CC BY
17
известия оренбургского государственного аграрного университета
2020 ■ № 5 (85)
УДК 633.853:574:662
Результаты теоретических исследований зависимости коксуемости рапсового масла от физических параметров технологии его производства
И.Е. Припоров, канд. техн. наук; Е.С. Блаженко, магистрант;
А.А. Лавров, соискатель
ФГБОУ ВО Кубанский ГАУ
Топливо растительного происхождения по сравнению с дизельным обеспечивает снижение токсичности отработавших газов при сопоставимых энергетических и экологических показателях автотракторных дизелей. Наиболее доступным для дизельных двигателей является биотопливо, получаемое из семян масличных культур (преимущественно рапса, так как рапсовое масло имеет близкие к дизельному топливу физико-химические свойства). Рапсовое масло имеет ряд достоинств по сравнению с дизельным топливом: масло не токсично и не огнеопасно, не содержит сернистых соединений, является возобновляемым топливом, использование рапсового масла не нарушает баланс двуокиси углерода (парникового газа) в природе. Применение рапсового масла в чистом виде затруднено в силу отличия свойств нефтяного и растительного топлива. Различие этих свойств обуславливает особенности работы двигателя на чистом рапсовом масле и его смесях с дизельным топливом. Исследователями этой проблемы отмечается, что показатели рабочего процесса двигателя связаны с особенностями процессов испарения, смесеобразования и сгорания рапсового масла. Цель исследования - улучшение свойств смесевых топлив на основе рапсового масла. На основе проведённого корреляционно-регрессионного анализа влияния физических параметров на коксуемость рапсового масла была установлена их взаимосвязь. В результате математического моделирования коксуемости рапсового масла в зависимости от физических параметров технологии его производства были получены выражения, которые позволяют улучшить свойства смесевых топлив на основе рапсового масла за счёт изменения их параметров.
Ключевые слова: коксуемость, рапсовое масло, дизельное топливо, корреляционно-регрессионный анализ, метод Крамера, свойства смесевых топлив.
Основной экологической проблемой в настоящее время является загрязнение воздуха вредными выбросами автомобильного транспорта. Главные приоритетные задачи направлены на поиск альтернативных видов топлива, которые должны улучшить экологическую обстановку и снизить токсичность отработавших газов автомобильным транспортом.
Атмосферный воздух является определяющим фактором для жизни человека, животных и растительности, а также плодородия почвы. Выбросы вредных веществ оказывают существенное влияние на парниковый эффект и изменение климата, что в свою очередь негативно влияет на здоровье всех живых существ и организмов. При сгорании отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания производят порядка 280 различных компонентов. Большинство из них токсичны из-за природы химических свойств и оказывают соответствующее воздействие на организм человека.
Приоритетными направлениями снижения токсичности отработавших газов двигателей являются: дальнейшее усовершенствование конструкции; использование альтернативных видов топлива, главным образом не нефтяного происхождения, которые должны отвечать не только требованиям эффективности работы двигателя, но и обеспечивать снижение вредных веществ в отработавших газах; создание двигателей, а также устройств, способных снизить содержание токсичных компонентов в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания [1].
На протяжении многих лет ведутся научные исследования, направленные на изучение альтернативных видов топлива не нефтяного происхождения, призванных улучшить экологические показатели двигателей внутреннего сгорания. Исследованиям в этом направлении посвящены работы многих авторов: Д.К. Алексеева, А.А. Анфилатова, Д.Б. Бубнова, Л.И. Быковской,
A.М. Гвоздева, М.П. Гириновича, С.Н. Девяни-на, А.А. Ефанова, А.А. Зенина, А.А. Зинченко,
B.А. Иванова, Н.А. Иващенко, Ю.В. Илатовского, Н.С. Киреевой, А.В. Козлова, Г.С. Корнилова, Д.А. Коршунова, Н.В. Кострюковой, М.Н. Ко-четкова, Р.Ш. Кулиева, А.С. Кулешова, С.П. Кул-манакова, Н.В. Краснощекова, С.В. Лебедева, В.А. Лиханова, В.Н. Луканина, Р.В. Малова, В.А. Маркова, А.П. Марченко, Д.Д. Матиевского, В.З. Махова, С.А. Нагорнова, Х.М. Ор-Рашида, Н.Н. Пасхина, Е.Г. Пономарева, В.М. Попова, В.А. Рачкина, Г.С. Савельева, А.А. Салимзяновой, А.М. Сайкина, В.Г. Семенова, С.М. Сивачёва, А.Ю. Смирнова, А.С. Теренченко, Г.А. Терен-тьева, В.М. Тюкова, А.П. Уханова, В.М. Фомина, А.С. Хачияна, А.Н. Чувашева, А.В. Шашева, Ф.Р. Ширинова и др. [1].
Топливо растительного происхождения по сравнению с дизельным обеспечивает снижение токсичности отработавших газов при сопоставимых энергетических и экологических показателях автотракторных дизелей [2].
В качестве наиболее перспективного и доступного биотоплива рассматриваются расти-
тельные масла, источником которых являются масличные растения. Наибольшее промышленное значение имеют следующие виды масел: бобовое (соевое), рапсовое, подсолнечное, пальмовое, кукурузное (маисовое), арахисовое. Для природных условий России наиболее перспективным считается использование в качестве топлива для дизелей рапсового масла и топлив на его основе.
Рапсовое масло имеет близкие к дизельному топливу физико-химические свойства [3]. Следует отметить, что некоторые физико-химические свойства рапсового масла незначительно отличаются от свойств дизельного топлива. В первую очередь это относится к показателям воспламеняемости этих топлив в камере сгорания дизеля, их теплотворной способности. Так, цетановое число (ЦТ) рапсового масла составляет около 36 единиц, а ЦТ дизельного топлива по ГОСТу 305 - 82 составляет 45 единиц, низшая теплота сгорания этих топлив Ни равна соответственно 37300 и 42500 кДж/кг. В связи с этим отмечается хорошая адаптация современных как транспортных, так и стационарных дизелей к работе на биотопливах, полученных из рапсового масла, чего нельзя сказать о других альтернативных топливах [4 - 6].
Рапсовое масло и дизельное топливо из-за различия физических свойств по-разному влияют на протекание рабочих процессов двигателей, в первую очередь это относится к процессам топливоподачи и смесеобразования. Кроме того, некоторые отличия цетанового числа и теплотворной способности этих двух видов топлив приводят к трансформации процессов самовоспламенения и сгорания [4].
Рапсовое масло имеет ряд достоинств по сравнению с дизельным топливом: масло не токсично и не огнеопасно, не содержит сернистых соединений, является возобновляемым топливом. Использование рапсового масла (РМ) не нарушает баланс двуокиси углерода (парникового газа) в природе. Применение рапсового масла в чистом виде затруднено в силу отличия свойств нефтяного и растительного топлива. Различие этих свойств обуславливает особенности работы двигателя на чистом рапсовом масле и его смесях с дизельным топливом. Исследователями этой проблемы отмечается, что показатели рабочего процесса двигателя связаны с особенностями процессов испарения, смесеобразования и сгорания РМ [7 - 10].
Цель исследования - улучшение свойств смесевых топлив на основе рапсового масла.
Задачи исследования:
- провести корреляционно-регрессионный анализ влияния физических параметров на коксуемость рапсового масла;
- определить зависимость коксуемости рапсового масла от физических параметров технологии его производства.
Материал и методы исследования. Теоретическое исследование выполнено с использованием известных положений корреляционно-регрессионного анализа [5], а также с использованием метода Крамера, позволяющих определить зависимость коксуемости рапсового масла от физических параметров технологии его производства.
Результаты исследования. Процесс производства рапсового масла как топлива для тракторных двигателей таких тракторов, как МТЗ-82 в технологии зависит от физических параметров, которые влияют на его коксуемость.
Для определения уравнений были созданы программы для их составления методом Крамера в среде программы Mathcad 15:
1) зависимость коксуемости (у) рапсового масла от продолжительности (хх) его перемешивания с дизельным топливом будет иметь вид:
/30 32 35\ М= 40 36 31 ;
\33 37 40/
(1)
R=M~1- V;
/—0,0734\
R = i 0,1463 ).
V—0,0623/
Тогда уравнение зависимости продолжительности перемешивания будет иметь вид:
у = —0,0734x1 + 0,1463*! - 0,0623. (2)
2) зависимость коксуемости (у) рапсового масла от плотности (х2) рапсового масла с дизельным топливом будет иметь вид:
/895 900 905\ М= 900 890 910 ;
V910 930 928/
(3)
/-0,031\ Я = ( -0,007 . V 0,038 /
Тогда уравнение зависимости плотности рапсового масла будет иметь вид:
у = —0,031x2 - 0,007%2 + 0,038. (4)
3) зависимость коксуемости (у) рапсового масла от температуры (х3) рапсового масла при его смешивании с дизельным топливом будет иметь вид:
известия оренбургского государственного аграрного университета
2020 ■ № 5 (85)
/60 62 68> М = 75 70 80 \65 75 78>
(5)
R = Ai_1 ■ V;
/ 0Д09 \ Д = ( 0Д475 ].
\—0,2262/
Тогда уравнение зависимости температуры рапсового масла будет иметь вид:
у = 0,109х| + 0,1475%3 - 0,2262. (6)
Для определения влияния физических параметров (продолжительность смешивания, плотность рапсового масла и температура смешивания) на коксуемость рапсового масла был проведён корреляционно-регрессионный анализ, результаты которого представлены в таблице 1.
1. Результаты корреляционно-регрессионного
анализа влияния физических параметров на коксуемость рапсового масла
Показатель Значение показателя
продолжительность перемешивания плотность рапсового масла температура перемешивания
Корреляционное отношение 0,7051 0,6614 0,6346
Ошибка корреляционного отношения 0,409 0,433 0,446
Критерия существенности корреляционного отношения 1,72 1,53 1,42
Критерий Стьюдента 3,18 3,18 3,18
Результаты корреляционно-регрессионного анализа влияния физических параметров (продолжительность смешивания, плотность рапсового масла и температура смешивания) на коксуемость рапсового масла показали их взаимосвязь, которая составила 70,51; 66,14 и 63,46 % соответственно.
Выводы. На основе проведённого корреляционно-регрессионного анализа влияния физических параметров на коксуемость рапсового
масла была установлена их взаимосвязь, которая составила следующие значения:
- продолжительность перемешивания рапсового масла с дизельным топливом - 70,51%;
- плотность рапсового масла - 66,14%;
- температура смешивания рапсового масла с дизельным топливом - 63,46%.
В результате математического моделирования коксуемости рапсового масла в зависимости от физических параметров (продолжительности (xi) его перемешивания с дизельным топливом, плотности (x2) рапсового масла с дизельным топливом, температуры (x3) рапсового масла при его смешивании с дизельным топливом) технологии его производства были получены выражения, позволяющие улучшить свойства смесевых топлив на основе рапсового масла за счёт изменения их параметров.
Литература
1. Копчиков В.Н. Улучшение экологических показателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла с двойной системой топливоподачи путём снижения содержания оксидов азота в отработавших газах: дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2017. 178 с.
2. Адаптация тракторов и автомобилей к работе на биотопливе / Н.В. Краснощеков, Г.С. Савельев, А.Д. Шапкайц [и др.]. // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1994. № 12. С. 1 - 4.
3. Селиванов Н.И., Доржеев А.А. Эффективность производства и использования биотоплива на основе рапсового масла в тракторных дизелях // Вестник КрасГАУ. 2008. N° 4. С. 236.
4. Характеристики процесса топливоподачи и показатели быстроходного дизеля, работающего на дизельном топливе и рапсовом масле / С.В. Гусаков, Н.Н. Патрахальцев, П.Р. Ва-льехо Мальдонадо [и др.] // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2009. № 2. С. 58 - 71.
5. Основы научных исследований: учебное пособие / В.С. Кравченко, Е.И. Трубилин, В.С. Курасов [и др.] .Краснодар: КубГАУ, 2005. 126 с.
6. Селиванов Н.И., Доржеев А.А., Запрудский В.Н. Модели и алгоритм оценки технического уровня трактора при использовании альтернативного топлива // Вестник КрасГАУ. 2011. №2. С. 158 - 166.
7. Исследование процесса сгорания дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на дизельном топливе с добавкой рапсового масла / С.А. Плотников, П.Н. Черемисинов, П.И. Бажан [и др.] // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2018. № 4 (123). С. 249 - 256.
8. Гусаков С., Пабло Вальехо. Особенности применения чистого рапсового масла в качестве топлива в малоразмерных высокооборотных дизелях // Автогазозаправочный комплекс + альтернативное топливо. 2006. № 4. С. 58 - 62.
9. Плотников С.А., Черемисинов П.Н. Исследование свойств альтернативных топлив на основе рапсового масла // Общество, наука, инновации (НПК-2017): всерос. ежегод. науч.-практич. конф. (Вят. гос. ун-т, 1- 29 апреля 2017 г.). Сборник статей. Киров, 2017. С. 1875 - 1882.
10. Особенности производства и использования рапсового биотоплива на автотракторной технике / А.П. Уханов, В.А. Рачкин, М.А. Уханов [и др.] // Нива Поволжья. 2008. № 1 (6). С. 36 - 42.
Припоров Игорь Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент Блаженко Евгений Сергеевич, магистрант Лавров Александр Александрович, соискатель
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет имени И.Т. Трубилина» Россия, 350044, г. Краснодар, ул. Калинина,13 E-mail: ya.kripW@ya.ru; mail@kubsau.ru
The results of theoretical studies of the dependence of rapeseed oil coking capacity on the physical parameters of its production technology
Priorov Igor Evgenievich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Blazhenko Evgeniy Sergeevich, Masters student
Lavrov Alexander Alexandrovich, research worker
Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilina
13, Kalinina St., Krasnodar, 350044, Russia
E-mail: ya.krip10@ya.ru; mail@kubsau.ru
Vegetable-based fuel, compared to diesel, reduces the toxicity of exhaust gases with comparable energy and environmental indicators of motor-tractor diesels.The most affordable for diesel engines is biofuel obtained from oilseeds (mainly rapeseed, since rapeseed oil has similar physical and chemical properties to diesel fuel). Rapeseed oil has a number of advantages compared to diesel fuel: the oil is not toxic or flammable, does not contain sulfur compounds, is a renewable fuel, the use of rapeseed oil does not disrupt the balance of carbon dioxide (greenhouse gas) in nature. The use of rapeseed oil in its pure form is difficult due to the difference in the properties of oil and vegetable fuels. The difference in these properties determines the features of the engine operation on pure rapeseed oil and its mixtures with diesel fuel. Researchers of this problem note that the indicators of the working process of the engine are associated with the features of the processes of evaporation, mixing and combustion of rapeseed oil. The purpose of the research is to improve the properties of mixed fuels based on rapeseed oil. Based on the correlation and regression analysis of the influence of physical parameters on the cokingability of rapeseed oil, their relationship was established. As a result of mathematical modeling of the coking capacity of rapeseed oil, depending on the physical parameters of its production technology, expressions were obtained that allow improving the properties of mixed fuels based on rapeseed oil by changing their parameters.
Key words: coking properties, rapeseed oil, diesel fuel, correlation and regression analysis, Kramer's method, properties of mixed fuels.
-♦-
УДК 631.1
Принципы создания и требования к информационным технологиям управления мелиоративным режимом агроэкосистем
И.Ф. Юрченко, д-р техн. наук ФГБНУ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова
Актуальность исследования обусловлена возрастающей ролью автоматизации агротехнологий и становлением в агропроизводстве бизнес-моделей и технологии Интернета вещей (1оТ). Цель работы - анализ и оценка применяющихся и формирование новых успешных задач цифровизации управления мелиоративным режимом агроэкосистем РФ, а также планирование в связи с этим необходимых мероприятий российского правительства и частно-государственного партнёрства, обеспечивающих эколого-экономическую эффективность отечественного АПК. Теория и методология НИР базировалась на общенаучных методах и способах, включающих системный подход, сравнение, экспертную оценку, обобщение данных, анализ и синтез. Представлены результаты анализа этапов автоматизации технологических процессов и производства российской экономики, предшествующие цифровизации, которые выявили необходимость их совершенствования. Показаны приоритетные направления действенности и внедрения цифровизации мелиоративного водохозяйственного комплекса. В качестве принципиально нового подхода к цифровизаии агропроизводства рассматривается формирование мобильных и стационарных робототехнических платформ, реализующих конкретные агротехнологии и необходимую инфраструктуру возделывания мелиорируемых агроценозов. Сформулирована концептуальная направленность мероприятий по созданию таких платформ. Принципы и требования к автоматизации управления мелиоративным режимом агроэкосистем ориентированы на контроль и учёт мелиоративной ситуации агроэкосистем в режиме онлайн, интеллектуальную обработку и анализ больших объёмов информации, формирование вариантов готовых решений и реализацию управляющих агромелиоративных воздействий, по большей мере без участия человека.
Ключевые слова: мелиоративный режим, агроэкосистема, автоматизация, цифровизация, принципы, требования.
Успешность стратегического развития мирового агропромышленного комплекса в значительной мере связывается с автоматизацией и цифрови-
зацией технологических процессов, обусловленных объёмами накопленной информации и достигнутым уровнем управления данными [1].
