CC BY
48Метиловый эфир подсолнечного масла как экологический компонент нефтяных моторных топлив
I
B.А. Марков, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.,
C.Н. Девянин, профессор, зав. кафедрой МГАУ им. В.П. Горячкина, д.т.н.,
Е.А. Улюкина, профессор, зав. кафедрой РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева, д.т.н, Н.Н. Пуляев, доцент кафедры РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева, к.т.н.
В статье проведен анализ физико-химических свойств биодизельных топлив, полученных из различных сырьевых ресурсов. Проведены экспериментальные исследования показателей дизеля Д-245.12С, работающего на смесях дизельного топлива и метилового эфира подсолнечного масла различного состава. Проведен анализ химической агрессивности метилового эфира подсолнечного масла к ряду конструкционных материалов.
__Ключевые слова:
дизельный двигатель, дизельное топливо, биодизельное топливо, метиловый эфир подсолнечного масла, смесевое биотопливо, химическая агрессивность.
окращение запасов нефтяных месторождений, повышение цен на нефть и нефтепродукты, острые экологические проблемы мегаполисов приводят к необходимости поиска замены традиционным нефтяным моторным топливам. Перспективны топлива, производимые из возобновляемых сырьевых ресурсов, в первую очередь -из сырья растительного происхождения [1, 2]. Применительно к дизелям все шире используются топлива, получаемые из различных растительных масел [3, 4]. Для централизованного снабжения мегаполисов моторными топливами в наибольшей степени подходят сложные эфиры растительных 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 с образованием стойких смесей.
Основой производства сложных эфи-ров растительных масел являются реакции этерификации, представляющие собой реакции взаимодействия жирных кислот растительных масел со спиртами. В общем случае получение эфиров из кислот может быть выражено уравнением химической реакции этерификации, представленным на рис. 1 [5]. При протекании данной 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.
При этерификации жирных кислот растительных масел могут быть использованы различные спирты - метанол, этанол, пропанол, бутанол. Но наименьшая цена моторного топлива достигается
^-С !+ Н ¡ОН
о-ъ
+ Н20
о-^
Кислота Спирт
Эфир
Вода
Рис. 1. Реакция этерификации кислоты спиртом с образованием эфира
при этерификации жирных кислот растительных масел метанолом.
В странах Евросоюза биодизельное топливо производится из различных растительных масел: около 84 % биодизельного топлива приходится на долю метилового эфира рапсового масла (МЭРМ), 13 % - на долю метилового эфира подсолнечного масла (МЭПМ), по 1 % - на сложные эфиры, производимые из соевого, пальмового и остальных масел [3].
В мировом производстве растительных масел ведущее место занимают соевое и рапсовое масла, а в России наиболее распространенным является подсолнечное масло (ПМ) (рис. 2) [3]. Объем его производства превышает 80 % общего объема производства растительных масел. Это растительное масло вызывает дополнительный интерес еще и потому, что биодизельное топливо может быть получено из отработанного фритюрного ПМ, используемого
в пищевой промышленности и системе общественного питания.
Производство биодизельных топлив из растительного сырья привлекательно тем, что позволяет ввести в оборот неиспользуемые плодородные земли, создать новые рабочие места и обеспечить достойную заработную плату в сельском хозяйстве. При комплексном использовании сельскохозяйственной продукции - одновременном производстве МЭПМ, глицерина и жмыха, являющегося ценным белковым продуктом и применяемого для откорма крупного рогатого скота, - цена биодизельного топлива становится соизмеримой с ценой нефтяных ДТ.
Характерной особенностью биодизельных топлив, производимых из растительных масел, является присутствие в их молекулах атомов кислорода (их содержание составляет 10...12 % по массе, у нефтяного ДТ - 0,4 %). Наличие этого кислорода благоприятно сказывается
Рис. 2. Валовой сбор маслосемян в мире (а) и в России (б)
б
а
на процессе сгорания биодизельного топлива и позволяет уменьшить выбросы с отработавшими газами (ОГ) продуктов неполного сгорания. Практическое отсутствие в МЭПМ серы снижает выбросы в атмосферу ее оксидов (соединяясь с парами воды в атмосфере земли они способствуют возникновению кислотных дождей). Поскольку в МЭПМ отсутствуют и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), отмечено существенно меньшее содержание канцерогенных веществ (бенз(а)пирен и другие ПАУ) в ОГ дизелей, работающих на этом эфире.
Одним из основных преимуществ использования биотоплив является возможность сокращения выброса в атмосферу основного парникового газа -диоксида углерода (углекислый газ) СО2. Это обусловлено тем, что при их сгорании, в частности, при сгорании МЭПМ, выделяется примерно такое же количество углекислого газа, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьем для производства ПМ, за весь период его жизни.
Возможность использования растительных масел и их эфиров в качестве моторного топлива предопределяется их физико-химическими свойствами. Жирные кислоты, являющиеся основным компонентом растительных масел, представляют собой высокомолекулярные кислородсодержащие соединения с углеводородным основанием. По своей химической структуре они схожи
с углеводородами, входящими в состав нефтяного ДТ. В свою очередь, структурные формулы метиловых эфиров жирных кислот и самих жирных кислот также достаточно близки. В качестве примера в табл. 1 приведены структурные формулы эруко-вой кислоты, ее метилового эфира и углеводорода, относящегося к классу алкадиенов [3]. Структура жирной кислоты отлична от структуры углеводорода замещением углеводородного радикала СН3 карбоксильной группой СООН. Структурные формулы углеводорода и эфира отличаются тем, что радикал СН3 замещен группой СООСН3. Указанные особенности химической структуры жирных кислот и их эфиров обусловливают отличия физико-химических свойств биотоплив и традиционных ДТ.
Поскольку структурные формулы жирных кислот растительных масел и углеводородов ДТ подобны, 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 они применяются в качестве топлива для дизелей. Этому способствуют сравнительно невысокая термическая стабильность масел и приемлемая температура их самовоспламенения, равная £св-280...320 °С и лишь немного превышающая температуру самовоспламенения нефтяного
Таблица 1
Химическая формула эруковой кислоты, ее метилового эфира и углеводорода, относящегося к классу алкадиенов
Вещество Формула состава Структурная формула
Кислота С22Н4202 СН3-(СН2)7"СН-СН-(СН2)П- с_0Н
Эфир С23Н4402 СН3-(СН2)7-СН=СН-(СН2)П-С _оон3
Углеводород С23Н44 СН3-(СН2)8-СН=СН-СН2-СН=СН-(СН2)8-СН3
Таблица 2
Физико-химические свойства растительных масел
Физико-химические свойства Масла
рапсовое подсолнечное соевое пальмовое оливковое хлопковое арахисовое
Плотность при 20 °С, кг/м3 916 923 924 918 914 919 917
Вязкость кинематическая, мм2/с, при: 20 °С 40 °С 100 °С 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, Ии , МДж/кг 37,3 37,0 36.39 37,1 - - 37,0
Температура самовоспламенения, °С 318 320 318 315 285 316 -
Температура застывания, °С -20 -16 -12 +30 -12 -18 -
Содержание серы, % (масс.) 0,002 - - - - - -
Содержание, % по массе 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 К0Н/100 мл топлива 4,66 2,14 0,03 0,17 5,90 0,23 -
Коксуемость 10%-ного остатка, %, не более 0,40 0,51 0,44 - 0,20 0,23 -
Примечание: «-» - свойства не определялись.
ДТ (£св=230...300 °С). При этом цета-новое число (ЦЧ) различных растительных масел изменяется в пределах от 33 до 50 ед. (табл. 2), что сопоставимо с цетановым числом ДТ (ЦЧ=40...55) [3].
Отличительной особенностью
МЭПМ является его более тяжелый фракционный состав (рис. 3, см. кривые фракционной разгонки этого эфира и базового ДТ) [6]. Если используемое в работе [6] базовое ДТ выкипает в пределах от 190 до 340 °С, то МЭПМ имеет диапазон температур перегонки 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 оказывают влияние на параметры 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) производства Минского моторного завода на нефтяном ДТ и смесях ДТ и МЭПМ, содержащих до 40 % (по объему) МЭПМ. Некоторые результаты этих исследований приведены ниже. В табл. 3 представлены параметры дизеля типа Д-245.12С.
Рис. 3. Зависимость количества испарившегося топлива от температуры разгонки: 1 - базовое дизельное топливо; 2 - МЭПМ
Дизель исследован на моторном стенде АМО «ЗиЛ» на режимах внешней скоростной характеристики (ВСХ) и 13-ступенчатого испытательного цикла Правил 49 ЕЭК ООН с установочным УОВТ 0=13° поворота коленчатого вала
Параметры дизеля Д
до ВМТ и неизменным положением упора дозирующей рейки ТНВД. Моторный стенд был оборудован комплектом измерительной аппаратуры. Дымность ОГ измерялась с помощью ручного дымомера МК-3 фирмы Hartridgе (Великобритания) с погрешностью измерения ±1%. Концентрации N0^ СО, СН в ОГ определялись газоанализатором SAE-7532 японской фирмы Уаиасо с погрешностями измерения указанных компонентов ±1%.
Исследовались нефтяное ДТ и его смеси с метиловым эфиром подсолнечного масла, содержащие от 5 до 40 % МЭПМ. Исследуемый МЭПМ был произведен во Всероссийском научно-исследовательском институте использования техники и нефтепродуктов Россельхозакадемии (ГНУ «ВНИИТиН», г. Тамбов). Некоторые физико-химические свойства нефтяного ДТ, МЭПМ и указанных смесей представлены в табл. 4.
Таблица 3
245.12С (4 ЧН 11/12,5)
Параметры Значение
Тип двигателя Четырехтактный, рядный, дизельный
Число цилиндров 4
Диаметр цилиндра В, мм 110
Ход поршня 5, мм 125
Общий рабочий объем {Ун, л 4,32
Степень сжатия £ 16,0
Система турбонаддува Турбокомпрессор ТКР-6 Борисовского завода автоагрегатов
Тип камеры сгорания, способ смесеобразования Камера сгорания типа ЦНИДИ, объемно-пленочное смесеобразование
Система питания Разделенного типа
Топливный насос высокого давления (ТНВД) Рядный типа PP4M10U1f фирмы Motorpal с всережимным центробежным регулятором
Диаметр плунжеров ТНВД йпл, мм 10
Ход плунжеров ТНВД кпл, мм 10
Длина нагнетательных топливопроводов 1т, мм 540
Форсунки Типа ФДМ-22 производства ОАО «Куроаппаратура» (г. Вильнюс)
Распылители форсунок Фирмы Motorpal типа DOP 119S534 с пятью сопловыми отверстиями диаметром ¿р=0,34 мм и проходным сечением цр/р=0,250 мм2
Давление начала впрыскивания форсунок рф , МПа 21,5
Таблица 4
Физико-химические свойства исследуемых топлив
Топлива
Свойства 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
Вязкость кинематическая при 20 °С, мм2/с 3,8 7,0 4,0 4,2 4,3 4,4 5,0
Теплота сгорания низшая, кДж/кг 42 500 37 200 42 200 41 900 41 700 41 400 40 400
Цетановое число 45 47 - - - - -
Температура помутнения, °С -25 -13 - - - - -
Температура застывания, °С -35 -17 - - - - -
Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 14,30 12,53 14,23 14,11 14,03 13,96 13,59
Содержание, % по массе 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, % по массе 0,20 0,002 0,19 0,18 0,17 0,16 0,12
Коксуемость 10%-ного остатка, % по массе 0,20 0,30 0,21 0,21 0,22 0,22 0,24
Примечание: «-» - свойства не определялись; для смесей указано объемное процентное содержание компонентов.
Таблица 5
Показатели дизеля Д-245.12С, работающего на различных топливах
Топлива
Показатели ДТ 95% ДТ+ 5% МЭПМ 90% ДТ+ 10% МЭПМ 85% ДТ+ 15% МЭПМ 80% ДТ+ 20% МЭПМ 60% ДТ+ 40% МЭПМ
Часовой расход топлива От, кг/ч на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 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 Ме, Н-м на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 310 359 306 356 313 355 307 353 309 357 311 357
Удельный эффективный расход топлива ge, г/(кВт-ч) на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 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 це на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 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 на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 15,0 36,0 13,0 37,0 10,0 36,0 10,0 35,0 8,0 34,0 6,0 25,0
Интегральные на режимах 13-ступенчатого цикла эффективный расход топлива gе усл, г/(кВт-ч) эффективный КПД г|е усл 241,32 0,351 250,40 0,341 251,31 0,342 252,75 0,342 255,07 0,341 258,49 0,345
Интегральные на режимах 13-ступенчатого цикла удельные массовые выбросы, г/(кВт-ч) оксидов азота еЫОх монооксида углерода еСО несгоревших углеводородов еСН 5,948 2,782 1,006 5,905 2,767 0,924 5,894 2,428 0,829 5,724 2,288 0,821 5,718 2,171 0,813 5,742 1,949 0,784
На первом этапе исследований проведены испытания дизеля Д-245.12С на чистом ДТ и на смеси 80 % ДТ и 20 % МЭПМ на режимах ВСХ. Из-за наличия в молекулах МЭПМ атомов кислорода теплотворная способность смесевого биотоплива была 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 «=2400 мин1 удельный эффективный расход топлива gе увеличился от 246,6 до 254,0 г/(кВт-ч), а на режиме максимального крутящего момента при «=1500 мин1 - от 221,1 до 231,8 г/(кВт-ч). Но при этом изменения эффективного КПД дизеля це на этих режимах не превышали 1,6 % (табл. 5).
Вместе с тем наличие в молекулах МЭПМ атомов кислорода привело к заметному уменьшению дымности ОГ при работе дизеля Д-245.12 на указанной смеси. Так, на режиме максимальной мощности при «=2400 мин1 переход с ДТ на смесь 80 % ДТ и 20 % МЭПМ (см. табл. 5) сопровождался снижением дымности ОГ Кх от 15,0 до 8,0 % по шкале Хартриджа, а на режиме максимального крутящего момента при «=1500 мин1 - от 36,0 до 34,0 % по той же шкале.
По полученным характеристикам содержания в ОГ нормируемых токсичных компонентов (оксидов азота N0х, монооксида углерода СО, не-сгоревших углеводородов СН) с использованием общепринятых методик рассчитаны их интегральные удельные массовые выбросы на режимах 13-ступенчатого цикла (соответственно еЫОх, еС0, еСН). Оценка эксплуатационного расхода топлива на режимах 13-ступенчатого цикла проведена по среднему (условный) удельному эффективному расходу топлива, который определялся с использованием зависимости [3]:
ёе уел
I , к,
1=1_
X N ,К,
где Ст!. и Ые, - часовой расход топлива и эффективная мощность двигателя на ,-м режиме.
Топливная экономичность дизеля при его работе на исследуемых топли-вах оценивалась не только удельным эффективным расходом топлива gе, но и эффективным КПД дизеля це. Причем для интегральной оценки работы дизеля на режимах 13-ступенчатого цикла использован условный эффективный КПД, определяемый из соотношения
Л
е уел
3 600
Ни ёе уел
где Ни - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.
Этот условный эффективный КПД рассчитан с использованием указанной методики и полученных экспериментальных данных (см.табл. 5).
По результатам испытаний отмечена возможность улучшения показателей токсичности ОГ дизеля Д-245.12С при его переводе с ДТ на смесь 80 % ДТ и 20 % МЭПМ. Так, на режиме максимальной мощности при «=2400 мин1 дымность ОГ снизилась на 46,7 %, а на режиме максимального крутящего момента при «=1500 мин1 - на 5,6 %. При этом интегральный на режимах 13-ступенчатого цикла эффективный КПД пе усл уменьшился с 0,351 до 0,341, то есть на 2,8 %, удельный массовый выброс оксидов азота еЯ0х сократился с 5,948 до 5,718 г/(кВт-ч), то есть на 3,9 %, удельный массовый выброс монооксида углерода еС0 снизился с 2,782 до 2,171 г/(кВт-ч), или на 22,0 %, а удельный массовый выброс углеводородов еСН - с 1,006 до 0,813 г/(кВт-ч), или на 19,2 % (см. табл. 5).
1=1
36
Ст,кг/ч 20
16 12
а 2,2
1,8 1,4
-1 ----2
'—°— V
/
\
)ме
^^^ ^____.' *—„ 1
Т--
Г
Н-м 380
340
300
10 20 30 Сш»пм,%
Рис. 4. Зависимость часового расхода топлива Ст дизеля типа Д-245.12С, крутящего момента Ме и коэффициента избытка воздуха а от содержания МЭПМ в смесевом биотопливе СМЭПМ на режимах ВСХ: 1 - на режиме максимальной мощности при «=2400 мин-1; 2 - на режиме максимального крутящего момента при «=1500 мин-1
Экспериментальные данные по дизелю типа Д-245.12С получены и при его работе на смесевых биотопливах, содержащих различное соотношение ДТ и МЭПМ. Характеристики на рис. 4 свидетельствуют о том, что увеличение содержания МЭПМ в смесевом биотопливе СМЭПМ от 0 до 40 % приводит к некоторому росту часового расхода топлива От. Так, на режиме максимального крутящего момента при «=1500 мин1 часовой расход топлива увеличился от 12,51 до 13,14 кг/ч, а на режиме максимальной мощности при «=2400 мин1 -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 рис. 5 и в табл. 5. Увеличение концентрации МЭПМ в смесевом биотопливе СМЭПМ от 0 до 40 % сопровождалось ростом удельного эффективного расхода топлива ge. На режиме максимального крутящего момента при «=1500 мин1 расход топлива ge увеличился от 222,1 до 234,5 г/(кВт-ч), а на режиме максимальной мощности при «=2400 мин1 - от 246,6 до 257,0 г/(кВт-ч). Но при этом эффективный КПД дизеля це изменялся сравнительно слабо. Вместе с тем отмечена сильная зависимость дымности ОГ от состава топлива. При росте СМЭПМ от 0 до 40 % на режиме максимального крутящего момента при «=1500 мин1 дымность ОГ Кх снизилась от 36 до 25 % по шкале Хартриджа, а на режиме максимальной мощности при «=2400 мин1 - от 15 до 6 % по той же шкале (в 2,5 раза).
Рис. 5. Зависимость удельного эффективного расхода топлива gе дизеля типа Д-245.12С, его эффективного КПД це и дымности ОГ Кх от содержания МЭПМ в смесевом биотопливе СМЭПМ на режимах ВСХ:
1 - на режиме максимальной мощности при «=2400 мин-1; 2 - на режиме максимального крутящего момента при «=1500 мин-1
Характеристики и значения удельных массовых выбросов токсичных компонентов еКОх, есо, есн на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла, представленные на рис. 6 и в табл. 5, подтвердили возможность заметного улучшения показателей токсичности ОГ дизеля при использовании смесей ДТ и МЭПМ. При росте содержания МЭПМ в ДТ от 0 до 40 % удельные массовые выбросы оксидов азота МОх снизились с 5,948 до 5,742 г/(кВт-ч), то есть на 3,5 %, монооксида углерода СО -с 2,782 до 1,949 г/(кВт-ч), то есть на 29,9 %, углеводородов СН - от 1,006 до 0,784 г/(кВт-ч), или на 22,1 %. Одновременно отмечено незначительное снижение условного эффективного КПД дизеля це усЛ на 1,7 % - от 0,351 при Смэом=0 до 0,345 при Смэпм=40 %.
0,36
0,35
0,34
1еусг
,г/(кВтч)
►
Пе усл
Г7—с
©со Г-
©СИ /
о
10
20
30 С*
Рис. 6. Зависимость условного эффективного КПД цеусл дизеля типа Д-245.12С и его удельных массовых выбросов - оксидов азота еыО%, монооксида углерода есО и несгоревших углеводородов есн - от содержания МЭПМ в смесевом биотопливе СМЭПМ на режимах 13-ступенча-того цикла
Отмеченная выше трансформация параметров и характеристик исследуемого дизеля при его переводе с нефтяного ДТ на МЭПМ обусловлена изменением эксплуатационных свойств изучаемых биотоплив (см. табл. 4). К тому же в ряде работ [3, 4, 10] отмечена повышенная агрессивность (коррозионная активность) метиловых эфиров растительных масел (в частности, МЭРМ и МЭПМ) к ряду конструкционных материалов. В связи с этим значительный интерес представляют исследования эксплуатационных свойств рассматриваемых биотоплив.
В работе [11] проведено исследование эксплуатационных свойств биотоплив на основе растительного масла и были получены данные по фракционному составу метилового эфира рапсового и метилового эфира подсолнечного масел. Рассмотрены различные смеси этих эфиров с нефтяным ДТ. Пробирки со смесевым топливом и с МЭПМ выдерживали при температуре 20.. .22 °С в темном помещении и на свету, закрытые пробками и открытые. Образцы регулярно осматривали, фотографировали и фиксировали изменения, происходящие в них. Через 30 суток в образцах, которые хранились открытыми на свету, началось расслоение топлива, в нижней части пробирки образовался слой светло-желтой жидкости (МЭПМ). Необходимо отметить, что эти изменения произошли только в образцах с содержанием МЭПМ 5 и 10 %, другие смеси (с содержанием МЭПМ 25 и 50 %) остались гомогенными (рис. 7я). Аналогичные результаты были получены для образцов в закрытых пробирках. Образцы, которые хранились в темноте, не претерпели никаких видимых изменений (рис. 7 б).
При более длительном хранении образцов (в течение 6 мес) на свету происходит дальнейшее расслоение смесе-вого топлива с содержанием МЭПМ 5 и 10 %, при этом цвет нижнего слоя становится более насыщенным, а его высота увеличивается от 3 до 12 мм (рис. 8а).
Рис. 7. Образцы с биотопливом (МЭПМ, 5, 10, 25 и 50 % смеси МЭПМ с ДТ) после хранения открытыми на свету в течение 30 суток (а) и образцы с биотопливом (МЭПМ, 50, 25, 10 и 5 % смеси МЭПМ с ДТ) после хранения закрытыми в темноте в течение 30 суток (б)
а б
Рис. 8. Образцы с биотопливом (МЭПМ и смеси с ДТ) после хранения в течение 6 мес закрытыми (а) и открытыми (б) на свету
Смеси с содержанием МЭПМ 50 % остались однородными, но наблюдалось расслоение смеси с содержанием 25 % МЭПМ в открытых пробирках (рис. 8б). Лучшие результаты были получены при хранении образцов смесевого топлива в темноте. После длительного хранения эти образцы сохранили свою прозрачность и гомогенность (рис. 9).
Проведено также исследование взаимодействия различных конструкционных материалов и различных биотоплив -
Рис. 9. Образцы с биотопливом (МЭПМ и смеси с ДТ) после хранения закрытыми в темноте в течение 6 мес
МЭРМ, МЭПМ и смесевого топлива на основе МЭПМ (содержание МЭПМ в нефтяном ДТ составляло 5, 10, 25 и 50 %). Методика исследования коррозионного воздействия топлива на конструкционные материалы описана в работе [12]. Пластинки из стали марки Ст. 3 (ГОСТ 19903-90) с полированной поверхностью помещались в сосуды с испытуемым топливом и выдерживались в течение 288 часов (12 суток) при температуре 50 °С. Каждые 72 часа проводился осмотр пластинок. Следов коррозии на поверхности пластинок не обнаружено. Это свидетельствует о стойкости конструкционной стали к воздействию этих биотоплив при повышенной температуре.
Аналогичные результаты получены при длительных испытаниях в течение 6 месяцев при температуре 25 °С. При проведении испытаний резины ее образцы марки НО68-2 помещались в сосуды с топливом при температуре 50 °С. Каждые 72 часа образцы промывали этиловым спиртом, измеряли их линейные размеры и взвешивали. Данные, полученные в результате проведения испытаний, приведены в табл. 6 и 7. Как следует из этих данных, масса и линейные размеры образцов, контактировавших с МЭРМ и МЭПМ, значительно изменяются в результате набухания резины, поскольку эти эфиры относятся к классу сложных и обладают высокой химической активностью.
Оценка защитных свойств антикор-
Таблица 6
Изменение массы резины образцов НО68-2 при взаимодействии с различными видами топлива
Продолжительность контакта, ч
Топливо 0 72 144 216 288
Масса образцов после контакта, г
ДТ 2,9455 2,9596 2,9734 2,9725 2,9674
МЭРМ 2,8680 3,0134 3,2483 3,3394 3,3964
МЭПМ 2,8386 3,1690 3,2947 3,4320 3,5520
5 % МЭПМ + ДТ 3,0116 3,0626 3,0760 3,0858 3,0979
Таблица 7
Изменение линейных размеров образцов резины НО68-2 при взаимодействии с различными видами топлива
Топливо Продолжительность контакта, ч
0 288
Размеры образца (длина х ширина), мм
ДТ 49,6 х 24,7 50,0 х 24,8
МЭРМ 49,9 х 24,7 53,9 х 25,8
МЭПМ 49,6 х 24,3 54,3 х 26,0
5 % МЭПМ + ДТ 50,0 х 25,2 50,6 х 26,6
розионных покрытий технологического оборудования проводилась путем испытаний металлических пластинок из стали марки Ст. 10 по ГОСТ 1050-88 с нанесенным на них покрытием из топливо-стойкой фенолалкидной эмали ФА-5278. Испытания проводились в соответствии с методикой работы [12]. Каждый цикл испытаний имел продолжительность 2 сут и включал два этапа: выдерживание
'''.г ■■ \
.Л.' • г: '
* у-" . ..V'. • '
образца при температуре 60(±2) °С в течение 8 ч и постепенное охлаждение до комнатной температуры в течение 16 ч. Затем образцы выдерживались при температуре -20(±2) °С в течение 8 ч, после чего нагревались до комнатной температуры в течение 16 ч. Периодически производился осмотр состояния защитных покрытий. Испытания показали, что уже после трех циклов испытаний у образцов,
а б
Рис. 10. Воздействие МЭПМ (а) и 25 % смеси МЭПМ и ДТ (б) на образцы стали, покрытые топливостойкой фенолалкидной эмалью ФА-5278 после трех циклов испытаний
помещенных в МЭРМ, МЭПМ и их сме- и токсичности ОГ дизеля Д-245.12С
си с дизельным топливом, наблюдалось достигнуто при его работе на смеси
набухание пузырями защитного покры- 60 % ДТ и 40 % МЭПМ (СМЭПМ=40%).
тия (рис. 10а) и отслаивание (рис. 10б) В то же время установлено, что смесевые 41
практически по всей поверхности образца, биотоплива на основе метиловых эфиров
то есть это покрытие не выдерживает растительных масел имеют ограниченный
контакта с эфирами. срок хранения (не более 6 мес), их следу-
В целом проведенные исследования ет хранить в темном помещении, так как
подтвердили возможность эффектив- на свету происходит расслаивание и окис-
ного использования смесей нефтяного ление топлива. Резинотехнические изде-
ДТ с МЭПМ в качестве топлива для оте- лия не выдерживают контакта с МЭРМ и
чественных дизелей. В исследуемом диа- МЭПМ, их целесообразно заменить дру-
пазоне изменения содержания МЭПМ в гими материалами, например, тетрафторэ-
нефтяном ДТ наилучшее сочетание по- тиленом (фторопласт), который обладает
казателей топливной экономичности высокой химической стойкостью.
Литература
1. Альтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания / А.А. Александров, И.А. Архаров, В.А. Марков и др. Под ред. А.А. Александрова, В.А. Маркова. - М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2012. - 791 с.
2. Биоэнергетика: Мировой опыт и прогнозы развития / Л.С. Орсик, Н.Т. Сорокин, В.Ф. Федоренко и др. Под ред. В.Ф. Федоренко. - М.: ФГНУ «Росин-формагротех», 2008. - 404 с.
3. Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях / В.А. Марков, С.Н. Девянин, В.Г. Семенов и др.. - М.: 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. - М.: Изд-во МАДИ (ТУ), 2000. - 311 с.
5. Васильев И.П. Влияние топлив растительного происхождения на экологические и экономические показатели дизеля. - Луганск: Изд-во Восточноукраинского университета 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. - № 5. - P. 1252-1256.
7. Kaufman K.R., Ziejewski M. Sunflower Methyl Esters for Direct Injected Diesel Engines // Transactions of the ASAE. - 1984. - Vol. 27. - № 6. - P. 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. - № 13. -P. 1225-1234.
9. Марков В.А., Девянин С.Н., Нагорнов С.А. Работа транспортного дизеля на смесях дизельного топлива и метилового эфира подсолнечного масла // Транспорт на альтернативном топливе. - 2013. - № 3. - С. 56-62.
10. Bosch: Системы управления дизельными двигателями: Пер. с немецкого. -М.: Изд-во «За рулем», 2004. - 480 с.
11. Коваленко В.П., Улюкина Е.А., Пуляев Н.Н. и др. Исследование физико-химических свойств биотоплив на основе растительных масел // Международный научный журнал. - 2011. - № 4. - С. 79-83.
12. Улюкина Е.А., Коваленко В.П., Пуляев Н.Н. и др. Взаимодействие различных видов биотоплива на основе рапсового масла с конструкционными материалами // Международный научный журнал. - 2010. - № 3. - С. 88-91.
