CC BY
20Биотопливо
I шшшшт
Определение оптимального состава биотоплива для использования в дизельных ДВС
■
В.А. Лиханов, профессор, зав. кафедрой ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, д.т.н., О.П. Лопатин, доцент кафедры ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, к.т.н.
В работе по улучшению экологических показателей двигателей внутреннего сгорания (ДВС) обосновано применение таких возобновляемых источников энергии как биотопливо. При этом рассмотрены факторы, влияющие на процессы сгорания топлива, и вопросы, позволяющие должным образом обеспечить необходимые условия для горения биотоплива в камере сгорания дизеля. В результате проведённых экспериментальных исследований разработаны биотоплива для дизелей и оптимизированы их составы.
__Ключевые слова:
биотопливо, дизель, метанол, этанол, эмульсия, метиловый эфир рапсового масла.
ля кардинального улучшения экологических показателей ДВС возможно применение новых возобновляемых источников энергии, например, биотоплива, что потребует обеспечения необходимых условий для его горения в камере сгорания. Конвертация ДВС автотранспорта с нефтяного на биотопливо позволит существенно улучшить экологическую ситуацию в городах и промышленных агломерациях, снижая экологический ущерб, наносимый окружающей среде традиционными нефтяными топливами. Кроме того, искать альтернативные возобновляемые источники энергии вынуждает и неуклонный рост потребления нефтяных энергоресурсов, запасы которых не безграничны. Повышенная экологическая опасность нефтяных топлив и продуктов их сгорания в ДВС представляет собой проблему, решение которой может быть только комплексным, включающим создание новых биотоплив с улучшенными экологическими характеристиками. Поэтому наряду с нефтяными топливами в смеси с ними всё чаще делаются попытки применить альтернативные, добываемые из газа, угля и различных растений [1-4].
Развитие ДВС в прошлом и настоящем, кроме прочего, стимулируют различные стандарты и нормативы, предусматривающие выпуск топлив с пакетом присадок для улучшения их свойств. Также разрабатываются пакеты присадок и для комплексного улучшения отдельных свойств дизельного топлива. Использование кислородсодержащих добавок в топливе для автотранспорта во многих странах мира заложено в государственные программы, предусматривающие улучшение экологической обстановки и использование в производственном цикле возобновляемых источников сырья. С этой точки зрения как нельзя лучше подходит метанол и этанол, получаемые из растительной биомассы и другими путями.
Так, например, в Бразилии 90 % всех выпускаемых ДВС рассчитаны на применение спиртовых топлив [5-8].
Существуют два направления влияния на процессы сгорания топлива в дизелях: изменение состава топлива и изменение процесса его сгорания. Первая про- 63 блема решается путём введения в состав топлива различных добавок, улучшающих его экологические характеристики, вторая - путём введения присадок, или катализаторов горения топлива. В качестве добавок или заменителей к дизельному топливу особое место находят кислородсодержащие соединения - оксигенаты - простые алифатические спирты (метанол, этанол) и их эфиры. Добавки оксигенатных топлив в основное топливо позволяют улучшить процесс сгорания, а, следовательно, снизить выбросы отработавших газов (ОГ) в атмосферу. При менее сложной структуре и меньших молекулах метанола и этанола во время их сгорания в процессе распада снижается количество промежуточных химических соединений, которые могут являться токсичными. Кроме того, благодаря снижению содержания углерода по отношению к водороду при сгорании спиртовых биотоплив в меньшем количестве, по сравнению с бензином, образуются оксиды углерода. По этой причине спирты во время их сгорания в меньшей степени, в сравнении с дизельным топливом и бензином, загрязняют окружающую среду [9, 10].
В связи с этим необходимо изучать все аспекты применения возобновляемых источников энергии на стадии производства, хранения, распределения, а также особенности работы ДВС на этих топливах. Поэтому исследования, направленные на улучшение свойств спиртового биотоплива для ДВС, являются важной научной задачей, обусловливающей возможность его широкого применения в будущем.
Для повышения стабильности спиртовых эмульсий в них добавляют воду. Добавление 10 % мас. воды, например, к метанолу позволяет получить эмульсию, устойчивую в течение нескольких суток. Стабильность такой эмульсии можно улучшить при одновременном введении эквивалентных количеств (по отношении к метанолу) низкомолекулярных ароматических углеводородов, выкипающих ниже температуры начала кипения дизельного топлива, или использовать в качестве стабилизатора высшие спирты, в частности, бутанол или эффективные поверхностно-активные вещества. Введение низкомолекулярных ароматических соединений позволяет увеличить физическую стабильность смеси до 3.. .5 суток. Оптимальными стабилизаторами эмульсий являются присадки - сукцинимид в сочетании с водорастворимым смачивателем, а также композитный топливо-растворимый стабилизатор, состоящий из специальной присадки к моторным маслам и присадки охлаждающей жидкости [11-13].
При испытаниях дизеля 4Ч 11,0/12,5 были исследованы спиртотопливные эмульсии (СТЭ) с различным содержанием дизельного топлива, спирта и присадки. Концентрация спирта изменялась от 10 до 50 % по массе (шаг составлял 10 %). Концентрация же присадки изменялась от 0,5 до 2 % (шаг составлял 0,5 %). Также было проведено микроскопирование приготовленных проб эмульсий и проб, у которых уже начинался процесс флокуляции. На рис. 1а видно, что частицы имеют достаточно однородный по размеру состав, но с течением времени частицы объединяются в более крупные «агрегаты», определяющие процесс флокуляции (рис. 16).
Первоначально за показатель стабильности было принято время, в течение которого наблюдались изменения приготовленной СТЭ в виде осадка или отстоя. Из графиков (рис. 2) можно заметить, что показатели стабильности эмульсии характеризуются не только содержанием спирта, но и концентрацией присадки (Кп).
а б
Рис. 1. Снимок микроскопирования этаноло-топливной эмульсии (ЭТЭ): а - сразу после приготовления; б - в начале процесса флокуляции
Так, при содержании метилового спирта 10 % (рис. 2а) стабильность эмульсии уменьшается от 1,5 мин при Кп = 0,5 % до 1,4 мин при Кп = 1,0 %, то есть на 6,7 %. Дальнейшее увеличение Кп до 2,0 % приводит к повышению стабильности до 2,2 мин, или на 57,1 %. При добавлении в состав эмульсии дистиллированной воды её стабильность увеличивается существенно - до нескольких десятков часов: повышение составило при Кп = 0,5 % - 17,9 ч, а при Кп = 2,0 % уже выросло до 34,6 ч (увеличение составило 93,3 %), концентрация метанола при этом составляла 25 % (рис. 2б). Стабильность ЭТЭ (рис. 2г) с содержанием этанола 50 % возрастает с 16,3 (содержание присадки 0,5 %) до 18,9 ч (содержание присадки 2,0 %). Максимальные же значения стабильности эмульсии достигаются при концентрации спирта (как метанола, так и этанола) 50 %.
Сукцинимид С-5А является эффективным эмульгатором для эмульсий обратного типа. Добавление воды в сочетании с этой присадкой приводит к ещё более значительному повышению стабильности эмульсий (от 1...6 мин до 1,5...100 ч). Полученные результаты позволяют говорить о возможности применения сукцинимида в комплексе с водой как хорошего эмульгатора при приготовлении экологической СТЭ вне топливной системы дизеля. По проведённым исследованиям стабильности спиртовых эмульсий было определено, что концентрация спирта (метанол, этанол) 50 % в эмульсии оптимальна по условиям устойчивости к процессам разрушения.
Скорее всего, это свидетельствует о повышении предельной концентрации спирта (метанол, этанол) в эмульсии, в результате чего возрастает роль «обратной» реакции по отношению к «прямой», что приводит к пропускам воспламенения такой эмульсии в камере сгорания дизеля. Подтверждение этому было получено после первичных испытаний дизеля. Таким образом, по результатам проведённых исследований спиртовых эмульсий использование их в дизеле с большим содержанием спирта (метанол, этанол) практически затруднено из-за возникающих пропусков воспламенения и повышенной жёсткости процесса сгорания.
По результатам проведённых исследований физико-химических свойств эмульсий, стабильности и первичных испытаний в качестве оптимальных для дизеля 4Ч 11,0/12,5 были приняты эмульсии следующего состава: спирт (метанол или этанол) - 25 %, моюще-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А - 0,5 %, вода - 7 %, дизельное топливо - 67,5 %.
%, мин
80
60
т, МИН
5
4
3 2
в г
Рис. 2. Результаты исследований стабильности экологической смеси спиртов с дизельным топливом и присадкой сукцинимид С-5А: К - концентрация присадки сукцинимид С-5А; 10, 20, 30, 40, 50 % - концентрация спирта;
а - абсолютный метанол; 6 - метанол с содержанием воды (7 % по массе); в - абсолютный этанол; г - этанол с содержанием воды (7 % по массе)
6
Рис. 3. Влияние величины запальной порции МЭРМ на эффективный КПД дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и МЭРМ: а - п = 1800 мин-1; 6 - п = 1400 мин-1
Также для дизеля было разработано экологичное биотопливо, состоящее из метанола (88 %) и метилового эфира рапсового масла (МЭРМ) (12 %) [9, 10]. ^^
Для оптимизации рабочего процесса на первом этапе проведения стендовых испытаний двигателя определялось оптимальное соотношение запального и 67
основного топлив. При этом подача запального МЭРМ фиксировалась и оставалась постоянной, а изменение нагрузочного режима велось только путём изменения подачи метанола. Низшая теплота сгорания МЭРМ значительно выше, чем у метанола. В связи с этим уменьшение запальной порции приводит к увеличению подачи метанола и росту суммарного расхода топлива, при увеличении - наоборот. Поэтому в качестве критерия выбора оптимальной величины запальной порции МЭРМ было принято решение использовать эффективный КПД (п).
С этой целью снимались нагрузочные характеристики при различных цикловых порциях запального МЭРМ. При этом подача запального топлива изменялась от 0,8 до 2 кг/ч при номинальной частоте вращения (п = 1800 мин1, рис. 3а) и от 0,6 до 1,6 кг/ч при частоте вращения, соответствующей максимальному крутящему моменту (п = 1400 мин1, рис. 3б), что составляет от 7 до 19 мг/цикл. Из рис. 3 видно, что влияние величины запальной порции МЭРМ на це неоднозначно. Так, увеличение запальной порции МЭРМ приводит к некоторому увеличению эффективного КПД на малых нагрузках, но влечёт снижение це на максимальных нагрузочных режимах работы дизеля.
Рост КПД на максимальных нагрузках при малых значениях запальной порции МЭРМ обусловливается, скорее всего, наличием большого количества кислорода в метаноле, что естественно способствует более полному сгоранию топлива в условиях дефицита кислорода на высоких нагрузочных режимах работы. С целью получения максимального КПД под нагрузкой устанавливалась минимальная запальная порция МЭРМ, обеспечивающая устойчивую работу дизеля на малых нагрузках и холостом ходу. В результате проведённых экспериментальных исследований данным условиям соответствует величина запальной порции МЭРМ, равная 1,05 кг/ч (при номинальной частоте вращения, см. рис. 3а) и 0,73 кг/ч (при максимальном крутящем моменте, см. рис. 3б).
Выводы
В результате проведённых исследований стабильности спиртовых эмульсий определено, что концентрация спирта (как метанола, так и этанола) в эмульсии, равная 50 %, оптимальна по условиям устойчивости к процессам разрушения, но использование такой концентрации спирта в эмульсии приводит к пропускам воспламенения и повышенной жёсткости сгорания. Поэтому в качестве оптимальных для дизеля рекомендованы СТЭ следующих составов: спирт (метиловый либо этиловый) - 25 %, моюще-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А - 0,5 %, вода - 7 %, дизельное топливо - 67,5 %.
При работе дизеля на метаноле и МЭРМ установлена минимальная запальная порция МЭРМ, обеспечивающая устойчивую работу дизеля на малых нагрузках и холостом ходу, составляющая 1,05 кг/ч (при номинальной частоте вращения) и 0,73 кг/ч (при максимальном крутящем моменте). Поэтому в качестве оптимального биотоплива для дизеля рекомендован следующий состав: метанол - 88 %, МЭРМ - 12 %.
Биотопливо
ж\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\
_Использованные источники
68
1. Chang W.R., Hwang J.J., Wu W. Environmental impact and Sustainability study on Biofuels for Transportation Applications // Renewable and Sustainable Energy Reviews. -
2017. - V. 67. - P. 277-288.
2. Rajesh Kumar B., Saravanan S. Use of Higher Alcohol Biofuels in Diesel Engines: a Review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2016. -V. 60. - P. 84-115.
3. Physical and Chemical Properties of Ethanol-Diesel Fuel Blends / E. Torres-Jimenez, M.S. Jerman, A. Gregorc [et al.] // Fuel. - 2011. - V. 90. - № 2. - P. 795-802.
4. Alcohol-Diesel Fuel Combustion in the Compression Ignition Engine / W. Titak, S. Szwaja, K. Lukacs [et al.] // Fuel. - 2015. - V. 154. - Р. 196-206.
5. Experimental Study on Evaporation Characteristics of Ethanol-Diesel blend Fuel Droplet / K. Han, B. Yang, C. Zhao [et al.] // Experimental Thermal and Fluid Science. -2016. - V. 70. - P. 381-388.
6. Influence of Biofuel Additions on the Ignition Delay of Single Diesel Fuel Drops / A.K. Kopeika, V.V. Golovko, A.N. Zolotko [et al.] // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. - 2015. - V. 88. - № 4. - Р. 948-957.
7. Effectsof Waste Frying Oil Based Methyl and Ethyl Ester Biodiesel Fuels on the Performance, Combustion and Emission Characteristics of a di Diesel Engine / H. Sanli, M. Canakci, E. Alptekin [et al.] // Fuel. - 2015. - V. 159. - P. 179-187.
8. An Overview: Energy Saving and Pollution Reduction by Using Green Fuel Blends in Diesel Engines / J.K. Mwangi, W.J. Lee, Y.C. Chang [et al.] // Applied Energy. - 2015. -V. 159. - P. 214-236.
9. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Использована природного газа, спиртов и то-плив на их основe в дизeльных двигатeлях: монография. - Киров: Вятская ГСХА,
2018. - 395 с.
10. Лиханов В.А., Копчиков В.Н., Фоминых А.В. Примeнeниe мeтанола и Mera-лового эфира рапсового масла для работы дизeля 2Ч 10,5/12,0. - Киров: Вятская ГСХА, 2017. - 226 с.
11. Likhanov V.A., Lopatin O.P. Use of Natural Gas, Methanol, and Ethanol Fuel Emulsions as Environmentally Friendly Energy Carriers for Mobile Heat Power Plants // Thermal Engineering. - 2017. - V. 64. - № 12. - P. 935-944.
12. Likhanov V.A., Lopatin O.P. The Study of the Process of Combustion of the Alcohol-Fuel Emulsions and Natural Gas in a Diesel Engine // International Journal of Applied Engineering Research. - 2018. - V. 13. - № 3. - P. 1703-1709.
13. Likhanov V.A., Lopatin O.P. Study of Loading Regimes of Diesel Engines Operating on Natural Gas // International Journal of Applied Engineering Research. - 2018. - V. 13. - № 5. - P. 2936-2939.
