CC BY
35Кукурузное масло как противодымная присадка к нефтяным топливам
B.А. Марков,
профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.,
C.Н. Девянин,
заведующий кафедрой МГАУ им. В.П. Горячкина, д.т.н.
Рассмотрены возможные пути использования кукурузного масла в качестве топлива для дизелей. Проведены экспериментальные исследования дизеля Д-245.12С на смесях дизельного топлива и кукурузного масла различного состава. Показана возможность улучшения показателей токсичности отработавших газов при использовании этих смесей в качестве топлива для автомобильных и тракторных дизелей.
Ключевые слова: дизельный двигатель, дизельное топливо, кукурузное масло, смесевое биотопливо, противодымная присадка.
Corn Oil as Antismoke Additive to Petroleum Fuels
V.A. Markov, S.N. Devyanin
Possible ways of utilizing corn oil as a fuel for diesel engines are considered. Experimental work on D-245.12C diesel engine fueled with mixture of corn oil and diesel fuel of different percentage has been carried out. Possibility of exhaust toxicity characteristics improvement by using these mixtures as a fuel for automotive and tractor diesel engines is demonstrated.
Keywords: diesel engine, diesel fuel, corn oil, biofuel mixture, antismoke additive.
В последние годы в качестве реальной альтернативы нефтяным дизельным топливам рассматриваются различные растительные масла: подсолнечное, рапсовое, хлопковое, соевое, льняное, пальмовое, арахисовое, сурепное и некоторые другие [1]. Их можно использовать в качестве топлива для дизелей в исходном виде или после специальной химической обработки, а также в смеси с нефтяными топливами или спиртами. В настоящее время стоимость растительных масел и топ-лив на их основе соизмерима со стоимостью нефтяных дизельных топлив. Поэтому применение таких топлив в ряде случаев становится экономически выгодным, особенно в тех странах, где растительные масла имеются в избытке [2].
Следует отметить, что полное замещение нефтяных дизельных топлив растительными маслами или их производными (метиловые или этиловые эфиры растительных масел) в ближайшей перспективе маловероятно. Но следует учитывать, что даже при небольшой добавке растительного масла или его метилового эфира (до 5...10 % объема) в нефтяное дизельное топливо существенно улучшаются показатели токсичности отработавших газов (ОГ) дизелей. В частности, при этом снижаются дымность ОГ (выброс сажи) и выбросы продуктов неполного сгорания топлива (в первую очередь - несгоревшие углеводороды) [3]. Таким образом, растительные масла можно рассматривать как экологическую добавку к нефтяным топливам.
Реальным резервом для получения указанной экологической добавки являются фритюрные масла, использованные в системе городского общественного питания и подлежащие утилизации [4-7]. Эта сырьевая база достаточно обширна. Например, в Японии ежегодные отходы фритюр-ных растительных масел составляют 400.600 тыс. т [8].
Одним из наиболее распространенных фритюрных растительных масел является кукурузное масло (КМ) с примерно такой же термической стабильностью, как и подсолнечное. Кукурузное масло получают из зародышей, масличность которых колеблется от 32 до 37 %, а также зерен кукурузы прессованием или экстрагированием органическими растворителями. В кукурузных зародышах сконцентрировано более 80 % жира, содержащегося в кукурузном зерне, около 20 % белков и около 74 % минеральных веществ [9]. По объему мирового производства кукурузное масло уступает лишь таким традиционным маслам, как соевое, пальмовое, рапсовое и подсолнечное, и сопоставимо с выпуском арахисового, хлопкового, кокосового и пальмоядрового масел. На долю кукурузного масла в мире приходится около 4 % [10].
Кукурузное полувысыхающее растительное масло - это жидкость светло-желтого цвета с температурой застывания от -10 до -20 °С, плотностью 914.926 кг/м3, динамической вязкостью при 20 °С 63.72 МПа-с, йодным числом 111.133 [11]. Масло нерастворимо в воде, но растворимо в органических растворителях (кроме высших спиртов), имеет температуру вспышки >25 °С. В жирнокислотном составе кукурузного масла доля насыщенных жирных кислот с числом атомов углерода от 14 до 24 составляет 9.21 %. Среди ненасыщенных жирных кислот 20,0.42,2 % приходится на олеиновую кислоту и 34,0.65,6 % - на линолевую кислоту [12]. В целом можно отметить, что жирнокислот-ный состав кукурузного масла близок к жирнокислотному составу наиболее распространенных растительных масел - рапсового, подсолнечного и др. (табл. 1).
Важнейшими характеристиками моторных топлив и растительных масел, используемых в качестве моторных топлив, являются кривые их фракционной разгонки, показывающие, какая объемная доля топлива испаряется при их нагревании до определенной температуры [1]. При снятии этих характеристик для традиционного дизельного топлива выделяют температуры начала перегонки (начало кипения), перегонки 10, 50, 90 % топлива, а также температуру окончания перегонки (конец кипения), соответствующую перегонке 96 или 98 % топлива. Температура перегонки 10 % топлива характеризует его склонность к
Альтернативное топливо
ш
Таблица 1
Жирнокислотный состав растительных масел, %
Кислота Растительные масла
Соевое Пальмовое Рапсовое Подсолнечное Арахисовое Кукурузное
Бутановая (масляная) С 4:0 0 0 0 0 0 0
Гексановая(капроновая)С 6:0 0 0 0 0 0 0
Октановая (каприловая) С 8:0 0 0 0 0 0 0
Декановая (каприновая) С 10:0 0 0 0 0 0 0
Додекановая (лауриновая) С 12:0 0-0,1 0-0,5 0 0-0,1 0-0,1 0-0,3
Тетрадекановая (миристиновая) С 14:0 0-0,2 0,5-2,0 0-0,2 0-0,2 0-0,1 0-0,3
Гексадекановая (пальмитиновая) С 16:0 8,0-13,5 39,3-47,5 1,5-6,0 5,0-7,6 8,0-14,0 8,6-16,5
Гексадеценовая (пальмитинолеиновая) С 16:1 0-0,2 0-0,6 0-3,0 0-0,3 0-0,2 0-0,5
Гептадекановая (маргариновая) С 17:0 0-0,1 0-0,2 0-0,1 0-0,2 0-0,1 0-0,1
Гептадеценовая (маргаринолеиновая) С 17:1 0-0,1 0 0-0,1 0-0,1 0-0,1 0-0,1
Октадекановая (стеариновая) С 18:0 2,0-5,4 3,5-6,0 0,5-3,1 2,7-6,5 1,0-4,5 0-3,3
Октадеценовая (олеиновая) С 18:1 17,0-30,0 36,0-44,0 8,0-60,0 14,0-39,4 35,0-69,0 20,0-42,2
Октадекадиеновая (линолевая) С 18:2 48,0-59,0 9,0-12,0 11,0-23,0 48,3-74,0 12,0-43,0 34,0-65,6
Октадекатриеновая (линоленовая) С 18:3 4,5-11,0 0-0,5 5,0-13,0 0-0,3 0-0,3 0-2,0
Эйкозановая (арахиновая) С 20:0 0,1-0,6 0-1,0 0-3,0 0,1-0,5 1,0-2,0 0,3-1,0
Эйкозеновая (гадолеиновая) С 20:1 0-0,5 0-0,4 3,0-15,0 0-0,3 0,7-1,7 0,2-0,6
Эйкозадиеновая С 20:2 0-0,1 0 0-1,0 0 0 0-0,1
Докозановая (бегеновая)С 22:0 0-0,7 0-0,2 0-2,0 0,3-1,5 1,5-4,5 0-0,5
Докозеновая (эруковая) С 22:1 0-0,3 0 2,0-60,0 0-0,3 0-0,3 0-0,3
Докозадиеновая С 22:2 0 0 0-2,0 0-0,3 0 0
Тетракозановая (лигноцериновая) С 24:0 0-0,5 0 0-2,0 0-0,5 0,5-2,5 0-0,5
Тетракозеновая(нервоновая)С 24:1 0 0 0-3,0 0 0-0,3 0
Гексакозановая (церотиновая)С 26:0 0 0 0 0 0 0
Таблица 2
Физико-химические свойства исследуемых топлив
Физико-химические свойства Топлива
ДТ КМ 95 % ДТ + 5 % КМ 90 % ДТ + 10 % КМ
Плотность при 20о С, кг/м3 830,0 921,2 834,6 839,1
Кинематическая вязкость (мм2/с) при температуре, °С 20 40 100 3,8 2,4 1,0 66,6 31,2 7,57 - -
Коэффициент поверхностного натяжения при 20 °С, мН/м 27,1 33,0 - -
Низшая теплота сгорания, кДж/кг 42500 37040 42300 41960
Цетановое число 45 37,6 - -
Температура, °С самовоспламенения помутнения застывания 250 -25 -35 -7 -15 - -
Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг 14,31 12,38 14,23 14,11
Массовая доля, % С Н О 87,0 12,6 0,4 77,5 11,5 11,0 86.5 12.6 0,9 86,0 12,5 1,5
Массовая доля серы, % 0,20 0,002 0,190 0,180
Коксуемость 10%-ного остатка, % по массе 0,2 0,5 - -
Примечание. «-» - свойства не определялись; для смеси ДТ и КМ указана объемная доля компонентов, %.
образованию паровых пробок в системе питания дизеля. Средняя испаряемость определяется температурой выкипания 50 % топлива. Наличие тяжелых трудноиспаряющих-ся фракций можно определить по температуре перегонки 90 % топлива.
Кукурузное масло имеет существенно более тяжелый фракционный состав по сравнению с нефтяным дизельным топливом (ДТ) [13]. Так, температура перегонки 50 % фракций дизельного топлива составляет 260 °С, а аналогичная температура для кукурузного масла равна 355 °С. Следует отметить, что исследуемое кукурузное масло при температуре Г>360 °С подвергается термическому разложению.
Известны отдельные исследования дизелей, работающих на кукурузном масле и его смесях с нефтяным дизельным топливом, проведенные некоторыми зарубежными двигателестроительными фирмами [14]. Вместе с тем проблема использования кукурузного масла в качестве экологической добавки к нефтяным топливам является недостаточно изученной. При этом смеси ДТ и КМ с небольшим содержанием кукурузного масла имеют ряд преимуществ по сравнению с чистым кукурузным маслом при их использовании в качестве моторного топлива.
Физико-химические свойства кукурузного масла существенно отличаются от аналогичных свойств нефтяного ДТ. Более тяжелый фракционный состав КМ предопределяет его повышенные плотность и вязкость (табл. 2) [2].
Кукурузное масло имеет несколько меньшую теплотворную способность по сравнению с ДТ, что связано с наличием в молекулах жирных кислот кукурузного масла значительного количества атомов кислорода (массовая доля 11 %). Следует отметить и несколько худшую самовоспламеняемость КМ в условиях камеры сгорания (КС) дизеля. Кукурузное масло более склонно к коксованию в условиях КС дизеля, что может привести к значительным отложениям кокса на стенки КС и распылители форсунок. Кроме того, КМ имеет повышенные температуры помутнения и застывания по сравнению с ДТ, что усложняет холодный запуск дизеля, работающего на кукурузном масле.
С учетом отрицательных качеств кукурузного масла наиболее привлекательно его применение в качестве моторного топлива для работы дизеля на смесях ДТ и КМ с небольшим содержанием последнего. Эти два компонента хорошо смешиваются в любых пропорциях, образуя стабильные смеси. Подбором состава этих смесей можно получить физико-химические свойства, близкие к свойствам стандартного ДТ.
Для оценки возможности использования кукурузного масла в качестве экологической добавки к нефтяному дизельному топливу проведены экспериментальные исследования дизеля Д-245.12С (4ЧН 11/12,5) Минского моторного завода, устанавливаемого на малотоннажные грузовые автомобили ЗиЛ-5301 «Бычок». Некоторые параметры дизеля и условия эксперимента приведены в [15].
При испытаниях использовались дизельное топливо марки «Л» по ГОСТ 305-82 и его смеси, содержащие 5 и 10 % КМ (см. табл. 2). Исследовалось кукурузное масло, производимое ОАО «ЭФКО» (г. Алексеевка Белгородской обл.).
Ые, кВт 80
60
40
20
5т, кг/ч
18
14
10
Кх,% 50
30
10
X-к-1 о-----о - 2 л---л - 3
Я«4
Л/е N
Л
У
Ьтг-—.,
Л
/ V
•г
Ст
Г
/I У \
Г
а
N
к—^
V
> к*
N
>
9е
Ме, Нм
360
320 280
а 2,4
2,0 1,6
1,2
9е, г
кВт ч 260
240
220
1000
1400
1800
2200
Рис. 1. Зависимость эффективной мощности крутящего момента Ме, расхода топлива вт, коэффициента избытка воздуха а, дымности ОГ Кх и удельного эффективного расхода топлива де от частоты вращения п коленчатого вала дизеля Д-245.12С на режимах внешней скоростной характеристики при использовании различных топлив: 1 - ДТ; 2 - смесь 95 % ДТ и 5 % КМ; 3 - смесь 90 % ДТ и 10 % КМ
На первом этапе испытания дизеля Д-245.12С проводились на дизельном топливе и на смесях ДТ и КМ на режимах внешней скоростной характеристики. При этом отмечены слабая зависимость часового расхода топлива Gт, коэффициента избытка воздуха а, крутящего момента двигателя Ме и его эффективной мощности N от вида применяемого топлива (рис. 1). Такое незначительное изменение мощностных показателей (Ме и Ме) не требует изменения исходных регулировок дизеля.
Наличие в молекулах жирных кислот кукурузного масла значительного количества атомов кислорода приводит к снижению теплотворной способности исследуемых смесей ДТ и КМ (см. табл. 2) и к соответствующему увеличению удельного эффективного расхода топлива де. В частности, на режиме максимальной мощности при п=2400 мин-1 перевод исследуемого дизеля с ДТ на смесь 95 % ДТ+5 % КМ и на смесь 90 % ДТ + 10 % КМ сопровождается увеличением д
Альтернативное топливо
с 247,3 до 251,4 и 251,8 г/(кВт-ч) соответственно, однако при этом эффективный КПД дизеля г|е изменяется незначительно.
Наличие кислорода в молекулах КМ благоприятно сказывается на дымности ОГ Кх. На всех исследованных скоростных режимах при переводе двигателя с ДТ на смесь 90 % ДТ + 10 % КМ дымность ОГ снижалась на 7...23 %. При указанной смене топлива наибольшее снижение дымности ОГ отмечено на режиме с п=2000 мин-1. Дымность ОГ уменьшилась с 26 до 20 % по шкале Хартриджа. На режиме максимальной мощности при п=2400 мин-1 дымность ОГ снизилась с 18,0 до 14,0 % по шкале Хартриджа, на режиме максимального крутящего момента при п=1500 мин-1 - с 40,0 до 37,0 % по шкале Хартриджа, а на режиме
с минимальной исследованной частотой вращения при п=1080 мин-1 - с 52,5 до 47,5 % по шкале Хартриджа.
Экспериментальные исследования Д-245.12С на режимах 13-ступенчатого цикла показали, что характеристика часового расхода топлива Gт (рис. 2а) свидетельствует о том, что на большинстве исследованных режимов замена ДТ смесями ДТ и КМ приводит к небольшому увеличению вызванному повышенными плотностью и вязкостью кукурузного масла. Однако, как отмечено выше, влияние вида топлива на часовой расход топлива Gт сравнительно невелико.
Тип применяемого топлива оказывает сравнительно небольшое влияние на концентрацию в ОГ оксидов азота СМОх (рис. 26). При работе дизеля Д-245.12С на ДТ, смеси 95 % ДТ
Альтернативное топливо
т
+ 5 % КМ и смеси 90 % ДТ + 10 % КМ на режиме холостого хода при п=890 мин-1 объемное содержание оксидов азота в ОГ СМОх составило 90 ррт или 0,0090 % при использовании всех трех видов топлива. На режиме максимального крутящего момента при п=1500 мин-1 значения СМОх равны соответственно 650, 650 и 620 ррт, а на режиме максимальной мощности при п=2400 мин-1 - 600, 600 и 550 ррт.
Вид применяемого топлива в существенно большей степени оказывает влияние на содержание в ОГ монооксида углерода ССО (рис. 2е). При работе дизеля Д-245.12С на трех рассматриваемых топливах на режиме холостого хода при п=890 мин-1 концентрации ССО оказались равны соответственно 525, 390 и 375 ррт, на режиме максимального крутящего момента при п=1500 мин-1 - 470, 420 и 450 ррт, а на режиме максимальной мощности при п=2400 мин-1 - 255, 190 и 210 ррт.
Значительное положительное влияние тип применяемого топлива оказывает на концентрацию в ОГ исследуемого дизеля несгоревших углеводородов ССН (рис. 2г). При переводе дизеля Д-245.12С с ДТ на смеси 95 % ДТ + 5 % КМ и 90 % ДТ + 10 % КМ на режиме холостого хода при п=890 мин-1 содержание несгоревших углеводородов в ОГ ССН снижается с 328 до 260 и 250 ррт, на режиме максимального крутящего момента при п=1500 мин-1 - с 231 до 168 и 145 ррт, а на режиме максимальной мощности при п=2400 мин-1 - со 183 до 138 и 110 ррт.
По представленным на рис. 2 данным по содержанию в ОГ газообразных токсичных компонентов определялись интегральные удельные массовые выбросы токсичных компонентов на режимах 13-ступенчатого цикла ЕСЕ Р49. При этом интегральные показатели токсичности ОГ рассчитывались с учетом коэффициентов К, отражающих продолжительность /-го режима. При оценке токсичности ОГ для каждого режима вычислялись часовые массовые выбросы токсичных компонентов ОГ, которые суммировались за весь цикл по каждому компоненту, и затем делением на условную среднюю мощность дизеля
за испытательный цикл определялись удельные выбросы вредных веществ по формулам
13 13 13
е
NQx 13
где Етх. , ЕСО/ , ЕСН/ - массовые выбросы оксидов азота, монооксида углерода и несгоревших углеводородов на /-м режиме, г/ч; Ме. - мощность двигателя на /-м режиме, кВт; К - коэффициент, отражающий продолжительность /-го режима.
По представленным на рис. 2 характеристикам часового расхода топлива Gт рассчитаны удельный эффективный расход топлива де и эффективный КПД дизеля пе на каждом /-м режиме, а также условные (средние на режимах 13-сту-пенчатого цикла) значения д и п по зависимостям
^ -'в усл 1в усл
1000G. 3600
ge = „ ; -
N.
Hug<
8еусл 13
IX*.
;
3600 Н в
и о еусл
где Ни - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг (см. табл. 2).
Экспериментальные данные подтверждают возможность заметного улучшения показателей дымности и токсичности ОГ исследуемого дизеля при использовании в качестве топлива смесей ДТ и КМ. Так, при замене ДТ смесью 90 % ДТ и 10 % КМ дымность ОГ Кх на режиме максимальной мощности при п=2400 мин-1 уменьшилась на 22,2 %. При этом удельный массовый выброс оксидов азота вМОх на режимах 13-ступен-чатого испытательного цикла снизился на 3,2 %, выброс монооксида углерода еСО уменьшился на 13,8 %, выброс несгоревших углеводородов еСН снизился на 30,0 %, а условный средний эффективный КПД на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла п практически не изменился.
е усл
В целом, проведенный комплекс экспериментальных исследований подтвердил эффективность использования кукурузного масла в качестве антидымной и экологической добавки к нефтяным дизельным топливам для отечественных транспортных дизелей.
Литература
1. Марков В.А., Гайворонский А.И., Грехов Л.В., Иващенко Н.А. Работа дизелей на нетрадиционных топливах: Учебное пособие. - М.: Изд-во «Легион-Автодата», 2008. - 464 с.
2. Девянин С.Н., Марков В.А., Семенов В.Г. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей. - М.: Издательский центр ФГОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина, 2008. - 340 с.
3. Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. - 376 с.
4. Neue Technik: Fette werden zu «Biodiesel» // Brennstoffspiegel. - 2002. - № 10. - Р. 4.
5. Nye M.J., Williamson T.W., Deshpande S. et al. Conversion of Used Frying Oil to Diesel Fuel by Transesterification: Preliminary Tests // Journal of the American Oil Chemists' Society. - 1983. - Vol. 60. - № 8. - P. 1598-1601.
6. Payri F., Macian V., Arregle J. et al. Heavy-Duty Diesel Engine Performance and Emission Measurements for Biodiesel (from Cooking Oil) Blends Used in the ECOBUS Project // SAE Technical Paper Series. - 2005. - № 2005-01-2205. - P. 1-7.
7. Supple B., Howard-Hildige R., Gonzales-Gomez E. et al. The Effect of Steam Treating Waste Cooking Oil of the Yield of Methyl Ester // Journal of the American Oil Chemists' Society. - 2002. - Vol. 79. - № 2. - P. 175-178.
8. Hamasaki K., Tajima H., Takasaki K. et al. Utilization of Waste Vegetable Oil Methyl Ester for Diesel Fuel // SAE Technical Paper Series. - 2001. - № 2001-012021. - P. 1-6.
9. Химическая энциклопедия (в пяти томах): Том 4. / Под ред. Н.С. Зефирова. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1995. - 639 с.
10. Марков В.А., Девянин С.Н., Шустер А.Ю. Использование подсолнечного масла в качестве топлива для дизелей // Грузовик. - 2009. - № 4. - С. 46-56.
11. ГОСТ 8808-73. Масло кукурузное. Технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 1973. - 10 с.
12. Кодекс Алиментариус (лат. «Продовольственный кодекс»). Жиры, масла и производные продукты: Пер. с англ. - М.: Изд-во «Весь мир», 2007. - 68 с.
13. Goering C.E., Schwab A.W., Daugherty M.J. et al. Fuel Properties of Eleven Vegetable Oils // Transactions of the ASAE. - 1982. - Vol. 25. - № 6. -P. 1472-1477, 1483.
14. Erdogan D., Mohammed A.A. Effect of Preheated Corn Oil as Fuel on Diesel Engine Performance // Agricultural Mechanization in Asia, Africa and Latin America. - 1999. - Vol. 30. - № 3. - P. 56-58.
15. Марков В.А., Девянин С.Н., Маркова В.В. Использование подсолнечного масла в качестве топлива для дизеля // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - № 5. - С. 42-47.
