CC BY
113
Транспортное и энергетическое машиностроение
УДК 621.436
Смесевое биотопливо с добавкой льняного масла для дизельных двигателей
В.А. Марков1, С.Н. Девянин2, В.Л. Трифонов1
1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 105005, Москва, Российская Федерация, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1
2 Московский государственный агроинженерный университет (МГАУ) им. В.П. Горячкина, 127550, Москва, Российская Федерация, Тимирязевская ул., 58
Blended Biofuel with Linseed Oil for Diesel Engines
V.A. Markov1, S.N. Devyanin2, V.L. Trifonov1
1 BMSTU, 105005, Moscow, Russian Federation, 2nd Baumanskaya St., Bldg. 5, Block 1
2 Goryachkin Moscow State Agro-Engineering University (MGAU), 127550, Moscow, Russian Federation, Timiryazevskaya St., 58
e-mail: markov@power.bmstu.ru, devta@rambler.ru
Рассмотрены особенности использования в дизельных двигателях биотоплив, получаемых с использованием льняного масла, физико-химические свойства нефтяного дизельного топлива, льняного масла, а также их смесей в различных пропорциях. Представлены результаты экспериментальных исследований дизеля типа Д-245.12С, работающего на смесях дизельного топлива и льняного масла. Найдена зависимость показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов от состава смесевого биотоплива, на основе которой предложена методика оптимизации состава смесевого биотоплива. Эта методика базируется на составлении мультипликативного обобщенного критерия оптимальности в виде произведения двух частных критериев, один из которых характеризует условный эффективный КПД дизеля, а второй — удельные массовые выбросы оксидов азота. Определен оптимальный состав смесе-вого биотоплива.
Ключевые слова: дизельный двигатель, дизельное топливо, льняное масло, смесевое биотопливо, оптимизация.
The study examines specific features of biodiesels made with linseed oil, physicochemical characteristics of petrodiesels, linseed oil, and their combinations in various proportions. The results of experimental studies of a D-245.12C type diesel engine operating on blends of conventional diesel fuel and linseed oil are presented. A relationship between the fuel efficiency and exhaust fume toxicity, and the composition of the blended biofuel has been determined, based on which a method for optimization of the blended biofuel composition has been proposed. The method is based on composing a multiplicative generalized optimization criterion as the product of two partial criteria. The first criterion characterizes the conditional efficiency coefficient of the diesel engine, while the second one refers to nitrogen oxide mass emissions per unit. The optimal composition of the blended biofuel has been determined.
Keywords: diesel engine, diesel fuel, linseed oil, blended biofuel, optimization.
Альтернативные моторные топлива находят все большее применение в двигателях наземного транспорта, сельскохозяйственных машин, судов речного и морского флота [1]. Это связано с истощением нефтяных месторождений, ростом цен на нефтепродукты, ужесточением требований к экологическим показателям дизельных двигателей. Одной из наиболее перспективных сырьевых баз для производства альтернативных видов топлива для дизельных двигателей являются растительные масла [2]. В последние годы рынок растительных масел отличался значительным ростом: так, в 2000 г. мировой объем производства растительных масел достиг уровня 80 млн т в год, а к 2013 г. — до 150 млн т. Источником растительных масел являются масличные культуры, содержащие в различных своих частях (главным образом в семенах или плодах) растительные жиры. К масличным культурам относятся более 150 видов растений, способных вырабатывать масла. Различают собственно масличные растения (соя, подсолнечник, рапс) и растения, масла которых являются побочным продуктом при их промышленном использовании (хлопчатник, лен-долгунец, конопля).
Традиционной сельскохозяйственной культурой в России является лен [3-6]. Наибольшее распространение получили три вида льна: лен обыкновенный (лен-долгунец) — отличается волокном высокого качества; лен-кудряш — используется в основном как масличная культура; лен-межеумок (промежуточный) — является маслично-волокнистой культурой. В семенах современных сортов масличного льна содержится до 50 % и выше растительного масла. Лен масличный — одна из древнейших сельскохозяйственных культур, занимающая в мире на сегодняшней день площади около 2,5...2,8 млн га. Основными производителями масличного льна являются Канада, Китай, США, Индия, Эфиопия, Россия, Франция, Бангладеш, Великобритания и Аргентина [3]. Масло льна
используется как пищевое и в то же время оно является одним из лучших высыхающих масел и имеет широкое техническое применение, в частности его применяют в качестве моторного топлива.
Возможность использования растительных масел в качестве моторных топлив определяется составом и строением их молекул. Эти масла состоят главным образом (на 95.97 %) из три-ацилглицеринов — органических соединений, сложных эфиров глицерина и различных жирных кислот [2, 7]. Растительные масла содержат в основном жирные кислоты с четным числом атомов углерода (например, С14, С16, С18 и др.). При этом в состав растительных масел входят как ненасыщенные жирные кислоты (олеиновая, линолевая и др.), так и насыщенные жирные кислоты (миристиновая, пальмитиновая, стеариновая и др.). Молекулы насыщенных жирных кислот не имеют двойных связей, а в ненасыщенных жирных кислотах присутствуют одна-три двойные связи.
Жирнокислотный состав льняного масла несколько отличается от аналогичного состава наиболее распространенного в России подсолнечного масла (табл. 1) [5]. Так, если подсолнечное масло богато линолевой кислотой, то льняное масло — линоленовой кислотой, имеющей три ненасыщенные связи. В связи с этим льняное масло менее стабильно в окислительных процессах по сравнению с подсолнечным маслом [5, 6]. Низкая окислительная стабильность (высокая окисляемость) льняного масла обусловливает его ограниченное время хранения. Если срок хранения подсолнечного нерафинированного масла составляет 38 недель, то у льняного нерафинированного масла — лишь 26 недель, однако просроченное льняное масло может быть использовано в качестве моторного топлива.
Целью предлагаемого исследования являлся анализ показателей автотракторного дизельного двигателя, работающего на смесях в различных
Таблица 1
Жирнокислотный состав подсолнечного и льняного масел
Растительные масла Массовая доля жирных кислот растительных масел
миристиновой С14Н28О2 или С 14:0 пальмитиновой С16Н32О2 или С 16:0 стеариновой С18Н36О2 или С 18:0 олеиновой С18Н34О2 или С 18:1 линолевой С18Н32О2 или С 18:2 линоленовой С18Н30О2 или С 18:3
Подсолнечное До 0,2 5,6-7,6 2,7-6,5 14,0-39,4 18,3-74,0 До 0,2
Льняное 5,4-11,3 2,5-8,0 0,4-1,0 13,0-36,0 8,3-30,0 30,0-67,0
Примечание. После названия жирной кислоты приведены формула состава и условная формула состава, в которой первая цифра соответствует числу атомов углерода, а вторая — числу двойных связей в молекуле.
пропорциях нефтяного дизельного топлива (ДТ) и льняного масла (ЛМ). При этом исследовано льняное нерафинированное масло производства ООО «Аромавита» (Московская обл., Подольский р-он, пос. Курилово), а также его смеси с нефтяным ДТ марки Л по ГОСТ 305-82, содержащие 5 и 9 % (по объему) льняного масла. Некоторые физико-химические свойства дизельного топлива, льняного масла и указанных смесей представлены в табл. 2.
По сравнению с нефтяным ДТ льняное масло отличается заметно большими плотностью и вязкостью, поэтому целесообразна работа дизельного двигателя на смесях ДТ и ЛМ. Эти компоненты хорошо смешиваются между собой, образуя стабильные смеси. Путем подбора состава смесевого топлива можно достичь приемлемых физических свойств смеси. Рассматриваемые смесевые биотоплива, содержащие 5 и 9 % ЛМ, также имеют повышенные плотность и вязкость, но они более близки к аналогичным свойствам ДТ (см. табл. 2). Такие отличия физических свойств ЛМ, а также его смесей с ДТ от свойств ДТ оказывают влияние на параметры процесса топливоподачи дизеля, характеристики распыливания топлива и смесеобразования. Указанные смесевые биотоплива отлича-
ются от нефтяного ДТ и по ряду других физико-химических свойств — температуре самовоспламенения, цетановому числу, теплотворной способности (низшей теплоте сгорания) и др. Все эти факторы сказываются на показателях топливной экономичности и токсичности отработавших газов (ОГ) дизельного двигателя, работающего на указанных видах топливах.
Следует также отметить, что среди растительных масел льняное масло наряду с рапсовым имеет наилучшие низкотемпературные свойства (температура застывания tз = -20 °С). Тем не менее такая температура выше температуры застывания нефтяного ДТ (и. дт = -35 °С). Это необходимо учитывать при организации зимней эксплуатации транспортных средств, работающих на топливах, содержащих данные растительные масла.
Известен ряд работ, посвященных использованию льняного масла в качестве моторного топлива для дизельных двигателей, как в чистом виде [8-10], так и после выработки из него метилового эфира [11-14]. В связи с указанными отличиями физико-химических свойств ЛМ от ДТ целесообразно применение дизельных двигателях на смесях ДТ и ЛМ. Вместе с тем вопрос о применении смесей ДТ и ЛМ в качестве топлива
Таблица2
Физико-химические свойства исследуемых топлив
Свойства Вид топлива
ДТ ЛМ Смесь 95 % ДТ и 5 % ЛМ Смесь 91 % ДТ и 9 % ЛМ
Плотность при 20 °С, кг/м3 830 912 834 837
Вязкость кинематическая, мм2/с:
при 20 °С 3,8 59,6 4,5 6,0
при 40 °С 2,3 23,9 — —
Коэффициент поверхностного натя- 27,1 30,0 — —
жения а при 20 °С, мН/м
Теплота сгорания низшая, кДж/кг 42 500 37 600 42 200 42 000
Цетановое число 45 38 — —
Температура самовоспламенения, °С 250 300 — —
Температура помутнения, °С -25 -12 — —
Температура застывания, °С -35 -20 — —
Количество воздуха, необходимое для 14,3 12,62 14,23 14,16
сгорания 1 кг вещества, кг
Массовая доля содержания элемен-
тов, %:
углерода 87,0 77,8 86,54 86,17
водорода 12,6 12,0 12,57 12,55
кислорода 0,4 10,2 0,89 1,28
Массовое содержание серы, % 0,20 0,002 0,190 0,182
Примечание. «—» — свойства не определялись; для смесей указано объемное процентное содержание компонентов.
для отечественных автотракторных дизелем является недостаточно изученным. Для подтверждения возможности использования этих смесей в качестве моторного топлива проведены экспериментальные исследования дизельного двигателя типа Д-245.12С (4ЧН 11/12,5) Минского моторного завода, устанавливаемого на малотоннажные грузовые автомобили ЗиЛ-5301 «Бычок», а также автобусы Павловского автобусного завода (ПАЗ) и на тракторы «Беларусь». Некоторые параметры исследуемого дизеля приведены ниже:
Тип двигателя.......... Четырехтактный, рядный,
дизельный
Число цилиндров...............................4
Диаметр цилиндра D, мм...................... 110
Ход поршня S, мм.............................125
Общий рабочий объем iVh, л...................4,32
Степень сжатия е............................ 16,0
Номинальная частота вращения n, мин-1...... 2 400
Номинальная мощность Ne, кВт.................80
Система охлаждения.....Водяная, принудительная
Фильтр масляный.......................Сетчатый
Насос масляный...................Шестеренчатый
Система питания...............Разделенного типа
Диаметр плунжеров ТНВД йпл, мм...............10
Ход плунжеров ТНВД йпл, мм....................10
Длина нагнетательных топливопроводов Ьт, мм.....................................540
Давление начала впрыскивания
форсунок рф, Мпа.............................21,5
Система турбонаддува двигателя оснащена турбокомпрессором ТКР-6 Борисовского завода автоагрегатов. Камера сгорания — ЦНИДИ с объемно-пленочным смесеобразованием. Двигатель имеет механизм газораспределения клапанного типа с верхним расположением клапанов. Система смазки — принудительная, с разбрызгиванием; топливный насос высокого давления (ТНВД) рядного типа PP4M10U1f фирмы Motorpal с всережимным центробежным регулятором; форсунки типа ФДМ-22 производства ОАО «Куроаппаратура» (Вильнюс); распылители форсунок фирмы Motorpal типа DOP 119S534 с пятью сопловыми отверстиями диаметром dр = 0,34 мм и проходным сечением Цр/р = 0,250 мм2.
Дизельный двигатель исследован на моторном стенде АМО «ЗиЛ» на режимах внешней скоростной характеристики и 13-ступенчатого испытательного цикла Правил 49 ЕЭК ООН. Настройки двигателя по установочному углу опережения впрыскивания топлива (13° поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки) и положению упора дозирующей рейки
(упора максимальной подачи топлива) оставались неизменными при использовании всех рассматриваемых видов топлива. Моторный стенд был оборудован комплектом необходимой 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 8АЕ-7532 японской фирмы Yanaco с погрешностями измерения указанных компонентов ±1 %.
На первом этапе исследований проведены испытания дизеля типа Д-245.12С на нефтяном ДТ и на смеси 91 % ДТ и 9 % ЛМ на режимах внешней скоростной характеристики (ВСХ). Результаты этих исследований представлены на рис. 1.
Как отмечено ранее, плотность и вязкость исследуемого биотоплива несколько выше ДТ (см. табл. 2), поэтому отмечено небольшое увеличение часового расхода топлива От и некоторое уменьшение коэффициента избытка возду-
К, кВт 80
60 40
20
GT, кг/ч
18 14 10 6
Кх,% 50 40 30 20 10 0
' Ne
г
Г~ м
iYlg X
/
GT
i
я
у—
—■—■>
— ^-QV
Kx ►---л
-О
ge
о- - u 4
Ме, Н -м 360
320
280
а
2,4
1,6
ёе*
кВт/ч
260 240
1000
1400
1800
2200 п, мин
-1
Рис. 1. Зависимость эффективной мощности Ые, крутящего момента Me, часового расхода топлива От, коэффициента избытка воздуха а, дымности ОГ ^ и удельного эффективного расхода топлива ge дизеля типа Д-245.12С от частоты вращения п коленчатого вала на режимах ВСХ при использовании различных топлив: ---ДТ;----смесь 91 % ДТ и 9 % ЛМ
ха а. Однако крутящий момент двигателя Ме и его эффективная мощность Ые изменились незначительно (см. рис. 1 и табл. 3). В то же время из-за наличия в молекулах ЛМ атомов кислорода теплотворная способность смесевого биотоплива была несколько ниже теплотворной способности ДТ. Это привело к тому, что при использовании смеси 91 % ДТ и 9 % ЛМ на большинстве исследуемых режимов удельный эффективный расход топлива gе оказался несколько выше, чем при работе на ДТ. В частности, при переходе с ДТ на смесевое биотопливо на режиме максимальной мощности с частотой вращения коленчатого вала п = 2 400 мин1 удельный эффективный расход топлива ge увеличился с 248,4 до 252,1 г/(кВт-ч), а на режиме максимального крутящего момента при п = = 1 500 мин-1 — с 226,2 до 230,1 г/(кВт-ч). Но при этом эффективный КПД дизеля це на этих режимах практически не изменялся (см. табл. 3).
Вместе с тем наличие в молекулах ЛМ атомов кислорода привело к заметному уменьше-
нию дымности ОГ дизеля, работающего на сме-севом биотопливе. Так, на режиме максимальной мощности при п = 2 400 мин-1 переход с ДТ на смесь 91 % ДТ и 9 % ЛМ сопровождался снижением дымности ОГ КХ с 16 до 11 % по шкале Хартриджа, а на режиме максимального крутящего момента при п = 1 500 мин-1 — с 43 до 36 % по шкале Хартриджа.
На втором этапе проведены исследования на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла Правил 49 ЕЭК ООН, результаты которых представлены на рис. 2, а-г. Как было отмечено, использование рассматриваемого сме-севого биотоплива привело к незначительному росту часового расхода топлива Gт (см. рис. 1 и 2, а). Так, при переводе двигателя с ДТ на смесь 91 % ДТ и 9 % ЛМ на режиме максимальной мощности при п = 2 400 мин-1 величина Gт возросла от 20,10 с 20,24 кг/ч, а на режиме максимального крутящего момента при п = 1 500 мин1 — с 13,10 до 13,28 кг/ч (см. рис. 2, а и табл. 4).
Таблица 3
Характеристики дизельного двигателя типа Д-245.12С, работающего на различных видах топлива
Вид топлива
Характеристики ДТ Смесь 95 % ДТ и Смесь 91 % ДТ
5 % ЛМ и 9 % ЛМ
Часовой расход топлива, кг/ч:
режим максимальной мощности 20,10 20,18 20,24
режим максимального крутящего момента 13,10 13,13 13,28
Крутящий момент, Н-м:
режим максимальной мощности 322 321 319
режим максимального крутящего момента 368 366 367
Удельный эффективный расход топлива, г/(кВт-ч):
режим максимальной мощности 248,4 250,8 252,1
режим максимального крутящего момента 226,2 228,9 230,1
Эффективный КПД:
режим максимальной мощности 0,341 0,340 0,340
режим максимального крутящего момента 0,374 0,373 0,373
Дымность ОГ, % по шкале Хартриджа:
режим максимальной мощности 16,0 12,0 11,0
режим максимального крутящего момента 43,0 37,5 36,0
Условные (средние) показатели топливной экономичности
на режимах 13-режимного цикла, г/(кВт-ч): 247,97 248,72 252,26
эффективный расход топлива 0,341 0,343 0,340
эффективный КПД
Интегральные удельные выбросы токсичных компонентов
на режимах 13-режимого цикла, г/(кВт-ч):
оксидов азота 7,018 6,230 6,441
монооксида углерода 1,723 1,631 1,511
несгоревших углеводородов 0,788 0,695 0,664
ОмОх • 10 , %
' Ю4, %
200 300 Ме, Н ■ м
Ссо" Юч, % 500
250
п = 900 мие /! — -1 /с
3 % ^ \ ° \\ \\ \ч \\ \\ \\ п = 1500 ми] чту/ / / // //
^^«=24 00 мин
0
Ссо • Ю , % Сея г ■ Ю , %
СНх
750 750
500 500
250 250
300 Ме, Н • м
Ссн, -Ю,% 500
250
9 \ \\ \\ \\ \\ \\ \\ и = 2400] ^ин 1
\ \ N п — 900 мин 1Т1-X
-1 -_ п = 15 рг-.§------ 00 мин-1 —о—
о-
0
100
300 Ме, Н • м
0
100
200
300 Ме, Н • м
200
в г
Рис. 2. Зависимость часового расхода топлива Ст (я), объемной концентрации в ОГ оксидов азота См0х (б), монооксида углерода Ссо (в), углеводородов ССНх (г) от частоты вращения п и крутящего момента Ме дизельного двигателя типа Д-245.12С при использовании различных топлив: --ДТ;----смесь 91 % ДТ и 9 % ЛМ
Таблица 4
Оптимизация параметра СЛМ дизельного двигателя типа Д-245.12С
Содержание ЛМ Показатели дизеля
в смеси, % Г|е усл / Пе пр ешх, г/(кВт-ч) еыОх пр Фо
0 0,341 1,0000 7,018 1,0000 1,0000
5 0,343 1,0058 6,230 0,8877 0,8825
9 0,340 0,9970 6,441 0,9177 0,9204
При использовании смесевого биотоплива на большинстве исследуемых режимов имело место уменьшение содержания в ОГ оксидов азота Сыох (см. рис. 2, б). Так, перевод дизельного двигателя с ДТ на смесь 91 % ДТ и 9 % ЛМ на режиме холостого хода при п = 900 мин1
сопровождался снижением концентрации Сыох с 0,0100 до 0,0095 %, на режиме максимального крутящего момента при п = 1 500 мин1 концентрация Сыох уменьшилась с 0,0700 до 0,0690 %, а на режиме максимальной мощности при п = = 2 400 мин-1 — с 0,0605 до 0,0570 %.
При использовании смесевого биотоплива отмечена тенденция снижения содержания в ОГ монооксида углерода Ссо (см. рис. 2, б). Перевод двигателя с ДТ на смесь 91 % ДТ и 9 % на режиме холостого хода при n = 900 мин1 не сказался на концентрации Ссо — она осталась неизменной и равной 0,0240 %. Однако на режиме максимального крутящего момента при n = 1 500 мин1 концентрация Ссо снизилась с 0,0330 до 0,0280 %, а на режиме максимальной мощности при n = 2 400 мин1 — с 0,0102 до 0,0085 %.
Перевод исследуемого дизеля на смесевое биотопливо оказал наибольшее положительное влияние на содержание в ОГ несгоревших углеводородов Сснх (см. рис. 2, г): при переходе на смесь 91 % ДТ и 9 % ЛМ на режиме холостого хода при n = 900 мин1 отмечено снижение концентрации Сснх с 0,0240 до 0,0239 %; на режиме максимального крутящего момента при n = = 1 500 мин-1 — с 0,0170 до 0,0130 %; на режиме максимальной мощности при n = 2 400 мин1 — с 0,0108 до 0,0083 %.
По приведенным на рис. 2 характеристикам содержания в ОГ нормируемых токсичных компонентов (оксидов азота Cnox, монооксида углерода Ссо, несгоревших углеводородов Сснх) рассчитаны их часовые массовые выбросы (Enox, Eco, EcHx). Полученные значения вредных выбросов просуммированы за весь цикл по каждому компоненту (с учетом коэффициентов Ki, отражающих долю времени каждого режима) и затем делением на условную среднюю мощность дизельного двигателя за испытательный цикл 'L(Nei-Ki) определены интегральные за испытательный цикл удельные выбросы вредных веществ по формулам [2, 15]:
13
S EnûxKJ
eNûx = -;
S NeiKi i=1 13
S Eco Ki
e = i=1_;
eco = —-;
S NeiKi i=1 13
S EcHxKi
eCHx = -.
S NeiKi i=1
Оценка эксплуатационного расхода топлива на режимах 13-ступенчатого цикла проведена по среднему (условному) удельному эффектив-
ному расходу топлива, который определялся с использованием данных рис. 2, а и зависимости [2, 15]
13
2 GtíKÍ
g = м_
&e усл 13 >
Z NeiKi
i=1
где Gtí и Nei — часовой расход топлива и эффективная мощность двигателя на i-м режиме. Поскольку смесевые биотоплива имеют меньшую теплотворную способность, топливная экономичность двигателя при его работе на этих топ-ливах оценивалась не удельным эффективным расходом топлива ge, а эффективным КПД Це. Причем для интегральной оценки работы дизельного двигателя на режимах 13-ступенчатого цикла использован условный эффективный КПД, определяемый из соотношения [2, 15]
= 3600
Ле усл = ~ ,
HUge усл
где Ни — низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг. Результаты расчетов указанных параметров представлены в табл. 3.
Приведенные в табл. 3 данные подтверждают возможность улучшения экологических показателей двигателя Д-245.12С при его переводе с ДТ на смесь 91 % ДТ и 9 % ЛМ. Так, при подаче в камеру сгорания дизеля исследуемого сме-севого биотоплива на режимах максимальной мощности и максимального крутящего момента дымность ОГ снизилась на 16.31 % по сравнению с использованием нефтяного ДТ. Удельный массовый выброс несгоревших углеводородов еснх на режимах 13-ступенчатого цикла уменьшился с 0,788 до 0,664 г/(кВт-ч), т. е. на 15,7 %; удельный массовый выброс монооксида углерода есо снизился с 1,723 до 1,511 г/(кВт-ч), т. е. на 12,3 %. При этом удельный массовый выброс оксидов азота eNo* снизился с 7,018 до 6,441 г/(кВт-ч), т. е. на 8,2 %, а условный эффективный КПД Це усл остался практически неизменным (уменьшился с 0,341 до 0,340, что находится в пределах точности определения этого показателя).
Представленные результаты исследований дизельного двигателя типа Д-245.12С получены при его работе на смесевом биотопливе, содержащем 91 % ДТ и 9 % ЛМ. Но определенный интерес представляет вопрос о влиянии состава смесевого биотоплива на характеристики двигателя. В связи с этим проведен анализ показателей двигателя типа Д-245.12С, работающего
на нефтяном ДТ, смеси 95 % ДТ и 5 % ЛМ, смеси 91 % ДТ и 9 % ЛМ. При этом использованы данные табл. 3. Характеристики удельного эффективного расхода топлива gе, эффективного КПД двигателя це и дымности ОГ КХ в зависимости от концентрации ЛМ в смесевом биотопливе Слм приведены в табл. 3 и на рис. 3. На режиме максимальной мощности при п = = 2 400 мин1 увеличение концентрации льняного масла в смесевом биотопливе Слм с 0 до 5 и 9 % приводит к росту удельного эффективного расхода топлива gе с 248,4 до 250,8 и 252,1 г/(кВт-ч) и снижению дымности ОГ КХ — с 16,0 до 12,0 и 11,0 %. Аналогичное увеличение Слм на режиме максимального крутящего момента при п = 1 500 мин 1 сопровождалось ростом gе с 226,2 до 228,9 и 230,1 г/(кВт-ч) и уменьшением Кх — с 43,0 до 37,5 и 36,0 %. Таким образом, использование рассматриваемых смесевых биотоплив позволило заметно уменьшить дымность ОГ. Указанное же увеличение удельного расхода смесевых биотоплив объясняется их меньшей теплотворной способностью Ни, см. табл. 2). При этом с увеличением содержания ЛМ в смесевом биотопливе эффективность процесса сгорания изменялась сравнительно слабо. Так, на режиме максимальной мощности при п = 2 400 мин 1 при концентрации льняного масла в смесевом биотопливе Слм, равной 0, 5 и 9 %, условный эффективный КПД дизеля Пе усл составил 0,341, 0,340 и 0,340 соответственно, а на режиме максимального крутящего момента при п = 1 500 мин1 — 0,374, 0,373 и 0,373 (см. табл. 3).
Значения интегральных на режимах 13-сту-пенчатого испытательного цикла удельных массовых выбросов токсичных компонентов, представленные в табл. 3 и на рис. 4, подтвердили возможность заметного улучшения экологических показателей исследуемого двигателя при использовании смесевых биотоплив. При концентрации льняного масла в смесевом биотопливе Слм, равной 0, 5 и 9 %, выбросы оксидов азота ^N0* составили соответственно 7,018, 6,230 и 6,441 г/(кВт-ч); выбросы монооксида углерода есо — 1,723, 1,631 и 1,511 г/(кВт-ч); выбросы несгоревших углеводородов вснх — 0,788, 0,695 и 0,664 г/(кВт-ч).
Полученные данные не позволяют дать однозначные рекомендации по составу исследуемого смесевого биотоплива (объемному содержанию в смеси с нефтяным ДТ льняного масла Слм), поскольку рассматриваемые показатели топливной экономичности и токсичности ОГ находятся в сложной противоречивой
ge, г/(кВт-ч)
250 240
230Че
2200,38
0,36
400,32 30 20 10
0 2,5 5,0 7,5 Сдм, %
Рис. 3. Зависимость удельного эффективного расхода топлива ge и эффективного КПД ле дизельного двигателя типа Д-245.12С, дымности его ОГ КХ от содержания льняного масла СЛМ в смесевом биотопливе на режимах ВСХ:
--на режиме максимальной мощности
при n = 2 400 мин-1;----на режиме максимального
крутящего момента при n = 1 500 мин-1
eNOx> еСО еСНх> г/СкВт • ч)
7 6
2
1
0 2,5 5,0 7,5 Сдм, %
Рис. 4. Зависимость удельных массовых выбросов оксидов азота ешх, монооксида углерода еС0 и углеводородов еСНх дизельного двигателя типа Д-245.12С от содержания льняного масла СЛМ в смесевом биотопливе на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла
зависимости от содержания ЛМ в смесевом биотопливе. Поэтому для определения целесообразного состава смесевого биотоплива необходимо использование методов оптимизации.
Для решения задачи оптимизации состава смесевого биотоплива использован метод свертки, при котором частные критерии оптимальности сводятся к обобщенному мультипликативному критерию [15]. В качестве частных критериев оптимальности выбраны условный эффективный КПД двигателя п усл и
.........................eN Ох
\-
О
--о
еСНх
показатели токсичности ОГ. Основными токсичными компонентами ОГ дизелей являются оксиды азота N0* [15, 16]. Их доля в суммарных токсичных выбросах дизельных двигателей составляет более 30...80% по массе и более 60...95 % по эквивалентной токсичности. В предлагаемой методике оптимизации удельные массовые выбросы N0* приняты в качестве частного критерия оптимальности, характеризующего токсичность ОГ. Поскольку условный эффективный КПД це усл и удельные массовый выбросы оксидов азота eN0x имеют различную размерность, то при оптимизации состава сме-севого биотоплива использованы приведенные (относительные безразмерные) значения этих параметров, определяемые в виде
Л е пр = Л е усл г /Л е усл 0 ; (1)
^Ох пр = ^Ох г / ^Ох 0 , (2)
где Це усл г, ешх г — условный эффективный КПД двигателя и удельные массовые выбросы оксидов азота при рассматриваемом составе смесе-вого биотоплива (при г-м содержании ЛМ в смеси с нефтяным ДТ); Це усл 0, еN0x 0 — соответствующие параметры дизеля при его работе на чистом ДТ (при нулевом содержании ЛМ в смеси). В предлагаемой методике оптимизации значимость частных критериев оптимальности принята одинаковой. Эта методика базируется на составлении мультипликативного обобщенного критерия оптимальности в виде произведения двух частных критериев, один из которых характеризует условный эффективный КПД дизеля, а второй — удельные массовые выбросы оксидов азота. Таким образом, задача оптимизации состава смесевого биотоплива сводится к нахождению обобщенного мультипликативного критерия оптимальности (обобщенной целевой функции) в виде
Фо = (1/Л епр^О.
Эх пр ♦
(3)
Оптимизация состава смесевого биотоплива с использованием выражений (1)-(3) проведена путем изменения величины СЛМ от 0 до 9 % и вычисления в каждой узловой точке (при Слм = = 0; 5; 9 %) значений обобщенной целевой функции Фо. Ее минимальное значение соответствует оптимальному составу смесевого биотоплива. С использованием описанной методики и расчетных данных, представленных на рис. 2 и в табл. 3, проведена оптимизация параметра Слм, результаты которой приведены в табл. 4.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что для дизельного двигателя типа Д-245.12С оптимальным в соответствии с выражением (3) является состав смесевого биотоплива 95 % ДТ и 5 % ЛМ. При таком составе топлива достигается минимум обобщенной целевой функции Фо = 0,8825 (см. табл. 4). При составе топлива 91 % ДТ и 9 % ЛМ значение обобщенной целевой функции Фо = 0,9204 существенно ниже, чем при работе исследуемого двигателя на чистом нефтяном топливе (Фо = = 1,000). Это свидетельствует о том, что использование льняного масла как экологической добавки к нефтяному ДТ является эффективным средством улучшения показателей топливной экономичности и токсичности ОГ. Содержащийся в молекулах льняного масла кислород благоприятно сказывается на выбросах с ОГ дизеля нормируемых токсичных компонентов — оксидов азота NО*, монооксида углерода СО, несгоревших углеводородов СНх, а также на дымности ОГ Кх. Полученные данные подтвердили возможность оптимизации состава рассматриваемого смесевого биотоплива, но требуется проведение дальнейших исследований при большем диапазоне содержания ЛМ в смесевом биотопливе.
Литература
[1] Марков В.А., Гайворонский А.И., Грехов Л.В., Иващенко Н.А. Работа дизелей на не-
традиционных топлива*. Москва, Изд-во Легион-Автодата, 2008. 464 с.
[2] Марков В.А., Девянин С.Н., Семенов В.Г., Шахов А.В., Багров В.В. Использование рас-
тительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях. Москва, ООО НИЦ Инженер, ООО Онико-М, 2011. 536 с.
[3] Скляров С.В., Горлов С.Л. Хозяйственная ценность образца льна масличного К-2001 в
связи с селекцией на низкоолеиновость. Масла и жиры. 2012, № 8, с. 20-21.
[4] Гусева Д.А., Широнин А.В., Санжаков М.А. Прозоровская Н.Н., Сравнительный анализ
льняного масла трех вариантов холодного отжима. Масложировая промышленность, 2011, № 6, с. 30-32.
[5] Петрова С.Н., Маланина О.О. Влияние условий хранения на качественные показатели
подсолнечного и льняного масла. Масложировая промышленность, 2012, № 1, с. 16-18.
[6] Ладыгин В.В., Прохорова Л.Т., Журавлева Л.Н., Лисицына И.А., Довгалюк И.В., Аюко-
ва Т.П., Горшкова Э.И., Меркулова М.И. Химический состав и окислительная стабильность пищевого льняного масла. Масложировая промышленность, 2011, № 5, с. 12-15.
[7] Марков В.А., Девянин С.Н., Нагорнов С.А., Акимов В.С. Биодизельные топлива из раз-
личных сырьевых ресурсов. Транспорт на альтернативном топливе, 2011, № 3, с. 25-31.
[8] Goering C.E., Daugherty M.J. Energy Accounting for Eleven Vegetable Oil Fuels. Transac-
tions of the ASAE, 1982, vol. 25, no. 5, pp. 1209-1215.
[9] Goering C.E., Schwab A.W., Daugherty M.J., Pryde E.H., Heakin A.J. Fuel Properties of Elev-
en Vegetable Oils. Transactions of the ASAE, 1982, vol. 25, no. 6, pp. 1472-1477.
[10] Knorr W., Daute P., Grutzmacher R., Hofer R. Development of New Fields of Application for Linseed Oil. Fett Wissenschaft Technologi, 1995, Jg. 97, no. 5, pp. 165-169.
[11] Agarwal A.K., Das L.M. Biodiesel Development and Characterization for Use as a Fuel in Compression Ignition Engines. Transactions of the ASME, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2001, vol. 123, № 2, pp. 440-447.
[12] Agarwal A.K., Bijwe J., Das L.M. Effect of Biodiesel Utilization of Wear of Vital Parts in Compression Ignition Engine. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2003, vol. 125, № 2, pp. 604-611.
[13] Agarwal A.K., Bijwe J., Das L.M. Wear Assessment in a Biodiesel Fueled Compression Ignition Engine. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2003, vol. 125, № 3, pp. 820-826.
[14] Sebedio J.L., Prevost J., Grandgirard A. Heat Treatment of Vegetable Oils. I. Isolation of the Cyclic Fatty Acid Monomers from Heated Sunflower and Linseed Oils. Journal of the American Oil Chemists' Society, 1987, vol. 64, № 7, pp. 1026-1032.
[15] Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 376 с.
[16] Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Системы топливоподачи и управления дизелей. Москва, Изд-во Легион-Автодата, 2005. 344 с.
References
[1] Markov V.A., Gaivoronskii A.I., Grekhov L.V., Ivashchenko N.A. Rabota dizelei na
netraditsionnykh toplivakh [Work on non-conventional diesel fuels]. Moscow, Legion-Avtodata publ., 2008. 464 p.
[2] Markov V.A., Devianin S.N., Semenov V.G., Shakhov A.V., Bagrov V.V. Ispol'zovanie ras-
titel'nykh masel i topliv na ikh osnove v dizel'nykh dvigateliakh [The use of vegetable oils and fuels based on their diesel engines]. Moscow, OOO NITs Inzhener publ., OOO Oniko-M publ., 2011. 536 p.
[3] Skliarov S.V., Gorlov S.L. Khoziaistvennaia tsennost' obraztsa l'na maslichnogo K-2001 v svi-
azi s selektsiei na nizkooleinovost' [The economic value of the sample linseed K-2001 in connection with the selection for the low-oleic]. Masla i zhiry [Oils and fats]. 2012, no. 8, pp. 20-21.
[4] Guseva D.A., Shironin A.V., Sanzhakov M.A. Prozorovskaia N.N., Sravnitel'nyi analiz
l'nianogo masla trekh variantov kholodnogo otzhima [Comparative analysis of flaxseed oils produced by three variants of cold-pressing]. Maslozhirovaia promyshlennost' [Fat and oil processing industry]. 2011, no. 6, pp. 30-32.
[5] Petrova S.N., Malanina O.O. Vliianie uslovii khraneniia na kachestvennye pokazateli pod-
solnechnogo i l'nianogo masla [Impact of storage conditions on sun and linseed oils quantity]. Maslozhirovaia promyshlennost' [Fat and oil processing industry]. 2012, no. 1, pp. 16-18.
[6] Ladygin V.V., Prokhorova L.T., Zhuravleva L.N., Lisitsyna I.A., Dovgaliuk I.V., Aiukova T.P.,
Gorshkova E.I., Merkulova M.I. Khimicheskii sostav i okislitel'naia stabil'nost' pishchevogo l'nianogo masla [The chemical compound and oxidizing stability of edible linen oil]. Maslozhirovaia promyshlennost' [Fat and oil processing industry]. 2011, no. 5, pp. 12-15.
[7] Markov V.A., Devianin S.N., Nagornov S.A., Akimov V.S. Biodizel'nye topliva iz razlichnykh
syr'evykh resursov [Fuels produced from various raw material sources]. Transport na al'ternativnom toplive [Alternative Fuel Transport]. 2011, no. 3, pp. 25-31.
[8] Goering C.E., Daugherty M.J. Energy Accounting for Eleven Vegetable Oil Fuels. Transac-
tions of the ASAE, 1982, vol. 25, no. 5, pp. 1209-1215.
[9] Goering C.E., Schwab A.W., Daugherty M.J., Pryde E.H., Heakin A.J. Fuel Properties of Elev-
en Vegetable Oils. Transactions of the ASAE, 1982, vol. 25, no. 6, pp. 1472-1477.
[10] Knorr W., Daute P., Grutzmacher R., Hofer R. Development of New Fields of Application for Linseed Oil. Fett Wissenschaft Technologi, 1995, Jg. 97, no. 5, pp. 165-169.
[11] Agarwal A.K., Das L.M. Biodiesel Development and Characterization for Use as a Fuel in Compression Ignition Engines. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2001, vol. 123, iss. 2, pp. 440-447.
[12] Agarwal A.K., Bijwe J., Das L.M. Effect of Biodiesel Utilization of Wear of Vital Parts in Compression Ignition Engine. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2003, vol. 125, iss. 2, pp. 604-611.
[13] Agarwal A.K., Bijwe J., Das L.M. Wear Assessment in a Biodiesel Fueled Compression Ignition Engine. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2003, vol. 125, iss. 3, pp. 820-826.
[14] Sebedio J.L., Prevost J., Grandgirard A. Heat Treatment of Vegetable Oils. I. Isolation of the Cyclic Fatty Acid Monomers From Heated Sunflower and Linseed Oils. Journal of the American Oil Chemists' Society, 1987, vol. 64, iss. 7, pp. 1026-1032.
[15] Markov V.A., Bashirov R.M., Gabitov I.I. Toksichnost' otrabotavshikh gazov dizelei [Exhaust emissions of diesel engines]. Moscow, Bauman Press, 2002. 376 p.
[16] Grekhov L.V., Ivashchenko N.A., Markov V.A. Sistemy toplivopodachi i upravleniia dizelei
[Fuel system and control of diesel engines]. Moscow, Legion-Avtodata publ., 2005. 344 p.
Информация об авторах
МАРКОВ Владимир Анатольевич (Москва) — доктор технических наук, профессор кафедры «Теплофизика». МГТУ им. Н.Э. Баумана (105005, Москва, Российская Федерация, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, e-mail: markov@power.bmstu.ru).
ДЕВЯНИН Сергей Николаевич (Москва) — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Тракторы и автомобили». Московский государственный агроинже-нерный университет (МГАУ) им. В.П. Горячкина (127550, Москва, Российская Федерация, Тимирязевская ул., 58, e-mail: devta@rambler.ru).
ТРИФОНОВ Валерий Львович (Москва) — кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплофизика». МГТУ им. Н.Э. Баумана (105005, Москва, Российская Федерация, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1).
Статья поступила в редакцию 22.04.2015 Information about the authors
MARKOV Vladimir Anatolievich (Moscow) — Doctor of Science (Eng.), Professor, Department of Thermophysics. Bauman Moscow State Technical University (105005, Moscow, Russian Federation, 2nd Baumanskaya St., Bldg. 5, Block 1, e-mail: markov@power.bmstu.ru).
DEVYANIN Sergey Nikolaevich (Moscow) — Doctor of Science (Eng.), Head of Department of Tractors and Automobiles. Goryachkin Moscow State Agro-Engineering University (MGAU) (127550, Moscow, Russian Federation, Timirya-zevskaya St., 58, e-mail devta@rambler.ru).
TRIFONOV Valery Lvovich (Moscow) — Candidate of Science (Eng.), Associate Professor, Department of Thermal Physics. Bauman Moscow State Technical University (105005, Moscow, Russian Federation, 2nd Baumanskaya St., Bldg. 5, Block 1).
