CC BY
92<щ
Альтернативные топлива
Сравнительная оценка альтернативных топлив для дизельных двигателей
В.А. Марков, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.,
Е.В. Бебенин, доцент Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова, к.т.н., Е.Ф. Поздняков, директор ЗАО «Форант-Сервис» (г. Ногинск), к.т.н.
Проведено сравнение эффективности применения различных альтернативных топлив в дизелях. Показана перспективность широкого использования природного газа в сельскохозяйственной технике.
Ключевые слова: дизельный двигатель, дизельное топливо, альтернативное топливо, природный газ, рапсовое масло, пропан-бутановая смесь.
При выборе сырьевого ресурса для производства моторных топлив необходимо учитывать целый ряд показателей и критериев, характеризующих эффективность производства и потребления этих топлив. Основными критериями при оценке моторных топлив по-прежнему остаются их технико-экономические характеристики, а также стоимость их производства.
Возможности выбора и применения того или иного альтернативного топлива определяются факторами, представленными на рис. 1 [1, 2]. Среди этих факторов можно выделить наличие сырьевых ресурсов для производства альтернативного топлива в данном регионе и его относительно небольшая стоимость в сравнении с нефтяным топливом. Важным фактором, определяющим целесообразность использования альтернативного топлива, является близость его свойств к свойствам нефтяного топлива, позволяющая минимизировать затраты на адаптацию серийных ДВС к работе на этом альтернативном топливе. Кроме того, близость этих свойств позволяет использовать имеющуюся инфраструктуру для хранения топлива и заправки им транспортных средств и других энергетических установок.
В связи с ухудшающейся экологической обстановкой, особенно в крупных городах, и ужесточением
нормативов по охране окружающей среды к указанным факторам добавляются экологические показатели самих топлив, а также двигателей, работающих на этих топливах [2, 3]. Рассмотрим подробнее аспекты применимости традиционных и альтернативных топлив.
Повышенный интерес к проблеме использования альтернативных топ-лив в двигателях внутреннего сгорания обусловлен как истощением нефтяных ресурсов и повышением
цен на нефть и нефтепродукты, так и назревшей необходимостью решения острых экологических проблем, вызванных быстрым ростом числа транспортных средств. В качестве потенциальных энергоносителей для дизельных двигателей рассматриваются газообразные топлива (природный газ, сжиженный нефтяной газ, водород, биогаз и др.) [4]. Перспективны топлива растительного и животного происхождения - растительные масла, животные
ФАКТОРЫ,
определяющие целесообразность выбора и применения того или иного вида альтернативного топлива
Региональные ресурсы
Соотношения цен между альтернативными и традиционными топлнвамн
Затраты на адаптацию техники к альтернативным топливам
Затраты на инфраструктуру хранения топлива и заправки им двигателей мобильных и других энергетических установок
Рис. 1. Основные факторы, определяющие целесообразность выбора альтернативного топлива
жиры, рыбий жир, продукты переработки отходов сельскохозяйственного производства, водорослей,ле-сопереработки и др. [5]. В качестве самостоятельных моторных топлив выделяются смесевые топлива (смеси дизельного топлива со спиртами, эфирами и другими альтернативными топливами, бензометанольные и многокомпонентные смеси, водо-топливные эмульсии) [1]. Указанные альтернативные топлива обычно имеют физико-химические свойства, отличные от свойств нефтяного дизельного топлива (табл. 1) [1, 4]. Поэтому при их использовании возникают проблемы адаптации этих топлив к транспортировке, хранению и заправке на существующих автомобильных заправочных
станциях (АЗС), а также к применению в дизельных двигателях.
Преимущества и недостатки рассмотренных альтернативных топлив, а также особенности их применения в дизелях обусловлены физико-химическими свойствами этих топ-лив. Штатное дизельное топливо по ГОСТ 305-82 представляет собой многокомпонентную смесь индивидуальных углеводородов, выкипающих при различных температурах и имеющих различные физико-химические свойства [6, 7]. Оптимизация диапазона температур перегонки нефти при производстве дизельного топлива и его фракционного состава позволяет получить топливо, в наибольшей степени адаптированное для использования в дизельных
двигателях. ДТ среднего состава имеет диапазон температур выкипания 160...360 °С, цетановое число - 45 ед., температуру самовоспламенения - 250 °С, что обеспечивает его хорошее воспламенение в цилиндрах дизеля, сравнительно плавное сгорание, хорошие топливно-эконо-мические показатели и приемлемые характеристики токсичности отработавших газов (ОГ).
Дизельное топливо, являющееся слабо испаряющимся нефтепродуктом, практически не изменяющим своих свойств при хранении, хорошо адаптировано к транспортировке и хранению [6, 7]. Функционирует сеть АЗС, обеспечивающих заправку транспортных средств этим видом топлива. Однако использование
Таблица 1
Сравнение физико-химических свойств различных топлив
Топлива
Физико-химические свойства топлив ДТ ■Ц СУГ (пропан) Метанол ДМЭ РМ МЭРМ
Формула состава С Н * 16,2 28,5 СН4 С3Н8 СН3ОН СН3ОСН3 - С Н О * 19,6 36,6 2
Плотность при 20 °С, кг/м3 830 416** 490** 795 668** 916 877
Вязкость кинематическая при 20 °С, мм2/с 3,8 - 0,17** 0,55 0,22** 75 8
Коэффициент поверхностного натяжения при 20 °С, мН/м 27,1 33,2 - - 12,5 33,2 30,7
Теплота сгорания низшая, МДж/кг 42,5 50,3 46,5 20,1 28,9 37,3 37,8
Цетановое число 45 3 16 3 55...60 36 48
Температура, °С самовоспламенения помутнения застывания кипения 250 -25 -35 180...360 540 -161,5 487 -42 464 -97,9 64,5 235 -25 318 -9 -20 230 -13 -21
Теплота испарения при температуре кипения, кДж/кг 250 511 427 1115 467 - -
Давление насыщенных паров при 0,1 МПа и 20 °С, МПа - 21,4 0,84 0,013 0,51 - -
Количество воздуха, необходимого для сгорания 1 кг вещества, кг 14,3 17,2 15,7 6,4 9,0 12,5 12,6
Содержание, % по массе С Н О 87,0 12,6 0,4 76,0 24,0 0 81,8 18,2 0 37,5 12,5 50,0 52,2 13,0 34,8 77,0 12,0 11,0 77,5 12,0 10,5
Общее содержание серы, % по массе 0,20 - 0,015 - - 0,002 0,002
Примечание. «-» - свойства не определялись; * - условная формула состава; ** - плотность и вязкость жидкой фазы; ДТ - дизельное топливо; КПГ - компримированный природный газ; СУГ - сжиженный углеводородный газ; ДМЭ - диметиловый эфир; РМ - рапсовое масло; МЭРМ -метиловый эфир рапсового масла.
т
Альтернативные топлива
дизельного топлива имеет и ряд недостатков, основными из которых являются ограниченность нефтяных ресурсов и их невозобновляемость. Кроме того, при сгорании ДТ не всегда обеспечиваются требования к токсичности ОГ. Выброс углекислого газа, образующегося в камере сгорания дизеля при сгорании дизельного топлива, способствует возникновению парникового эффекта, а само производство дизельного топлива является неэкологичным процессом (табл. 2) [1].
На современном этапе развития двигателестроения особую значимость приобретает проблема сокращения выбросов в окружающую среду диоксида углерода СО2. Это объясняется заметным повышением его концентрации в атмосфере, вызванным быстрым ростом промышленного производства и резким увеличением числа транспортных средств. В настоящее время в атмосферу ежегодно выбрасывается более 25 млн т углекислого газа, а к 2020 г. ежегодные выбросы СО2 в атмосферу достигнут 35 млн т (рис. 2) [1].
Углекислый газ не оказывает токсического действия на организм человека, но при его повышенном содержании в атмосфере создается парниковый эффект, приводящий к так называемому тепловому загрязнению окружающей среды. Вследствие этого явления повышается температура воздуха в нижних слоях атмосферы, происходит глобальное потепление, особенно заметное в крупных городах, наблюдаются различные климатические аномалии. Кроме того, повышение содержания в атмосфере С02 способствует образованию озоновых дыр.
С точки зрения снижения парникового эффекта важным фактором является невозобновляемость запасов нефти, природного газа и других полезных ископаемых. Образующийся при сгорании моторных топлив из этих ресурсов углекислый
газ нарушает баланс между кислородом и С02 в атмосфере. Поэтому более предпочтительны топлива, вырабатываемые из возобновляемого источника энергии - сырья растительного происхождения. При использовании таких топлив достигается кругооборот углекислого газа и кислорода в атмосфере, поскольку при сгорании топлив растительного происхождения выделяется такое количество СО2 , которое было потреблено из атмосферы растениями за период их жизни.
Применение некоторых альтернативных топлив позволяет устранить и еще ряд недостатков, присущих нефтяным топливам (см. табл. 1). Так, ресурсы природного газа, несмотря на их невозобновляемость, существенно больше, чем запасы нефти. Кроме того, производство КПГ и его сжигание в дизелях весьма экологичны. Снижение токсичности ОГ дизеля при его работе на природном газе вызвано значительным улучшением смесеобразования, поскольку топливо (природный газ) и воздух находятся в одном агрегатном состоянии.
Поэтому топливовоздушная смесь оказывается гомогенной, и наблюдается ее более полное сгорание по сравнению с дизельным топливом.
Это же преимущество характерно и для других топлив, имеющих низкую температуру кипения и в нормальных условиях находящихся в газообразном состоянии (СУГ, ДМЭ, см. табл. 1). Они могут подаваться в цилиндры двигателя как в газообразной, так и жидкой фазе [1]. При их подаче в камеру сгорания под давлением в смеси с дизельным топливом смесеобразование улучшается также за счет быстрого испарения легкокипящей жидкости из топливной смеси, что создает дополнительное возмущение в струе распыливаемого топлива. Общим недостатком использования указанных топлив в дизелях является их неприспособленность к работе на газообразных топливах, что требует внесения существенных изменений в конструкцию дизеля, особенно в его топливоподающую систему. Следует отметить и отсутствие разветвленной сети АЗС, снабжающих
Рис. 2. Увеличение выбросов в атмосферу диоксида углерода ЕСО2 , связанных с деятельностью человека в различных регионах мира: 1 - США; 2 - Канада; 3 - Западная Европа; 4 - Япония и страны тихоокеанского региона; 5 - Латинская Америка; 6 - страны бывшего СССР; 7 - Восточная Европа; 8 - Китай; 9 - Индия; 10 - остальная Азия; 11 - Африка
m
^Ooui.^*
Таблица 2
Сравнительные характеристики различных топлив
Свойства топлив Топлива
ДТ КПГ СУГ ДМЭ Метанол РМ МЭРМ
Возобновляемость ресурсов - - - - - + +
Экологичность при производстве - + + - - + +/-
Экологичность при сгорании +/- + + + + + +
Адаптированность к транспортировке и хранению + - - - + + +
Адаптированность к АЗС + - - - + + +
Адаптированность дизеля + - - - - +/- +
Парниковый эффект - - - - - + +
Примечание. «+» - преимущество; «-» - недостаток; «+/-» - сочетание преимуществ и недостатков.
автомобильный транспорт этими топливами.
Данные, приведенные в табл. 2, не являются исчерпывающими ни по перечню рассматриваемых топлив, ни по их сравниваемым характеристикам. Поэтому эти данные не позволяют сделать окончательный вывод о целесообразности первоочередного применения одного из рассматриваемых топлив. Для такого выбора необходимо провести сравнение и ряда других показателей, что обеспечит возможность более полной оценки преимуществ использования того или иного топлива.
Кроме анализа применимости различных топлив, проведенного в работе [1] по данным табл. 2, известны и другие исследования по этому вопросу. Показатели традиционных
и альтернативных топлив сопоставлялись и в ряде других работ [8-12]. В частности, сравнительные характеристики некоторых топлив представлены в табл. 3, построенной с использованием данных работы [13]. Эти характеристики свидетельствуют о перспективности использования в качестве топлива для дизелей природного и попутного нефтяного газов, ДМЭ, а также топлив растительного происхождения.
Приведенные в табл. 2 и 3 данные подтверждают привлекательность использования в дизелях газовых топлив (КПГ, СПГ, СУГ, ДМЭ). При этом для достижения необходимых показателей дизеля, работающего на газовых топливах, важна организация процесса их подачи в цилиндры. Газовые топлива отличаются
сравнительно небольшими пределами воспламеняемости горючей смеси - узким допустимым диапазоном изменения коэффициента избытка воздуха а (у природного газа а=0,4...2,0, у пропана а=0,4...1,7). Наибольшая эффективность сгорания природного газа достигается при а=1,1___1,2, а
при а>2 его эффективность заметно ухудшается. При работе на дизельном топливе наибольшая эффективность сгорания соответствует а=1,7_2,5 [1]. Следует отметить, что худшая воспламеняемость газовых топлив влечет за собой увеличение периода задержки воспламенения и, как следствие, рост показателей динамики процесса сгорания.
Как отмечено выше, сырьевые ресурсы для получения рассмотренных топлив (КПГ, СПГ, метанол, ДМЭ)
Таблица 3
Сравнительные характеристики различных топлив
Свойства топлив Топлива
ДТ КПГ СПГ ДМЭ Метанол РМ МЭРМ
Цетановое число + - - ++ - 0 +
Топливная экономичность и диапазон ее изменения + - 0 + 0 + +
Эмиссия оксидов азота 1\Юх + + + + + + +
Эмиссия формальдегида НСНО + + + + - + +
Некоррозионность + + + 0 - + 0
Доступность топлива + 0 - - - + 0
Затраты на обслуживание двигателя и транспортного средства + - - - - 0 0
Примечание. «++» - отличные свойства; «+» - хорошие; «0» - нейтральные; «-» - плохие; СПГ - сжиженный природный газ.
невозобновляемы (в основном, это природный газ). Их широкому использованию в качестве топлива для дизелей препятствуют отсутствие необходимой инфраструктуры для снабжения транспорта этими топли-вами, неприспособленность самого двигателя к работе на газообразных топливах, повышенные выбросы с ОГ оксидов азота, монооксида азота и несгоревших углеводородов. С этой точки зрения более предпочтительны жидкие моторные топлива растительного происхождения. Применительно к дизельным двигателям это топлива, вырабатываемые из растительных масел, в первую очередь
- рапсового и подсолнечного.
Свою специфику имеет выбор альтернативных топлив для дизельных двигателей сельскохозяйственных машин. Продолжающийся рост цен на нефтяные моторные топлива привел к тому, что в структуре затрат на производство сельскохозяйственной продукции доля стоимости дизельного топлива уже превышает 30 % [14]. Это обстоятельство приводит не только к нарушению технологий сельскохозяйственного производства и увеличению стоимости продуктов питания, но и к сокращению посевных площадей и поголовья животных, а также ведет к разорению предприятий агропромышленного комплекса различных форм собственности. Сложившаяся ситуация угрожает продовольственной безопасности страны и может привести к полной зависимости от ввозимого продовольствия.
В связи с этим обстоятельством в настоящее время разработаны и внедрены новые технологии использования альтернативных топлив
- биотоплива, газообразного топлива и других альтернативных видов. Но приоритетное внедрение того или иного альтернативного топлива в сельскохозяйственное производство должно базироваться на всесторонней оценке преимуществ
и недостатков конвертирования двигателей внутреннего сгорания на этот вид топлива и использования его для сельскохозяйственной техники. Поэтому целесообразнее выбрать наиболее выгодное в экономическом плане альтернативное топливо и сконцентрировать усилия на его более широком внедрении в автотракторное хозяйство страны. Таким образом, экономическое обоснование приоритетного направления широкомасштабного внедрения альтернативного топлива является актуальной задачей.
При этом необходимо произвести теоретическое исследование эффективности использования альтернативных топлив тракторами различного тягового класса. Рассмотрены тракторы К-700А (тяговый класс 50 кН), Т-150 (тяговый класс 30 кН), ДТ-75 (тяговый класс 30 кН), МТЗ-80 (тяговый класс 14 кН). Данные образцы техники были выбраны из всего многочисленного ряда тракторов, применяемых в сельском хозяйстве, так как они являются на сегодняшний день наиболее распространенными.
Использованная методика определения экономической эффективности является стандартной [15] и
достаточно распространенной при определении основных экономических показателей сельскохозяйственной техники. Она учитывает такие технико-экономические показатели как часовая производительность, затраты труда на единицу выполненной работы, удельный расход энергоресурсов и расчет себестоимости единицы работы. С целью обеспечения наибольшей объективности проводимого теоретического исследования были приняты значения этих технико-экономических параметров, характерные для самого распространенного вида сельскохозяйственной операции - вспашки (при агрегатировании вышеперечисленных тракторов плугами марки ПЛН в соответствии с тяговым классом этих тракторов). Расчет производился из условия годовой загрузки сельхозмашин, равной 500 ч, норма амортизационных отчислений на трактор установлена в размере 18,5 %, а часовая тарифная ставка принята равной 51,7 руб. [16].
При расчетах исследованы традиционное нефтяное дизельное топливо и следующие виды альтернативных топлив: смесь В20 (20 % рапсового масла и 80 % ДТ), чистое
клееА
Рис. 3. Результаты расчета годовой экономии при использовании различных альтернативных топлив на основных марках сельскохозяйственных тракторов
СК«УВ20
Рис. 4. Результаты расчета срока окупаемости конвертации сельскохозяйственных тракторов на различные виды альтернативных топлив
рапсовое масло, сжиженный углеводородный газ (СУГ) и КПГ. На рис. 3 приведены расчетные данные годовой экономии в рублях при переходе от нефтяного ДТ на эти топлива. На рис. 4 представлены результаты расчета срока окупаемости конвертации тракторов на рассматриваемые альтернативные топлива. При расчетах рассмотрены системы питания тракторных двигателей газообразными топливами (метан и пропан-бутановая смесь) с их воспламенением от запальной дозы нефтяного дизельного топлива, то есть двойные системы питания дизелей. Срок окупаемости использования биотоплив (рапсовое масло и смесь В20) дан без учета периода выращивания и производства самого биотоплива.
Из представленных на рис. 3 и 4 данных можно сделать вывод о том, что в экономическом отношении наиболее выгодным может стать применение природного газа в качестве альтернативного топлива. Так, при конвертировании дизельного двигателя трактора МТЗ-80 на природный газ годовой экономический эффект составит около 400 тыс. руб. на один трактор (см. рис. 3). При этом срок окупаемости конвертации дизеля этого трактора на природный
газ составляет всего 0,5 года (см. рис. 4). Но переоборудование тракторных двигателей для работы на этом виде топлива требует наибольших, по сравнению с применением других альтернативных топлив, капиталовложений. Результаты расчетных исследований также показывают, что применение альтернативных топлив целесообразно на недорогих видах техники, что делает их использование более привлекательным для малых и фермерских хозяйств. Близость значений технико-экономических характеристик тракторов Т-150 и ДТ-75 объясняется тем фактором, что эти тракторы относятся к одному тяговому классу.
Проведенный анализ подтвердил эффективность использования в сельскохозяйственном производстве не только природного газа, но и других исследуемых альтернативных топлив: смеси рапсового масла с нефтяным ДТ (смесь В20), рапсового масла и СУГ. При этом необходимо отметить, что использование рассмотренных биотоплив практически не требует затрат на адаптацию двигателей к их применению, поскольку по своим физико-химическим свойствам они достаточно близки к традиционным нефтяным дизельным топ-ливам (особенно смесь В20).
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. Патрахальцев Н.Н. Повышение экономических и экологических качеств двигателей внутреннего сгорания на основе применения альтернативных топлив. - М.: Изд-во РУДН, 2008. - 267 с.
3. Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.
- 376 с.
4. Гайворонский А.И., Марков В.А., Ила-товский Ю.В. Использование природного газа и других альтернативных топлив в дизельных двигателях. - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007.
- 480 с.
5. Марков В.А., Девянин С.Н., Семенов В.Г., Шахов А.В., Багров В.В. Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях. - М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2011. - 536 с.
6. Гуреев А.А., Азев В.С., Камфер Г.М. Топливо для дизелей. Свойства и применение.
- М.: Химия, 1993. - 336 с.
7. Гуреев А.А., Камфер Г.М. Испаряемость топлив для поршневых двигателей. - М.: Химия, 1982. - 264 с.
8. Звонов В.А., Козлов А.В., Теренченко А.С. Оценка традиционных и альтернативных топлив по полному жизненному циклу // Автостроение за рубежом. - 2001. - № 12. - С. 14-20 с.
9. Парсаданов И.В. Повышение качества и конкурентоспособности дизелей на основе комплексного топливно-экологического критерия. - Харьков: Изд-во Харьковского политехнического института, 2003. - 244 с.
10. Якубовский Ю. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды: Пер. c польского Т.А. Бобковой. - М.: Транспорт, 1979. - 198 с.
11. He D., Wang M. Contribution Feedstock and Fuel Transportation to Total Fuel-Cycle Energy Use and Emissions // SAE Technical Paper Series. - 2000. - № 2000-01-2976. - P. 1-15.
12. Louis J.J. Well-To-Wheel Energy Use and Greenhouse Gas Emissions for Various Vehicle Technologies // SAE Technical Paper Series.
- 2001. - № 2001-01 -1343. - P. 1-8.
13. Fleisch T., McCarthy C., Basu A. et al. A New Clean Diesel Technology: Demonstration of ULEV Emissions on a Navistar Diesel Engine Fueled with Dimethyl Ether // SAE Technical Paper Series. - 1995. - № 950061. - P. 1-10.
14. Новые источники сырья для биодизеля / Ю.А. Коцарь, Г.А. Головащенко, С.В. Плужников и др. // АГЗК+АТ. - 2011. - № 4. - С. 23-24.
15. ГОСТ Р 53056-2008. Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки.
- М.: Стандартинформ, 2009. - 33 с.
16. Бебенин Е.В. Совершенствование топливной системы тракторных дизелей для работы по газодизельному циклу на примере трактора РТМ-160: дис. канд. техн. наук: спец. 05.20.01, 05.20.03. - Саратов, 2009. - 136 с.
