CC BY
83Метиловый эфир рапсового масла как дизельное топливо
10 лет
журналу
17
B.А. Марков, профессор, заведующий кафедрой «Поршневые двигатели» Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана), д.т.н.,
C.А. Нагорнов, профессор, зам. директора по научной работе федерального государственного бюджетного научного учреждения
«Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве» (ФГБНУ ВНИИТиН), г. Тамбов, д.т.н., С.В. Романцова, доцент кафедры биохимии и фармакологии Медицинского института федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина» (ФГБОУ ВО «ТГУ имени Г.Р. Державина»), ведущий научный сотрудник ФГБНУ ВНИИТиН, г. Тамбов, к.х.н., В.В. Неверова, доцент кафедры «Английский язык для машиностроительных специальностей» факультета «Лингвистика» МГТУ им. Н.Э. Баумана, к.т.н., Са Бовэнь, аспирант кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана
Рассмотрены особенности применения в дизелях биотоплив, получаемых с использованием рапсового масла. Исследованы пространственные конфигурации молекул субстрата и реагента, участвующих в синтезе компонентов биотоплива из растительного масла. Получены вязкостные характеристики смесей дизельного топлива с метиловым эфиром рапсового масла. Представлены результаты экспериментальных исследований транспортного дизеля типа Д-245.12С, работающего на смесях дизельного топлива и метилового эфира рапсового масла. Показана зависимость показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов от состава биотоплива.
__Ключевые слова:
дизельный двигатель, дизельное топливо, биодизельное топливо, метиловый эфир рапсового масла, смесевое биотопливо, топливная экономичность, токсичность отработавших газов.
И
стощение мировых запасов нефти, нарастающий дефицит нефтепродуктов, повышение цен на традиционные моторные топлива, постоянно ужесточающиеся требования к токсичности отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания обусловливают продолжающиеся поиски альтернативных энергетических ресурсов. Евросоюзом планируется к 2020 г. перевести около четверти (23 %) всего автомобильного парка Европы на альтернативные моторные топлива [1]. Среди наиболее перспективных рассматриваются различные синтетические топлива, биодизельное топливо (Biodiesel или биодизель), биоэтанол, природный газ, биогаз, водород [1, 2]. Динамика изменения мирового использования альтернативных моторных топлив, в том числе получаемых из возобновляемых источников энергии, приведена на рис. 1.
/р^ь
Рис. 1. Динамика изменения мирового использования альтернативных топлив:
1 - синтетические топлива (продукты переработки по технологии GTL - Gas to Liquid);
2 - этанол; 3 - биодизельное топливо (метиловый эфир рапсового масла); 4 - МТБЭ (метил-трет-бутиловый эфир)
Все более широкое применение в качестве топлива для дизелей находят топлива, производимые из растительных масел [2-4]. Это объясняется простотой и экологичностью процесса получения растительных масел, их сравнительно невысокой стоимостью и приемлемой воспламеняемостью в условиях камеры сгорания (КС) дизеля. Сопоставление себестоимости производства рапса, биодизельного топлива (метиловый эфир рапсового масла), биоэтанола, биогаза, синтетического топлива и водорода, приведенное в работе [3], подтверждает экономическую целесообразность использования на транспорте топлив, получаемых из растительных масел. Благодаря государственным налоговым льготам производителям биотоплив в Европе отпускная цена этого вида ниже отпускной цены традиционных нефтяных топлив: цена бензина составляет 1,19-1,27 евро/л, нефтяного дизельного топлива - 1,09-1,10 евро/л, биодизельного топлива - около 1 евро (цены 2010 г.) [3].
В Европе биодизельное топливо производится, в основном, из рапсового масла. На долю метилового эфира рапсового масла (МЭРМ) приходится более 85 % производимого биодизельного топлива. Перспективно производство этого вида топлива и в условиях России. Известно множество работ, посвященных исследованию дизелей, работающих на метиловом эфире рапсового масла и его смесях с дизельным топливом (ДТ) [1-10]. Вместе с тем необходимы дополнительные исследования как процессов производства этих биотоплив, так и проблем адаптации двигателей внутреннего сгорания к работе на этих топливах.
Биодизельное топливо представляет собой смесь метиловых эфиров высших алифатических кислот, получаемых путем алкоголиза триацилглицеринов растительного масла. Основой производства сложных эфиров растительных масел являются реакции этерификации, представляющие собой реакции взаимодействия жирных кислот
10 лет
журналу
растительных масел со спиртами. В общем случае получение эфиров из кислот может быть выражено уравнением химической реакции этерификации, представленным на рис. 2 [3, 4]. При протекании данной реакции отделившийся от спирта атом водорода Н соединяется с гидроксильной группой ОН кислоты с образова- 19
нием 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.
Рис. 2. Реакция этерификации кислоты спиртом с образованием эфира
Возможно производство из растительных масел различных сложных эфиров - метилового, этилового, пропилового, бутилового. Указанные эфиры получают в результате реакции этерификации растительного масла соответствующим спиртом в присутствии катализатора, в качестве которого обычно используют различные щелочи - КОН, №ОН и др.
Реакция этерификации рапсового масла метиловым спиртом (метанол) СН3ОН в присутствии катализатора (едкий калий КОН) протекает по механизму, представленному на рис. 3 [3, 4], в три стадии - с распадом триацилглицеридов с образованием диацилглицеридов, затем моноацилглицеридов и, наконец, с расщеплением последних с образованием метиловых эфиров жирных кислот рапсового масла и глицерина.
Рис. 3. Реакция этерификации рапсового масла метанолом
Реакцию получения биотоплива из растительного масла часто называют переэтери-фикацией или трансэтерификацией (1гап8е81егШса1:юп). Под этой реакцией понимают взаимный обмен радикалами Ш, Я2, Я3 между двумя сложными эфирами. Переэтери-фикация может происходить между различными триацилглицеридами, между тригли-церидом и каким-либо другим сложным эфиром, а также внутри молекулы одного и того же триглицерида. Пример такой реакции показан на рис. 4 [3].
Рис. 4. Реакция переэтерификации внутри триацилглицерида
Реакции переэтерификации относятся к реакциям с участием сложноэфирных групп, характерных для любых сложных эфиров, и представляют собой реакцию нуклеофильного замещения. Реакциями переэтерификации называют реакции, в процессе которых происходит обмен ацильных групп, приводящий к образованию новых молекул сложных эфиров. Если этот обмен происходит между сложными эфирами различного строения, то такие реакции называют собственно реакциями переэтерификации.
Различают межмолекулярную и внутримолекулярную переэтерификацию [11, 12]. Если обмен происходит между сложными эфирами (например, триацилглицеридами) и спиртами, то такие реакции называют реакциями алкоголиза (или более конкретно по названию спирта - реакции метанолиза и т.п.) [11, 12]. Реакция алкоголиза является частным случаем реакции переэтерификации. Для объяснения особенностей протекания реакции алкоголиза был проведен квантово-химический расчет молекулы субстрата - триацилглицерида, в состав которого входят радикалы самых распространенных высших алифатических кислот - олеиновой, линолевой и линоленовой, а также возможных реагентов - метилового спирта, метилатов калия и натрия.
Электронная структура исследуемых молекул рассчитана с использованием программного комплекса (ПК) HyperChem (версия 7), построенного на полуэмпирических методах расчета. В этих методах уравнение Шредингера для молекул решается с использованием ряда приближений и упрощений. Все методы этой группы предполагают проведение расчета только для валентных электронов, пренебрегая интегралами определенных взаимодействий. При этом используются стандартные неоптимизи-рованные базисные функции электронных орбиталей и некоторые параметры, полученные экспериментально. Использование этих экспериментальных параметров позволяет избегать расчетов ряда величин и корректировать ошибочные результаты приближений. Большинство доступных в ПК HyperChem полуэмпирических методов (CNDO, INDO, MINDO 3, MNDO, AM 1, PM 3, ZINDO, TNDO) включают схему для устранения вычислений, которые проходят со значительными затратами процессорного времени, в основном расчета ряда интегралов перекрывания. Практически все полуэмпирические методы в своем алгоритме опираются на метод Хартри - Фока или метод самосогласованного поля. В этом методе полагается, что каждый электрон движется в поле атомных ядер, положение которых фиксировано в пространстве, и в эффективном (усредненное) поле других электронов. Поскольку в исследуемых молекулах отсутствуют атомы переходных элементов и не решалась задача прогнозирования спектров, расчеты проводили методом АМ 1.
Результаты проведенных исследований показывают, что при использовании в качестве нуклеофильных реагентов метилового и этилового спиртов, метилатов калия СН3ОК и натрия СН30№ и этилата калия С2Н5ОК наибольшая скорость алкоголиза наблюдается при использовании метилата калия, наименьшая - в случае применения метанола СН3ОН.
Расчет молекул метанола, метилата калия и метилата натрия (рис. 5а,б,в) показал, что пространственная конфигурация этих молекул практически идентична. Распределение электронной плотности в молекулах реагентов представлено на рис. 6. Как и следовало ожидать, в молекуле спирта самый маленький заряд имеет место на атоме кислорода (-0,326). В молекулах алкоголятов этот заряд выше из-за большей разности в электроотрицательности связи «кислород-металл» по сравнению со связью «кислород-водород». В молекуле метилата калия на атоме кислорода сосредоточен несколько больший отрицательный заряд, чем в молекуле метилата натрия (-0,732 и -0,709 соответственно), что объясняет большую активность метилата калия как нуклеофильного реагента в реакции алкоголиза.
а б в
Рис. 5. Шаростержневые модели метанола (а), метилата калия (б), метилата натрия (в). Синим цветом отмечены атомы углерода, красным - кислорода, серым - водорода, фиолетовым - металлов
10 лет
журналу
21
а б в
Рис. 6. Распределение электронной плотности в молекулах метанола (а), метилата калия (б), метилата натрия (в)
При моделировании молекулы субстрата (1-олеил-2-линолеил-3-линоленилглицерида) программа по умолчанию представляет радикалы непредельных кислот в транс-конфигурации. Шаростержневая модель транс-триацилглицерида представлена на рис. 7а. Однако в природных жирах непредельные кислоты находятся преимущественно в цис-конфигурации [11-13]. Пространственная конфигурация молекулы исследуемого субстрата в цис-конфигурации представлена на рис. 7 б.
Рис. 7. Шаростержневые модели 1-олеил-2-линолеил-3-линоленилглицерида в транс- (а) и цис- (б) конфигурациях
Для транс-конфигурации характерно укорачивание углеводородных радикалов кислот и уменьшение размеров молекулы. Так, максимальная длина рассматриваемой молекулы в транс-конфигурации составляет 46,18 А°, в цис-конфигурации - 39,57 А°. По данным расчета молекула триацилглицерида несимметрична. Как следует из рис. 7, более доступны для атаки нуклеофила атомы, связанные с ^-атомом углерода глицеринового фрагмента. Вместе с тем известно, что атака нуклеофиль-ных частиц при ферментативном гидролизе триацилглицеридов происходит в первую очередь по а-атому углерода карбонильной группы. Поэтому при описании механизма алкоголиза считается, что атакуются в первую очередь 1-й и 3-й атомы углерода глицеридового фрагмента [1]. Распределение зарядов в центральной части рассматриваемой молекулы позволяет более точно судить о направлении атаки нуклеофила.
Распределение электронной плотности в молекуле субстрата показано на рис. 8. Здесь представлены только атомы углерода и кислорода, так как заряды на атомах водорода несущественны и не имеют значения для реакции нуклеофильного замещения. В молекуле субстрата присутствуют зр3- и зр2-гибридные атомы углерода. В состоянии зр2-гибридизации находятся атомы углерода карбонильной группы (3 атома) и атомы, связанные двойной связью (12 атомов). Атомы углерода, находящиеся в состоянии зр2-гибридизации, имеют несколько большую электроотрицательность, чем зр3-гибридные. Однако эта разница невелика (Д = 0,08 ед. по Поллингу), и значительного смещения электронной плотности связи С(зр3) ^ С(зр2) не происходит.
Как показали данные квантово-химического расчета, заряд на зр2-гибридном атоме углерода кислотного радикала несколько выше (в среднем -0,170 по сравнению с -0,157) за счет сдвига электронной плотности, в основном, от связанного с ним атома водорода. Таким образом, углеводородные радикалы высших алифатических кислот представляют собой малополярную часть молекулы триацилглицерида.
Более полярной частью молекулы является ее центральная часть, содержащая атомы углерода и три сложноэфирные группы. Так, заряд на карбонильном атоме углерода колеблется от +0,296 до +0,318, на карбонильном атоме кислорода от -0,287 до -0,325. Заряд на эфирном атоме кислорода несколько ниже: от -0,250 до -0,286. При этом самый высокий положительный заряд приходится на карбонильный атом углерода в ^-положении молекулы триацилглицерида (на рис. 8 - слева), что облегчает атаку нуклеофила именно по этому положению.
10 лет
журналу
23
Рис. 8. Распределение электронной плотности в молекуле 1-олеил-2-линолеил-3-линоленилглицерида
Самое заметное различие в распределении электронной плотности приходится на глицериновые атомы углерода. Если в а-положениях 1 и 3 на них сосредоточен небольшой отрицательный заряд (-0,033 и -0,032), то в ^-положении на атоме углерода имеет место недостаток электронной плотности (заряд +0,025). Нуклеофильная частица в реакции алкоголиза атакует карбонильные атомы углерода, на которых сосредоточен наибольший положительный заряд. По расчету это ^-положение как по величине заряда, так и в соответствии со стерическими факторами.
Проведенный анализ позволил выявить некоторые особенности протекания реакции алкоголиза при синтезе компонентов биотоплива из растительного масла по реакции нуклеофильного замещения. Показаны преимущества и недостатки того или иного нуклеофильного реагента (метиловый и этиловый спирты, метилаты калия и натрия, этилат калия) в указанной реакции.
Важным аспектом, который необходимо учитывать при адаптации дизелей к работе на метиловом эфире рапсового масла, является повышенная вязкость МЭРМ. Отличия вязкости нефтяного ДТ и МЭРМ приводят к трансформации процессов топливоподачи, впрыскивания и распыливания топлива, что, в свою очередь, сказывается на показателях топливной экономичности и токсичности ОГ дизеля. В связи с этим актуальными представляются исследования вязкости и вязкостно-температурных характеристик как самого метилового эфира рапсового масла, так и его смесей с нефтяным дизельным топливом.
В уже проведенных исследованиях вязкостных характеристик смесевых жидкостей использованы различные теоретические подходы, основанные на описании взаимодействия компонентов смеси [14-16]. Но получение полностью теоретических формул, описывающих вязкостные характеристики смесей нефтяного ДТ с другими топливами, практически невозможно в связи с их сложным составом. Поэтому для описания вязкостных характеристик смесевых топлив обычно
24
используют полуэмпирические формулы [16]. В предлагаемом исследовании использованы известный логарифмический и предложенный авторами алгебраический аппроксимационные подходы для аппроксимации зависимостей кинематической вязкости смесевых биотоплив от их температуры и состава [17]. К первому подходу относится метод Ниссана и Грюнберга [16], позволяющий определить кинематическую вязкость смеси в виде:
\пу=£х 1пуг + £ £хх7 Бц + £ £ £ х х7 ^ бф + ...+б.,л п х , (1 )
г г Ц >1 г Ц >1 к>Ц 1
где хг, ху, х. - объемные концентрации компонентов смеси (в данном исследовании рассматриваются смеси только двух компонентов: МЭРМ с его концентрацией в смеси х1 и нефтяного ДТ с концентрацией х2); V, - вязкость г-го компонента (у1 - вязкость МЭРМ, у2 - вязкость нефтяного ДТ); V - вязкость смесевого топлива; В у, Б. ..., В - коэффициенты, зависящие от температуры и концентрации компонентов в смеси.
Значения коэффициента Б у рассчитывались по следующим формулам:
Б Б1]к = ^+в1]к, = ^+4^. (2)
Коэффициенты Ау, А ..., А и ВВ. ..., В1) п, входящие в выражения (2), определялись методом наименьших квадратов. Они могут быть заданы либо постоянными, либо зависящими от концентрации компонентов в смеси. Их взаимосвязь с концентрацией МЭРМ в нефтяном ДТ определяется коэффициентом корреляции Я. В этом случае описание зависимости вязкости смеси от температуры может быть задано в виде нелинейной суммы:
Я с А> + Т"+^Т+°< *
1п V* = А* + + А* или V* = е * , (3)
где коэффициенты А, Вр С и также могут быть заданы либо постоянными, либо зависящими от концентрации компонентов в смеси.
Во втором, предложенном авторами, методе аппроксимации кинематической вязкости смесевого топлива использована следующая формула:
п Я х Е
V = Ъ [х, (А, + Я+с, )+-г- (Б, + , (4)
г * 2 - х г *
где А,, В,, С,, В,, Б, - постоянные коэффициенты, относящиеся к г-му компоненту и определяемые методом наименьших квадратов.
С использованием этих двух методов получены аппроксимационные формулы для вязкости смесей МЭРМ и нефтяного ДТ различного состава.
При аппроксимации кинематической вязкости двухкомпонентных смесей МЭРМ и нефтяного ДТ использованы экспериментальные данные табл. 1 по кинематической вязкости V смесей МЭРМ (с вязкостью v1) с нефтяным ДТ (с вязкостью и при различных температурах [3].
С использованием рассмотренных методов аппроксимации экспериментальных данных определены зависимости кинематической вязкости смесево-го топлива от его состава и температуры. При аппроксимации кинематической вязкости смесей МЭРМ и нефтяного ДТ логарифмическим методом формула (1) получает вид:
-их1их2 ех1х2П12
1nV = Х1 1п V + Х21и^2 + Х1Х2Д2 ИЛИ V 1 ^22е
где коэффициент Вп зависит от температуры
А2 = - + В
(5)
г
Коэффициенты А и В для каждой из рассматриваемых смесей определены с использованием метода наименьших квадратов (табл. 2). Полученные значения коэффициентов А и В являются функцией концентрации МЭРМ х1 в смеси с ДТ. Зависимость коэффициентов А и В от х1 определяется следующими полиномами второго порядка:
А = Щх? + КА2х1 + КА3 и В = КВХ + КВ2х1 + КВ3 .
Коэффициенты КА1, КА2, КА3 и КВ1, КВ2, КВ3 вычислены с использованием полученных значений коэффициентов А и В методом наименьших квадратов и оказались равными: КА1 = 75,23; КА2 = 67,29; КА3 = 9,46; КВ1 = -0,03; КВ2 = -0,19; КВ3 = 0,3. Коэффициент корреляции коэффициента А и х1 равен 0,7882, а коэффициент корреляции В и х1 равен -0,9998 (см. табл. 2).
Для определения кинематической вязкости смесевого топлива логарифмическим методом при различных температурах с использованием формул (5) сначала необходимо получить коэффициенты формулы (3) для вязкостно-температурных характеристик МЭРМ и ДТ. Эти коэффициенты рассчитаны методом наименьших квадратов на основе исходных данных табл. 1 по вязкости чистых топлив. Полученная формула для определения кинематической вязкости МЭРМ при различных температурах имеет вид:
1пУ1 = 1,9809 + 7,4315/г - 0,013?. Кинематическая вязкость смесей МЭРМ и нефтяного ДТ
Таблица 1
10 лет
журналу
25
Температура, °С Топлива
ДТ 30% МЭРМ +70% ДТ 50% МЭРМ +50% ДТ 75% МЭРМ +25% ДТ МЭРМ
20 3,83 4,87 5,62 6,93 8,00
50 2,11 2,67 2,97 3,68 4,25
70 1,67 2,10 2,38 2,74 3,10
Таблица 2
Коэффициенты А и В для рассматриваемых смесей
Коэффициент Смеси Коэффициент корреляции
30% МЭРМ +70% ДТ 50% МЭРМ +50% ДТ 75% МЭРМ +25% ДТ
А -3,9563 -5,3790 1,3056 0,7882
В 0,2446 0,2021 0,1453 -0,9998
Аналогично получена формула для кинематической вязкости нефтяного ДТ: 1п у2 = 0,9387 +11,4511/г - 0,084г.
При этом формула (5) для аппроксимации кинематической вязкости смеси МЭРМ и нефтяного ДТ логарифмическим методом принимает вид:
\п V = Х1 \п V + Х2 \п V2 + Х1Х2 (А / г + В), (6)
где 2 2
А = 75,23x2 + 67,29х1 + 9,46 и В = -0,03x2 - 0,19х1 + 0,3 .
Полученная логарифмическим методом по формуле (6) зависимость кинематической вязкости смеси МЭРМ и нефтяного ДТ от температуры представлена на рис. 9. Отклонение аппроксимационных кривых от исходных экспериментальных данных сравнительно невелико - полученные логарифмическим методом зависимости вязкости смесей от температуры хорошо совпадают с экспериментальными точками. Представленные в табл. 3 оценки точности полученных аппроксимационных вязкостных характеристик исследуемых смесевых биотоплив показывают, что квадратичная ошибка этих характеристик составляет 0,0701 мм2/с, а относительная максимальная погрешность не превышает 3,24 %. Таким образом, полученные логарифмическим методом аппроксимационные кривые могут быть использованы для описания вязкостно-температурных характеристик исследуемых смесевых топлив.
а б в
Рис. 9. Экспериментальные (1) и полученные логарифмическим методом (2) аппроксимаци-онные вязкостно-температурные характеристики смесей МЭРМ и ДТ различного состава: а - 30 % МЭРМ и 70 % ДТ; б - 50 % МЭРМ и 50 % ДТ; в - 75 % МЭРМ и 25 % ДТ
Таблица 3
Оценка точности аппроксимации вязкостно-температурных характеристик исследуемых смесевых биотоплив различными методами
Метод аппроксимации Виды погрешностей
Относительная максимальная погрешность, % Среднее отклонение, мм2/с Средняя квадратичная ошибка, мм2/с
Логарифмический 3,24 0,0441 0,0701
Алгебраический 3,54 0,0349 0,0431
При аппроксимации вязкостно-температурных кривых рассматриваемых смесей алгебраическим методом использована формула (4) в виде:
У = Х!( А + В + О) + Д + + Х2( Л2 + ^ + С2) + Г + . (7)
t 2 - Х1 I t 2 - Х2 I
Коэффициенты формулы (7) определены методом наименьших квадратов с использованием экспериментальных данных табл. 1. Результаты этих расчетов представлены в табл. 4.
Таблица 4
Значения коэффициентов формулы (7)
10 лет
журналу
27
¿х Вх Сх Ох Ех ¿2 В2 С2 О2 ¿2
2,8712 141,9076 -0,0269 0,7195 -42,6620 1,9956 -17,9412 -0,0036 -0,8338 72,9984
С использованием формулы (7) и данных табл. 4 построены зависимости кинематической вязкости смесей МЭРМ и нефтяного ДТ от температуры. На рис. 10 представлены исходные экспериментальные данные по вязкости исследуемых смесей и полученные для них алгебраическим методом зависимости V = / (?) по формуле (7). Наилучшее приближение к экспериментальным данным дает вязкостно-температурная кривая, рассчитанная для смеси 50 % МЭРМ и 50 % нефтяного ДТ. Наибольшее отклонение аппроксимационного значения от экспериментальных данных отмечено при температуре 50 °С, однако разница между ними составляет всего 0,105 мм2/с. Для смесей 30 % МЭРМ с 70 % ДТ и 75 % МЭРМ с 25 % ДТ полученные аппроксимационные зависимости также хорошо совпадают с экспериментальными точками.
а б в
Рис. 10. Экспериментальные (1) и полученные алгебраическим методом (2) аппроксимационные вязкостно-температурные характеристики смесей МЭРМ и ДТ различного состава: а - 30 % МЭРМ и 70 % ДТ; б - 50 % МЭРМ и 50 % ДТ; в - 75 % МЭРМ и 25 % ДТ
Представленные в табл. 3 данные о точности такой алгебраической аппроксимации экспериментальных данных по вязкости смесей МЭРМ и нефтяного ДТ показывают, что средняя квадратичная ошибка этой аппроксимации равна 0,0431 мм2/с, а относительная максимальная погрешность не превышает 4,54 %. При этом следует отметить, что точность аппроксимации экспериментальных точек логарифмическим и алгебраическим методами сопоставима.
Рассмотренные физико-химические свойства МЭРМ и его смесей с нефтяным ДТ, несомненно, оказывают влияние на показатели топливной экономичности и токсичности ОГ дизеля, работающего на этих топливах. Об этом свидетельствуют 28 данные работ [3, 4] по дизелю Д-245.12С (4 ЧН 11/12,5), работающему на смесях
нефтяного ДТ и МЭРМ с объемным содержанием последнего от 0 (чистое ДТ) до 60 %. Результаты испытаний этого дизеля на рассматриваемых смесевых топливах на режимах внешней скоростной характеристики и 13-режимного испытательного цикла Правил 49 ЕЭК ООН представлены в табл. 5. Они свидетельствуют о том, что увеличение содержания МЭРМ в смесевом биотопливе СМЭРМ от 0 до 60 % приводит к некоторому росту часового расхода топлива Ст, но из-за меньшей теплоты сгорания МЭРМ и его смесей с ДТ крутящий момент дизеля Ме при этом изменяется незначительно.
Таблица 5
Показатели дизеля Д-245.12С, работающего на различных смесевых топливах
Показатели дизеля Объемная концентрация МЭРМ в смесевом биотопливе, %
0 5 10 20 40 60
Часовой расход топлива Gт, кг/ч на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 19,13 12,30 19,45 12,50 19,76 12,54 19,76 12,68 20,02 12,98 20,43 13,16
Крутящий момент Ме, Н-м на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 306 351 306 356 310 350 308 349 308 351 309 355
Дымность ОГ Kх, % по шкале Хартриджа на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 18,0 21,0 18,0 17,0 13,5 16,0 11,0 13,0 10,0 7,5 7,0 8,5
Удельный эффективный расход топлива gt, г/(кВт-ч) на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 249,2 223,2 252,9 223,7 253,8 228,0 255,3 230,6 258,5 234,7 262,2 236,0
Эффективный КПД дизеля т]е на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 0,340 0,379 0,337 0,381 0,337 0,376 0,339 0,376 0,343 0,378 0,346 0,384
Условные (средние) показатели топливной экономичности дизеля на режимах 13-режимного цикла эффективный расход топлива gе усл, г/(кВт-ч) эффективный КПД т]е усл 245,76 0,345 249,20 0,342 253,62 0,338 256,54 0,338 261,28 0,339 265,00 0,342
Интегральные удельные выбросы токсичных компонентов на режимах 13-режимного цикла, г/(кВт-ч) оксиды азота еыае монооксид углерода еСО несгоревшие углеводороды еСН 7,286 2,834 0,713 6,894 2,234 0,626 6,718 2,199 0,658 6,542 2,096 0,727 7,441 2,021 0,692 7,759 1,932 0,681
При увеличении содержания МЭРМ в смесевом топливе СМЭРМ отмечен рост удельного эффективного расхода топлива gе, вызванный меньшей теплотой сгорания МЭРМ. Однако при увеличении СМЭРМ в диапазоне от 0 до 20 % изменение
эффективного КПД це не превышало 1 %, что соизмеримо с точностью измерения расхода топлива. Дальнейший рост СМЭРМ (до 40 и 60 %) сопровождался увеличением значения це, свидетельствующим о повышении эффективности сгорания таких смесевых топлив.
Увеличение концентрации МЭРМ в смесевом топливе СМЭРМ приводило к значительному снижению дымности ОГ Кх. Так, при росте СМЭРМ с 0 до 60 % дымность Кх монотонно снижалась: на режиме максимальной мощности при п = 2400 мин-1
- примерно в 2,6 раза (с 18 до 7 % по шкале Хартриджа), на режиме максимального крутящего момента при п = 1500 мин-1 - в 2,5 раза (с 21 до 8,5 %), на режиме минимальной частоты вращения с п = 1080 мин-1 - в 2 раза (с 36 до 18 %). Такое снижение дымности ОГ обусловлено наличием в составе МЭРМ атомов кислорода, участвующего в процессе окисления углеводородов нефтяного дизельного топлива.
Использование смесевых топлив оказывает влияние на выбросы с ОГ оксидов азота N0^ и монооксида углерода СО. При увеличении содержания МЭРМ в смесевом топливе СМЭРМ с 0 до 20 % интегральные на режимах 13-режимно-го цикла удельные массовые выбросы оксидов азота еЖх снизились с 7,286 до 6,542 г/(кВт-ч), то есть на 10,2 %, а при дальнейшем увеличении СМЭРМ до 40 и 60 % отмечен некоторый рост еЖх соответственно до 7,441 и 7,759 г/(кВт-ч).
Эти значения превышают показатели выбросов при работе на нефтяном ДТ
- 7,286 г/(кВт-ч), что объясняется увеличением максимальных температур сгорания, вызванным указанным выше ростом эффективности сгорания рассматриваемых смесевых биотоплив.
При росте содержания МЭРМ в смесевом топливе СМЭРМ с 0 до 60 % отмечено монотонное снижение удельных массовых выбросов монооксида углерода еС0 с 2,834 до 1,932 г/(кВт-ч), или почти в 1,5 раза.
Зависимость выбросов углеводородов СН от содержания МЭРМ в смесевом топливе имеет более сложный характер. При увеличении СМЭРМ с 0 до 5 % выброс еСН уменьшился с 0,713 до 0,626 г/(кВт-ч), или на 12,2 %, а при дальнейшем увеличении СМЭРМ до 20 % выброс еСН возрос до 0,727 г/(кВт-ч), то есть практически до исходного значения еСН = 0,713 г/(кВт-ч). С ростом СМЭРМ до 40 и 60 % выброс еСН вновь несколько уменьшился до значений 0,692 и 0,681 г/(кВт-ч) соответственно. Но в целом влияние содержания МЭРМ в смесевом топливе на выброс углеводородов незначительно.
Проведенные испытания показали возможность существенного улучшения показателей дизеля при его работе на рассматриваемых смесях. Даже незначительная добавка МЭРМ в нефтяное дизельное топливо (в количестве 5 или 10 %) позволяет заметно улучшить показатели токсичности ОГ дизеля практически без внесения в их конструкцию каких-либо изменений. Поэтому с учетом регулярного ужесточения требований к токсичности ОГ дизелей перспектива использования МЭРМ в качестве кислородсодержащей присадки к ДТ становится более чем реальной.
10 лет
журналу
29
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. Льотко B., Луканин B^., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. - M.: Изд-во MAДИ ^У), 2000. - 311 с.
3. Mарков B.A., Девянин С.Н., Семенов B.T., Шахов A.B., Багров B.B. Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях. -M.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-M», 2011. - 53б с.
4. Биотоплива для двигателей внутреннего сгорания / B.A. Mарков, С.Н. Девянин, С.А. Зыков и др. - M.: НИЦ «Инженер» (Союз НИО), 201б. - 292 с.
5. Tехника и технологии производства и переработки растительных масел: Учебное пособие для вузов / С.А. Нагорнов, Д.С. Дворецкий, CB. Романцова, B.^ Tаров. - Tамбов: Изд-во ГОУ BПО «Tамбовский государственный технический университет», 2010. - 9б с.
6. Карташевич А.Н., Плотников С.А., Tовстыка B.C. Применение топлив на основе рапсового масла в тракторных дизелях. - Киров: «Авангард», 2014. - 144 с.
7. Савельев Г.С. Производство и использование биодизельного топлива из рапса. - M.: ГНУ BИM Росссельхозакадемии, 2007. - 9б с.
8. Bасильев И.П. Bлияние топлив растительного происхождения на экологические и экономические показатели дизеля. - Луганск: Изд-во Bосточноyкраин-ского университета им. B. Даля, 2009. - 240 с.
9. Семёнов B.E Биодизель. Физико-химические показатели и эколого-эконо-мические характеристики работы дизельного двигателя. - Харьков: НTУ «ХПИ», 2002. - 251 с.
10. Биоэнергетика: Mировой опыт и прогнозы развития / Л.С. Орсик, НХ Сорокин, B^. Федоренко и др. Под ред. B^. Федоренко. - M.: ФГНУ «Росинформа-гротех», 2008. - 404 с.
11. Стопский B.G, Ключкин B.B., Андреев НЗ. Химия жиров и продуктов переработки жирового сырья: Учебник для вузов. - M.: Колос, 1992. - 285 с.
12. ^тюнников Б.Н., Гладкий Ф.Ф., Бухштаб З.И. Химия жиров: Учебник для вузов. - M.: Колос, 1992. - 448 с.
13. Березов T.T., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия: Учебник для вузов. -M.: Mедицина, 1998. - 704 с.
14. Eyring H. Viscosity, Plasticity and Diffusion as Examples of Absolute Reaction Rates // ^e Journal of Chemical Physics. - 193б. - Vol. 4. - №. 4. - P. 283-291.
15. McAllister R.A. ^e Viscosity of Liquid Mixtures // AIChE Journal. - 19б0. -Vol. б. - №. 3. - P. 427-431.
16. Dominguez M., Pardo J.I., Gascon I.G., Royo F.M., Urieta J.S. Viscosities of the Ternary Mixture (2-butanol+n-hexane+1-butylamine) at 298.15 and 313.15 K // Fluid Phase Equilibria. - 2000. - Vol. 1б9. - №. 2. - P. 277-292.
17. Mарков BA., Девянин С.Н., Зыков С.А., Са Бовэнь. Bязкостные характеристики многокомпонентных смесевых биотоплив на основе растительных масел // Tранспорт на альтернативном топливе. - 201б. - № б. - С. 33-49.
