CC BY
45Применение биоэтанола второго поколения в малообъемном двигателе и влияние на экологические показатели
А.А. Власов, докторант Технологического института Эстонского университета естественных наук (Тарту, Эстония), инженер-специалист, Р.Л. Ильвес, научный сотрудник Технологического института Эстонского университета естественных наук (Тарту, Эстония), д.т.н., А.Я. Кюют, доцент Технологического института Эстонского университета естественных наук (Тарту, Эстония), д.т.н., Ю.Р. Ольт, профессор, заведующий кафедройТехнологического института Эстонского университета естественных наук (Тарту, Эстония), д.т.н.
Целью данного исследования является изучение влияния топлива на основе биоэтанола второго поколения на экономические и экологические параметры малогабаритного двигателя, а также возможность его применения в качестве моторного топлива в сельском хозяйстве. Помимо этого, в настоящей работе рассмотрено влияние исследуемого топлива на возникновение коррозии и износ элементов двигателя. В ходе проведения экспериментальных исследований было использовано топливо на основе биоэтанола второго поколения для двухтактного двигателя внутреннего сгорания. По результатам экспериментов полученные данные были проанализированы и представлены в сравнении с результатами использования традиционного бензинового топлива. Анализ вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах, показал значительное снижение оксида углерода, но при этом было отмечено увеличение оксидов азота. Использование биоэтанола второго поколения в качестве топлива в двухтактном двигателе не сопровождалось быстрым износом его элементов, однако было установлено наличие коррозии на поверхностях металлических деталей. С точки зрения экономичности топливная система двухтактного двигателя должна быть модифицирована для достижения лучших экономических и экологических параметров.
__Ключевые слова:
двухтактный двигатель, биотопливо, биоэтанол, моторное масло, коррозия.
иоэтанол второго поколения является одним из наиболее подходящих возобновляемых видов топлива для двигателей внутреннего сгорания. Органическое лигноцеллюлозное сырье (древесные,
сельскохозяйственные отходы, солома и т.д.) используется для производства биоэтанола второго поколения. Преимуществом изготовления биоэтанола второго поколения является то, что оно не конкурирует с производством пищевых
продуктов [1, 2]. Однако на данный момент проблемой являются низкие мощности по производству биоэтанола в Эстонии [3], а также его физико-химические свойства, препятствующие его широкому использованию по сравнению с традиционными видами топлива.
Одной из возможностей использования биоэтанола в качестве моторного топлива является применение его как дополнительного топлива, что может потребовать двойной топливной системы, которая позволит использовать биоэтанол без специальных добавок. Для этой цели двигатель должен быть оснащен отдельной топливной системой для биоэтанола [4], что в свою очередь потребует дополнительных затрат.
Использование топливных смесей биоэтанола широко изучено: например, смеси биоэтанол-дизель-биодизель [5, 6], биоэтанол-бензин [7-10] и биоэтанол-дизель [11, 12]. Основной проблемой в производстве биоэтанола является выработка безводного этанола и его смесей. В создании топливных смесей на основе этанола одной из главных проблем является его несмешиваемость с традиционным топливом и маслом из-за разности в полярности молекул: этанол имеет полярные молекулы, а бензин - неполярные.
Первичный метод смешивания, который показал положительные результаты, был разработан в лаборатории Эстонского университета естественных наук. Применение биоэтанола в смеси с традиционным топливом возможно в малогабаритных двухтактных двигателях. Это разумно в условиях, когда объемы производства биоэтанола являются небольшими. Как правило, силовые установки с двухтактными двигателями работают в непосредственной близости от людей (бензопилы, триммеры и др.), поэтому содержание и токсичность вредных веществ в отработавших газах (ОГ) особенно важны. Использование биоэтанола в двухтактных двигателях по
сравнению с бензином позволяет снизить содержание вредных веществ в ОГ [13]. В то же время воздействие биоэтанола на рабочие детали двигателя вызывает проблемы. В ходе эксплуатации двухтактному двигателю необходимо топливо с хорошими смазочными свойствами для того, чтобы было обеспечено надлежащее функционирование поршневой группы. Другая не менее важная проблема заключается в показателях экономичности двигателя, а именно - в расходе топлива. Для решения этих проблем необходимо создание соответствующей топливной смеси биоэтанола и традиционного топлива, а также проведение испытаний двухтактного поршневого двигателя.
Целью данного исследования является изучение влияния на экономические и экологические параметры малогабаритного двигателя использование топлива на основе биоэтанола второго поколения, а также возможность его применения в качестве моторного топлива в сельском хозяйстве. Также было исследовано воздействие топливной смеси биоэтанола на рабочие детали двигателя.
Испытания проводились при использовании двух одноцилиндровых двухтактных двигателей генераторов NPEGG780-2. Техническая информация двигателей генераторов представлена в табл. 1 и на рис. 1, физические показатели протестированных топлив - в табл. 2.
Рис. 1. Принципиальная схема испытательного оборудования
36
Таблица 1
Техническая информация о двигателях
Параметры Значение
Ход поршня, мм 40
Объем цилиндра, см3 63
Максимальная мощность двигателя, кВт/мин-1 1,5/3000
Соотношение масла и топлива 1/50
Система зажигания C.D.I
Таблица 2
Свойства испытанных топлив
Параметры Топливо
Этанол Этанол-масло Бензин Бензин-масло
Плотность*, кг-м-3 0,8096 0,8297 0,7593 0,7672
Вязкость**, мм2-с-1 1,653 1,746 0,584 0,660
Сила трения***, Н 19,94 11,06 20,61 15,01
* Измерения проведены при температуре окружающей среды 15 °С ** Был использован метод тестирования А8ТМ D445 [14]
*** Для измерения был использован экспериментальный модуль GUNT ТМ 260.03 [15]
В тестах была использована смесь традиционного бензина (АИ-95) и топливного масла, а также комбинация биоэтанола второго поколения и масла. В топливных смесях было использовано моторное масло для двухтактных двигателей Addinol Super Synth. Данные генераторы, оснащенные двухтактными двигателями, были выбраны для того, чтобы обеспечить наиболее постоянные условия тестирования. В сравнительных испытаниях двигателей важно, чтобы все рассматриваемые устройства в ходе проводимых экспериментов работали в одинаковых условиях (температура воздуха, атмосферное давление).
Основными рабочими требованиями, которые должны наиболее строго соблюдаться, являются нагрузки двигателя и условия окружающей среды. При использовании двигателей генераторов в ходе проведения экспериментальных исследований похожие рабочие условия могут быть обеспечены и гарантированы
проще, чем, например, при использовании бензопилы.
Экспериментальные испытания двигателя были проведены в два этапа: тест 1 и тест 2. При проведении теста 1 карбюратор генератора, работающего на биоэтаноле, был отрегулирован таким образом, чтобы двигатель работал стабильно. Необходимость регулировки обусловлена низкой теплотворностью этанола и большим содержанием кислорода. Для загрузки генераторов были использованы потребители электроэнергии мощностью Р=200 Вт для каждого испытуемого генератора. Общая продолжительность испытаний составила 300 ч: тест 1 - 200 ч, тест 2 - 100 ч. Тест 1 был проведен с оригинальными регулировками топливной системы генераторов. При выполнении теста 1 были установлены проблемы в работе генератора на биоэтанольной смеси. В связи с этим перед тестом 2 были произведены изменения двигателя, работающего
на биоэтанольной топливной смеси. Проблема была вызвана недостатками в топливной системе, в результате чего возникла необходимость в изменении конструкции карбюратора генератора, работающего на биоэтаноле (генератор 2). Диаметр отверстия сопла был рассчитан из следующего соотношения:
В г 2
й2 =■ 121 •
В/1
где В^ - количество измеренного бензина-масла в случае немодифицированного сопла (тест 1), г-ч-1; В^ - теоретически необходимое количество биоэтанола, г-ч-1; йх - диаметр немодифицированного отверстия, мм; ¿2 - диаметр модифицированного отверстия, мм.
Расчеты необходимого количества топлива при использовании биоэтанола продиктованы условиями испытаний и были основаны на удельной теплоте сгорания для бензина 2=43,5 МДж-кг1, для этанола 2=26,8 МДж-кг-1 [16]. Результаты показывают, что диаметр сопла ¿2=1,16 мм. При этом некоторые литературные источники предполагают увеличение диаметра сопла по меньшей мере в 1,5 раза [17]. С учетом низкой эффективности работы двигателя при использовании биоэтанола, а также проблем, связанных со смазкой деталей двигателя, было принято решение увеличить первоначальный диаметр отверстия сопла для обеспечения необходимого соотношения топливно-воздушной смеси (Х=0,9). Таким образом, первоначальный диаметр сопла ¿1=0,71 мм был увеличен до ¿2=1,37 мм (рис. 2).
Измерения проводились в начале и в конце экспериментальных испытаний. По итогам полученных результатов с помощью сравнительного анализа был исследован расход топлива генераторов, а также выхлопы вредных веществ с ОГ в зависимости от типа топлива и регулирования топливной системы.
Для определения содержания вредных веществ в ОГ двигателей генераторов
было использовано устройство ВЕА-350. Отметим, что результаты измерений теста 1 и теста 2 непосредственно несопоставимы из-за различных условий испытаний. Оба теста проводились в разное время года, соответственно и окружающие условия были разными (например, температура воздуха при проведении теста 1 была 12,5 °С, а при проведении теста 2 - 26,0 °С).
Также по результатам экспериментов был определен и проанализирован износ рабочих деталей двигателя [9] и дана оценка влиянию коррозии, которая не будет рассмотрена в данной статье.
Ниже представлены результаты, полученные в ходе экспериментальных испытаний, а также основные возможные проблемы, которые могут возникнуть и повлиять на работу двигателя в долгосрочной перспективе.
В ходе анализа выходных параметров двигателя, работающего на биоэтанольной смеси, расход топлива Оэ в тесте 1 увеличился на 134,6 % по сравнению с расходом топлива генератором, работающим на традиционной топливной смеси Об. Следует отметить, что стандартное увеличение потребления топлива, наблюдаемое при использовании этанола, составляет 60... 70 % в зависимости от теплотворности топлива. Проблема заключалась в слишком малом отверстии сопла при работе на биоэтанольной смеси, в результате чего топливной смеси было недостаточно (см. рис. 2а). Для решения данной проблемы в ходе теста 1 проходящий в двигатель воздушный поток был ограничен посредством частичного закрытия воздушного клапана карбюратора, что обеспечило стабильное функционирование двигателя на ранее упомянутой нагрузке, но привело к образованию более богатой топливно-воздушной смеси. Помимо этого, малый диаметр сопла карбюратора также создавал дополнительную проблему в работе топливной системы, где масло собиралось
38
а б
Рис. 2. Немодифицированное (а) и модифицированное (б) сопла генератора 2
в нижнем части поплавка-камеры, что приводило к остановке двигателя. Однако с модифицированным карбюратором оседание масла не наблюдалось, и двигатель продолжал стабильно работать. На основании этого можно сказать, что в двигателе с модифицированным карбюратором использование топливной смеси биоэтанола и масла представляется возможным.
Расход топлива Оэ в тесте 2 при использовании биоэтанольной смеси снизился на 19 % в сравнении с тестом 1, что является положительным итогом. В результате модификации карбюратора удельный расход топлива geэ биоэтанольной смеси уменьшился на 275 г/кВт-ч. По итогам вышесказанного можно сделать вывод, что для улучшения выходных параметров при использовании биоэтанола в генераторе необходимо провести регулировку топливной аппаратуры. Следует отметить, что в данной научной работе регулировка не была проведена по причине того, что целью авторов являлось исследование двигателя генератора с оригинальными заводскими характеристиками, то есть с наименьшими модификациями.
В ходе изучения смазочных свойств биоэтанольного топлива и его влияния на коррозию была рассмотрена внутренняя поверхность цилиндра, поршневые кольца, поршневой палец, шатун, подшипники коленчатого вала и отверстие шейки. Микрометрическое измерение
износа деталей проводилось три раза. Первоначальное измерение было произведено до начала экспериментов (тест 1), второе - между тестом 1 и тестом 2, третье - после теста 2. Были измерены геометрические параметры износа деталей, а также шероховатости их поверхностей. В результате установлено, что диаметр цилиндра двигателя генератора, работающего на традиционной топливной смеси, уменьшился на 6 мкм, а диаметр цилиндра двигателя генератора, работающего на биоэта-нольной топливной смеси, увеличился на 7 мкм. Данное явление, возможно, было вызвано различием в температурах сгорания топлив, что привело к расширению деталей в ходе рабочего процесса.
При оценке размеров поршневых колец было установлено, что использование биоэтанольной топливной смеси несколько повышало их износ. При изучении седиментации топливных остатков на поверхности поршня после 200 ч испытаний лучший результат наблюдался при использовании биоэтанольной топливной смеси (рис. 3). Также при оценке рабочих поверхностей деталей выявлено, что при использовании традиционной топливной смеси наблюдалось осаждение топливных остатков.
По итогам теста 2 (после 300 ч работы) наблюдалось формирование коррозии на рабочих поверхностях деталей
Рис. 3. Сравнение поршневых осаждений генераторов 1 и 2
Рис. 4. Сравнение коррозии генератора 1 и 2
двигателя генератора 2, которые находились в непосредственном контакте с биоэтанольным топливом (рис. 4). Однако следует учитывать, что микрометрические измерения производились через месяц после проведения испытаний генератора, и подобные изменения характерны для обычного использования данного устройства. По итогам наличия коррозии можно сказать, что представляется актуальной разработка антикоррозионных добавок на основе возобновляемого сырья.
При анализе содержания в ОГ оксида углерода по итогам теста 1 установлено, что при использовании биоэтанольной топливной смеси эмиссия СО на 87 % выше по сравнению с традиционным топливом (рис. 5). Однако анализ
результатов теста 2 (после изменения регулировок генератора) показал, что эмиссия СО при использовании био-этанольной топливной смеси более чем в 10 раз ниже эмиссии при традиционной топливной смеси. Это может быть объяснено образованием более качественной топливно-воздушной смеси и, следовательно, более полным сгоранием. В свою очередь высокая эмиссия СО в ходе теста 2 при использовании традиционного топлива может быть связана с осаждением продуктов сгорания топливного масла, что ухудшало процесс горения. Также это было подтверждено увеличением эмиссии углеводородов СН, поэтому данная проблема нуждается в дальнейшем изучении.
Рис. 5. Сравнение эмиссии СО в выхлопных газах
16
14
12
О > 10
8
О и 6
4
2
0
I
V
}
+
+
+
Тест 1, ген. 1 Тест 1, ген. 2 Тест 2, ген. 1 Тест 2, ген. 2
Рис. 6. Сравнение эмиссии СО2 в выхлопных газах
2000
1500
15 >
И 1000
500
1^4
■Г --1-1- -1-
Тест 1, ген. 1 Тест 1, ген. 2 Тест 2, ген. 1 Тест 2, ген. 2
Рис. 7. Сравнение эмиссии СН в выхлопных газах
0
ОС
зи - ос; - Тест 2, ген. 2
о 25 > Р 20 -
1С; . Тест 2, ген. 1
о 1П -
и 10 5 _
Л -
1
Рис. 8. Сравнение эмиссии N0^ в выхлопных газах (тест 2)
Изменение доли СО в отработавших газах коррелирует с количеством углекислого газа С02 (рис. 6). По результатам теста 1 установлено снижение на 6,3 % эмиссии СО2 при использовании биоэтанольной топливной смеси в сравнении с традиционным топливом. В свою очередь по итогам теста 2 эмиссия СО2 увеличилась на 12,7 % по сравнению с традиционным топливом.
Установлено, что более эффективное сгорание характеризуется снижением эмиссии углеводородов в ОГ при сравнении тестов 1 и 2 (рис. 7). Поэтому наилучшие результаты наблюдались в ходе теста 2, что указывает на более полное сгорание топлива и связанно с его расходом О.
Также, помимо СО и СН, наиболее опасными компонентами для здоровья человека являются оксиды азота N0^ Одной из причин увеличенного содержания оксидов азота в ОГ при использовании биоэтанольной топливной смеси является наличие раннего угла опережения зажигания, что не было изменено в настоящих экспериментах. Оптимальный угол опережения зажигания позволяет более эффективно использовать топливо в двигателе. Поэтому для обеспечения уменьшения эмиссии N0X угол опережения зажигания должен быть изменен на более поздний.
По итогам проведения теста 2 установлено, что при использовании биоэта-нольной топливной смеси эмиссия N0^ выше на 67,6 % по сравнению с традиционной топливной смесью (рис. 8).
В ходе теста 2 также установлено, что избыточное количество кислорода в выпускном коллекторе может привести к изменению протекания последующих термических реакций, что в свою очередь скажется на увеличении N0X в ОГ. Уменьшению эмиссии оксидов азота в ОГ способствует снижение температуры сгорания, которая, в свою очередь, может увеличить расход топлива и эмиссию СН.
Изучение содержания токсичных веществ в выхлопных газах нуждается в дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях.
Таким образом, согласно результатам испытаний, рекомендуется использовать соотношение моторного масла и биоэтанола в топливной смеси 1/50. При использовании топливной смеси биоэтанола необходим поиск решения проблемы, связанной с образованием коррозии.
Меньший износ деталей двигателя установлен при использовании биоэта-нольной топливной смеси в сравнении с традиционной, также в меньшей степени продукты сгорания осаждались на рабочих поверхностях деталей двигателя.
42
Уровень вредных веществ в выхлопных газах модифицированного двигателя генератора при использовании биоэта-нольной топливной смеси ниже в сравнении с традиционной топливной смесью: СО на 89,6 %; СН на 83,5 %. Однако выбросы NOx на 67,6 % выше по сравнению с обычной топливной смесью, и этот вопрос требует дальнейшего изучения.
Двухтактный двигатель внутреннего сгорания при работе на топливной смеси биоэтанола нуждается в реконструкции карбюратора, а также в дальнейшем регулировании системы зажигания для достижения наименьшего расхода топлива, предотвращения высвобождения масла из топливной смеси и обеспечения наилучших экологических показателей.
Литература
1. Ritslaid K., Küüt A., Olt J. State of the Art in Bioethanol Production // Agronomy Research. - 2010. -№ 8(1). -Pp. 236-254.
2. Чупраков А.И. Исследование рабочего процесса дизеля 4ч 11,0/12,5 при использовании в качестве топлива этаноло-топливной эмульсии. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. 2012, Санкт-Петербург.
3. Küüt A. Characteristics of bioethanol fuel obtained from lignocellulose biomass in internal combustion reciprocating engines with spark- and compression-ignition., Estonian University of Life Sciences.-Tartu: Ecoprint, 2013. -Pp. 25-28.
4. Patent EE 05665 B1. Formation method of fuel-air mixture of reciprocating engine and flexiblefuel system. 2013. http://www.epa.ee/ul/doc/valjaanded/patendileht2013_03.pdf
5. Labeckas G., Slavinskas S., Mazeika M., Laurinaitis K. Performance and Emission Characteristics of Diesel Engine Fulled with Ethanol-Diesel-Biodiesel Blend. Engineering for Rural Development, Latvija, 2010. -Pp. 266-271.
6. Yilmaz N., Vigil F.M., Donaldson A.B., Darabseh T. Investigation of CI engine emissions in biodiesel-ethanol-diesel blends as a function of ethanol concentration, Fuel 115, 2014. -Рр. 790-793.
7. Olt J., Mikita V, Sóóro T., Küüt A., Tamm R., Raidla E., Ilves R., Ristlaid K., Raudsepp V, Viitkar U. Bioetanool ottomootori kütusena // Agraarteadus: journal of agricultural science. - 2009. -№ 2. -Pp. 26-35.
8. Hilbert D. High. Ethanol Fuel Endurance: A Study of the Effects of Running Gasoline with 15% Ethanol Concentration in Current Production Outboard Four-Stroke Engines and Conventional Two-Stroke Outboard Marine Engines. National Renewable Energy Laboratory, Colorado, 2011.
9. Anderson P., Tamminen J., Standstrom C.E. Piston ring tribology. VTT Research notes 2178, Otamedia Oy, Espoo, 2002. -Pp. 105.
10. Ерощенко С., Корогодский В., Каграманян А., Врублевский А., Василенко О., Обозный С. Экспериментальные исследования двигателя с искровым зажиганием и непосредственным впрыскиванием топлива при работе на бензо-этанольной смеси. Двигатели внутреннего сгорания, том 1.-Харьков: НТУ«ХПИ», 2012.-С. 8-9.
11. Olt J., Mikita V, Ilves R., Küüt A. Ethanol as an Additive Fuel for Diesel Engines. Engineering for Rural Development, Latvija, 2011. - Pp. 248-253.
12. Matuszewska A., Odziemkowska M., Czarnocka J. Properties of bioethanol - diesel oil mixtures.In Méndez-Vilas, A. (ed.) Materials and processes for energy: communicating current research and technological developments. FORMATEX 2013. - Pр. 352-359.
13. Demirbas A. Green energy and technology 3. Biofuels, Springer-Verlag, 2009. - Pp. 96-99.
14. Standard ASTM D445 ASTM D445 Test Method for Kinematic Viscosity of Transparent and Opaque Liquids.
15. GUNT Hamburg. Test stand GUNT TM 260.03. Available at:
http://www.mutiaranata.com/product/detail/tm-260-03-experimental-module-pin-on-disc (10.02.2016).
16. Merker G.P., Schwarz C., Teichmann R. Grundlagen Verbrennungsmotoren. Praxis, ATZ, Germany, 2012. -Pp. 20.
17. Taraba J.L., Turner G.M., Razov R. The use of ethanol as an unmixed fuel for internal combustion engines Energy in agriculture, Department of Agricultural Engineering University of Kentucky, Lexington, 1981. -Pp. 6-8.
