТЭ зависимость Кх от частоты вращения становится менее заметной.
С увеличением растительного масла от 0 до 50 % отмечается снижение дымности от работавших газов. Значительное снижение дымности наблюдается при применении биотоплива та низких и средних частотах вращения (при п — 1800мин- ).
При увеличении доли растительного масла в смесевом биотопливе концентрация NОх
сначала снижается, а затем увеличивается, а концентрация СО углерода снижается в среднем та 25 %.
Показатели ароматических углеводородов СНх при 5-10 % растительного масла в
ВБТЭ в отработавших газах снижаются, а при увеличении доли растительного масла в биотопливе до 50 % увеличиваются.
РМ, %
Рисунок - Зависимость относительной дымности от содержания РМ в ВБТЭ
при работе дизеля
Выводы
1. Результаты проведенных исследований характеризуют важность регулирования состава топлива в соответствии с режимом работы дизеля.
2. Применение ВБТЭ практически не ухудшает показатели мощности ДВС и не требует дополнительного регулирования топливоподачи. При максимальной мощности удельный расход топлива увеличивается по сравнению с работой на дизельном топливе.
3. На режимах внешней скоростной характеристики работа двигателя та ВБТЭ позволяет снизить дымность в отработанных газах.
Библиография
1. Бодякина Т.В., Гергенова Т.П., Болоев П.А. и др. Растительное сырье как топливо для автотракторных двигателей // Вестник ИрГСХА. - 2017. - № 81/1. - С. 63-67.
2. Девянин С.Н. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей. - М.: Изд. центр ФГОУ ВПО МГАУ, 2008. - 340 с.
3. Болоев П.А. [и др.]. К вопросу определения концентрации оксидов азота в отработанных газах автотракторных двигателей // Вестник ИрГСХА. - 2010. - № 38. - С. 32-36.
4. Макаров В.А. [и др.]. Биодизельные топлива из различных сырьевых ресурсов // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 3 (21). - С. 25-31
5. Савельев Г.С., Измайлов Л.Ю., Кочетков М.Н.Современные возможности использования рапсового масла в качестве топлива в дизельных двигателях // С.-х. машины и технологии. - 2009. -№ 5. - С. 20-23.
6. Савельев Г.С. [и др.]. Снижение нагарообразования при работе дизеля на рапсовом масле с нанокомпозицией // Тракторы и сельхозмашины. - М., 2013. - № 10. - С. 10-13.
7. Фадеев С.А. Улучшение показателей тракторных двигателей при работе на биотопливе, обработанного ультразвуком: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03 / Фадеев Сергей Андреевич; [Место защиты: Сарат. гос. аграр. ун-т им. Н.И. Вавилова]. - Саратов, 2011. - 18 с.
8. Фомин В.М. Анализ технологий химического преобразования альтернативных источников энергии в моторное топливо // Тракторы и сельхозмашины. - М., 2014. - № 10. - С. 3-7.
Bibliography
1. Bodyakina T.V., Gergenova T.P., Boloev P.A. et al. Vegetable raw materials as fuel for motor-tractor engines // Bulletin of IrSAU. - 2017. - № 81/1. - P. 63-67.
2. Devyanin S.N. Vegetable oils and fuel based on them for diesel engines. - M.: Publ. house MSAU, 2008. - 340 p.
3. Boloev P.A. [et al]. On the problem of determining the concentration of nitrogen oxides in exhaust gases of motor-tractor engines // Bulletin of IrSAU. - 2010. - N 38. - P. 32-36.
4. Markov V.A. [et al.]. Biodiesel fuel from various raw materials // Alternative fuel transportatione. -2011. - N 3 (21). - P. 25-31.
5. Savelev G.S., IzmaylovL.Yu., KochetkovM.N. Modern possibilities of using rapeseed oil as a fuel in diesel engines // Agricultural machinery and technology. - 2009. - N 5. - P. 20-23.
6. Savelev G.S. [et al]. Reduction of carbon formation of the diesel on rapeseed oil with nanocomposition. - M., 2013. - N 10. - P. 10-13.
7. Fadeev S.A. Improvement of tractor engine performance when working on biofuel treated with ultrasound: Abstract of diss. ... kand. Techn. Sciences. - Saratov, 2011. - 18 p.
8. Fomin V.M. Analysis of technologies for the chemical transformation of alternative energy sources into motor fuel // Tractors and agricultural machines. - M., 2014. - N 10. - P. 3-7.
