CC BY
6УДК 662.636
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЯ ДИЗЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МДСТ НА ОСНОВЕ БИОЭТАНОЛА И
МАСЛА
Денежко Любовь Васильевна, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Уральский
ГАУ
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-33-63, Е-mail: denejko@yandex.ru)
Новопашин Леонид Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-33-63, Е-mail: novopashin-leonid@ya.ru)
Садов Артем Александрович, старший преподаватель кафедры технологических и транспортных машин ФГБОУ ВО Уральский ГАУ
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. 8-996-187-9731, Е-mail: artemsadov@yandex.ru)
Рецензент М.Б. Носырев, доктор технических наук профессор, почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации, профессор ФГБОУ ВО Уральский ГАУ (620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. 8 (343) 222-40-00, Е-mail: nosyrev.mb@mail .ш)
Ключевые слова: дизельное смесевое топливо, ДВС, смеси, теоретический расчет, мощность, биотопливо, рициновое масло, биоэтанол. Аннотация
Актуальность рассматриваемого вопроса обуславливается масштабными международными исследованиями и подтверждается указом Президента Российской Федерации от 07 июля 2011 года №899 по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации.
По данным аналитического агентства «АВТОСТАТ», по состоянию на 2019 год в Российской Федерации сумма переработки нефти в дизельное топливо составляет свыше 70 млн. тонн дизельного топлива. [2,4] Из перечисленного можно сделать вывод, что для решения топливного вопроса и сохранения окружающей среды требуется проведение масштабных исследований по данной тематике.
В качестве сырья для получения альтернативных видов топлива привлекательна биомасса, как например, масленичные культуры, отходы перерабатывающих производств и др., [1], в результате
повышенного спроса на рициновое масло и его физико-химические свойства. Требует проведение исследований в сфере пригодности данного сырья в качестве компонента ДСТ. [3].
Однако вязкость рицинового масла на порядок выше чем у дизельного топлива, поэтому рициновое масло может применяется только в качестве добавки к маловязким компонентам. Добавка дизельного топлива и биоэтанола к рициновому маслу с предварительной подготовкой снижает вязкость, улучшает низкотемпературные свойства и делает пригодной к ее использованию с точки зрения качественного распыла.
На основании теплового расчета двигателя по методике А.В. Николаенко определены показатели рабочего цикла двигателя Д-240 и представлены зависимости от концентраций компонентов. В статье проведено сравнение полученных показателей с традиционным дизельным топливом.
THEORETICAL RESEARCH OF INDICATORS OF DIESEL DIESEL POWER STATION WHEN USING MDST BASED ON BIOETHANOL AND OIL
L.V. Denezhko, candidate of technical sciences, associate professor, Ural State Agrarian University (620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, E-mail: denejko@yandex.ru)
L.A. Novopashin, candidate of technical sciences, associate professor, Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, E-mail: novopashin-leonid@ya.ru)
A.A. Sadov — senior lecturer Ural state agrarian University (620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 996-187-9731, E-mail: artemsadov@yandex.ru)
Reviewer M.B. Nosyrev, doctor of technical sciences, professor, honorary worker of the highest professional education of the Russian Federation, professor of FSBEI HE Ural GAU (620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Liebknecht st., 42 tel. 8 (343) 222-40-00, E-mail: nosyrev.mb@mail.ru)
Keywords: diesel fuel mix, internal combustion engine, mixtures, theoretical calculation, power, biofuel, ricin oil, bioethanol.
Annotation
The relevance of the issue under consideration is determined by large-scale international research and is confirmed by the Government of the Russian Federation Order No. 1-P dated January 8, 2009, "The main directions of the state policy in the field of increasing the energy efficiency of the electric power industry based on the use of renewable energy sources until 2020" dated July 7, 2011 No. 899 in priority areas of the development of science, technology and technology in the Russian Federation.
According to the analytical agency AUTOSTAT, as of 2019 in the Russian Federation, the amount of oil refining into diesel fuel is more than 70 million tons of diesel fuel. [2,4] From the above it can be concluded that large-scale research on this topic is required to solve the fuel problem and preserve the environment.As a raw material for the production of alternative fuels, biomass is attractive, such as oil crops, waste from processing plants, etc., [1], as a result of the increased demand for ricin oil and its physicochemical properties. Requires research in the field of suitability of this raw material as a component of the DST. [3].
However, the viscosity of ricin oil is an order of magnitude higher than that of diesel fuel, so ricin oil can be used only as an additive to low-viscosity components. The addition of diesel fuel and bioethanol to ricin oil with preliminary preparation reduces viscosity, improves low-temperature properties and makes it suitable for its use from the point of view of high-quality spray.
Based on the thermal calculation of the engine according to the method of A.V. Nikolayenko determined the performance of the operating cycle of the engine D-240 and presented depending on the concentrations of components. The article compares the results obtained with traditional diesel fuel.
Введение.
В современное время на развитие техники большое влияние оказывают: ужесточение экологических норм по выбросам токсичных веществ, и методы повышения эффективности использования энергоресурсов.
На данный период в Российской Федерации производится свыше 100 млн. тонн моторного топлива традиционным способом из нефти [4]
При этом динамика прироста запасов за счет переоценки и проведения геологоразведочных работ остается на уровне 2007 и 2008 годов. Из этого следует, что при интенсивном увеличении количества стационарных и передвижных потребителей нефтепродуктов потребность в нефтепродуктах может превысить динамику прироста запасов (рисунок 1). В результате произойдет интенсивное уменьшение общего запаса нефтяных залежей категорий A+B+С (таблица 1.) [4]. 700 600 500 400 300 200 100 0
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Рисунок 1 - Динамика добычи нефти и прироста ее запасов категории А+В+С1 в результате геологоразведочных работ за 10 лет
Страна Доказанные запасы нефти, млрд барр. добыча в сутки, млн барр. доля в мировом производстве, % потенциал, годы
Россия 80 10,6 13,6 21
Саудовская Аравия 266,6 10,11 13 72
США 39,9 9,4 12 11,6
Китай 25,1 4,3 5,5 15,9
Ирак 143,1 3,98 5,1 98
Канада 170,9 3,7 4,7 126
А так как для развития нефтяной отрасли необходимы большие инвестиции, для разведок новых месторождений и залежей, или исследование и внедрение новых технических средств и технологий, необходимо уделить большое внимание альтернативным видам энергии.
Поэтому одним из основных путей развития сельскохозяйственного и лесозаготовительного производства можно считать частичный перевод на альтернативные виды топлива из биомассы, так как это решит проблему замещения нефтяных топлив, значительно расширяет сырьевую базу для получения моторных топлив, облегчит решение вопросов снабжения топливом мобильных и стационарных установок, удаленных от крупных населённых пунктов, в связи с чем можно достигнуть снижение себестоимости производимой продукции при условии самостоятельного производства компонентов или в кооперации с другими производителями.[7,8]
В качестве сырья для получения альтернативных видов топлива привлекательна биомасса, как, например, масленичные культуры и отходы перерабатывающих производств.
В результате роста спроса на рициновое масла, которое применяется во многих отраслях и возобновления исследований направленных на селекцию и переработку клещевины появляется смысл исследования рицинового масла и биоэтанола как биокомпонентов для получения дизельного смесевого топлива. [7]
Однако вязкость рицинового масла на порядок выше чем у дизельного топлива, поэтому рициновое масло может применяется только в качестве добавки к маловязким компонентам. Добавка дизельного топлива и биоэтанола к рициновому маслу с предварительной подготовкой снижает вязкость, улучшает низкотемпературные свойства и делает пригодной к ее использованию с точки зрения качественного распыла. [9]
Цель исследований: изучить влияние добавки рицинового масла и биоэтанола к дизельному топливу на экономические, мощностные показатели рабочего цикла распространённого дизельного двигателя Д-240 и сравнение полученных показателей с традиционным дизельным топливом.
Методы и материалы исследования Теоретический расчет рабочего цикла дизельного двигателя был проведен по известным методикам используемых в трудах Прокопенко Р.М., Хорош А.И., Баширова Р.М.[5]
Нами был проведен тепловой расчет двигателя Д-240 с использованием 7 смесей с различной концентрацией компонентов: ДТ+ РицМ+ СП соответственно
(40х20х40, 40х30х30, 50х25х25, 60х10х30, 60х15х25, 60х20х20, 80х10х10) представленных в таблице 3 [6].
Результаты Расчёт элементарного состава смеси показал, что добавление биоэтанола повышает количество кислорода и водорода в элементарном составе смеси. Так же, предварительно проведенное исследование вязкости смеси выявило, что благодаря добавлению биоэтанола можно увеличить долю рицинового масла без негативного влияния на качество распыла.
Таблица 2 Элементарный состав смесей
№ Показатели Углерод С Водород H Кислород O
1 2 3 4 5
1. ДТ 0,870 0,126 0,004
2. 15%РицМ +85% ДТ 0,8495151 0,1239453 0,0265396
3. 20% РицМ +80% ДТ 0,8426868 0,1232604 0,0340528
4. 25% РицМ +75% ДТ 0,8358585 0,1225755 0,041566
5. 40% ДТ 20% РицМ 40% СП 0,7032584 0,1253704 0,1713712
6. 40% ДТ 30% РицМ 30% СП 0,7244589 0,1234731 0,152068
7. 50% ДТ 25% РицМ 25% Сп 0,74871575 0,12389425 0,12739
8. 60% ДТ 10% РицМ 30% Сп 0,7517721 0,1262127 0,1220152
Продолжение таблицы 2
1 2 3 4 5
9. 60% ДТ 0,76237235 0,12526405 0,1123636
15% РицМ
25% СП
10. 60% ДТ 0,7729726 0,1243154 0,102712
20% РицМ
20% Сп
11. 80% ДТ 0,8214863 0,1251577 0,053356
10% РицМ
10% СП
По результатам элементарного состава был проведен расчет двигателя по основным его показателям, указанным в таблице №3
Таблица 3 - Показатели рабочего цикла дизельного двигателя при использовании смесей различной концентрации.
№ Показатели ДТ 40% ДТ 20% РицМ 40% СП 40% ДТ 30% РицМ 30% СП 50% ДТ 25% РицМ 25% Сп 60% ДТ 10% РицМ 30% Сп 60% ДТ 15% РицМ 25% СП 60% ДТ 20% РицМ 20% Сп 80% ДТ 10% РицМ 10% СП
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1. Теплота сгорания топлива, МДж\кг 42,5 34,964 35,700 36,837 37,238 37,607 37,975 40,249
2. 2Теоретическое количество воздуха, кг\кг топлива 14.35 11,68 11,94 12,34 12,48 12,61 12,74 13,54
3. Коэффициент молекулярного изменения 1,041 1,0589 1,0559 1,0531 1,0531 1,0518 1,0505 1,0456
Продолжение таблицы №2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
4. Температура сгорания, 0К 2158, 0 2149,5 3 2153,28 2157,4 2156,07 2157,77 2159,3 2165
5. Среднее эффективное давление , МПа 0.723 3 0,718 0,724 0,716 0,715 0,714 0,714 0,711
6. Эффективный КПД 0.363 0,353 0,356 0,352 0,352 0,352 0,352 0,351
7. Эффективный удельный расход топлива, г\кВт 233,3 291,48 282,7 276,86 274,114 271,54 269,04 254,15
8. Эффективная мощность, кВт 63,0 62,61 63,13 62,38 62,307 62,245 62,18 61,93
9. Изменение мощности, % 0,62% +0,2 % - 0,98 % - 1,1% -1,2% 1,302% -1,7%
10 Изменение удельного расхода топлива, % +24,94 % + 21,2% + 18,67% + 17,49% +16,36% + 15,32% +8,94%
1 * 45 2 40 35 30 Изменение теплоты сгорания топлива
---4
---'
40% ДТ 20% РицМ 40% СП 40% ДТ 30% РицМ 30% СП 50% ДТ 25% РицМ 25% Сп 60% ДТ 10% РицМ 30% Сп 60% ДТ 15% РицМ 2 25% СП 6 0% ДТ .0% РицМ 20% Сп 80% ДТ 10% РицМ 10% СП ДТ
^^Ряд 1 34,964 35,7 36,837 37,238 37,607 37,975 40,249 42,5
Рисунок 2 - Изменение теплоты сгорания топлива
Из полученных данных видно, что на снижение теплоты сгорания топлива, значительно влияет высокое содержание спирта так, например, смесь 80% ДТ и 20% РицМ имеет теплоту сгорания 40,986 МДж\кг, а аналогичная смесь но с добавлением спирта 80х10х10 уже имеет 40,24 МДж\кг предварительные исследования показали, что благодаря добавлению биоэтанола значительно снижается вязкость смеси, снижается температура помутнения и кристаллизации и делает ее пригодной к использованию в стандартных дизельных системах питания с точки зрения качественного распыла, низкотемпературных свойств.
15 14 ас 13 * 12 11 10 40% ДТ
^--
4-—Ф '
40%%РИцМ 40%) КГРиЦ2 50% ДТ в% 30%, МГ1 25% Сп 60% ДТ Э%)0%1ЦМ 30% Сп 15%0Р%-Р Л 80% ДТ 10% РицМ %10С%п СГ ДТ
^^Ряд 1 11,68 11,94 12,34 12,48 12,61 12,74 13,54 14,35
Рисунок 3 - Изменение теоретического количества требуемого воздуха для сгорания Важной особенностью добавления биоэтанола в смеси ДСТ является снижение требуемого количества воздуха для сжигания 1 кг топлива.
^ 2180 2160 2140 2120 2100
о---- ♦ ♦ • • ^
40% ДТ 20% РицМ 40% СГ 40% ДТ 30% РицМ 30% СГ 5 0 % ДТ 25% РицМ 25% Сп 60% ДТ 10% РицМ 30% Сп 60% ДТ 15% РицМ 25% СГ 60% ДТ 20% РицМ 20% Сп 80% ДТ 10% РицМ 10% СГ ДТ
^^Ряд 1 2149,53 2153,28 2157,4 2156,07 2157,77 2159,3 2165 2158
Рисунок 4 - Изменение температуры сгорания смеси
Повышение доли биоэтанола так же влияет и на температуру сгорания выявлено, что чем ниже количества дизельного топлива и выше количество спирта, тем ниже температура сгорания смеси. Но при добавлении суммарно не более 25 % биокомпанентов температура сгорания повышается согласно проведенных расчетов.
300 280 260 240 220 200 ^__ ^
40% ДТ 20% РицМ 40% СГ 40% ДТ 30% РицМ 30% СГ 5 0% ДТ 25% РицМ 1 25% Сп 60% ДТ 0% РицМ 30% Сп 60% ДТ 15% РицМ 2 25% СГ 60% ДТ 0% РицМ 20% Сп 80% ДТ 10% РицМ 10% СГ ДТ
Ряд 1 291,48 282,7 276,86 274,114 271,54 269,04 254,15 233,3
Рисунок 5 - Изменение эффективного удельного расхода топлива
Согласно графику, на значительное увеличение удельного расхода топлива повлияло увеличение доли биоэтанола, если сравнить смеси с содержанием ДТ 60% видно, что удельный расход увеличивается в среднем на 2,5 г \ кВт при изменении доли спирта на каждые 5%
63,5 _ 63
т 62,5 * 62 61,5 61 60,5 60
■ Ряд 1
-ф-
40% ДТ 20% РицМ 40% СП 40% ДТ 30% РицМ 30% СП 50% ДТ 25% РицМ 25% Сп 60% ДТ 10% РицМ 30% Сп 60% ДТ 15% РицМ 25% СП 60% ДТ 20% РицМ 20% Сп 80% ДТ 10% РицМ 10% СП ДТ
62,61 63,13 62,38 62,307 62,245 62,18 61,93 63
Рисунок 6 - Изменение эффективной мощности
Но наличие спирта благоприятно влияет на мощностные показатели работы ДВС так, исходя из полученных данных на примере смесей с содержанием ДТ 60% видно, что при изменении доли спирта на 5% эффективная мощность увеличивается в среднем на 62-70 Вт.
А при применении смеси 40х30х30 видно увеличение на 0,2% эффективной мощности в сравнении с применением нефтяного дизельного топлива. Что нетипично для альтернативных топлив на основе масел.
Результаты проведенного теоретического расчета показателей работы тракторного дизеля при применения смесевого топлива на основе биоэтанола, и масла производимого из клещевины требует проведения моторных испытаний с целью получения объективных данных. [8,9]
Заключение
Проведенные теоретические исследования показывают:
1. В результате снижения требуемого количество воздуха для сгорания смеси происходит значительное изменение коэффициента а - коэффициента избытка воздуха.
2. Добавка биоэтанола позволяет увеличить долю рицинового масла в смеси без негативного влияние на качество распыла.
3. Повышенная доля биокомпонентов позволяет увеличить автономность предприятия и снизить себестоимость выпускаемой продукции.
4. Удельный расход увеличивается в среднем на 2,5 г \ кВт при изменении доли спирта на каждые 5%.
5. При изменении доли спирта на 5% эффективная мощность увеличивается в среднем на 6270 Вт в сравнении с аналогичными пропорциями РицМ и ДТ без добавки спирта.
6. Выявлено, чем ниже количество дизельного топлива и выше количество спирта, тем ниже температура сгорания смеси. Но при добавлении суммарно не более 25% биокомпонентов температура сгорания повышается согласно проведенным расчетам.
Библиографический список
1. Уханов А. П. Исследование свойств биологических компонентов дизельного смесевого топлива / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, И. Ф. Адгамов // Нива Поволжья. - 2014. - №1 (30).
2. Российский парк грузовых автомобилей: основные показатели [Электронный ресурс]. URL: https://www.autostat.ru/infographics/31621/ (дата обращения: 15.12.2018).
3. Марков В.А. Оптимизация состава смесей нефтяного дизельного топлива с растительными маслами / В.А. Марков, С.Н. Девянин, С.И. Каськов // Известия вузов. Машиностроение. - 2016. - №7 (676).
4. Государственный доклад «О состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации в 2015 году» [Электронный ресурс]. URL: http://www.mnr.gov.ru/docs/ (дата обращения: 15.12.2018).
5. Уханов А. П. Биотопливо для автотракторных дизелей из сафлорового масла / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, И. Ф. Адгамов // Нива Поволжья. - 2016. - №4 (41).
6. Панков Ю.В. Количественные соотношения и свойства смесевых систем углеводородного состава для дизельного двигателя / Ю.В. Панков, Л.А. Новопашин, Л.В. Денежко, А.А. Садов // Аграрный вестник Урала. - 2016. - № 12 (154). С. 72-76.
7. Садов А.А. Актуальность применения многокомпонентного дизельного топлива в настоящее время в Российской Федерации / А.А. Садов // В сборнике: ^временные проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса. - Саратов. - 2018. - С. 237-241.
8. Садов А.А. Получение и применение касторового (рицинового) масла в странах БРИКС / А.А. Садов, К.М. Потетня // Молодежь и наука. 2018. № 3. С. 89.
9. Денежко Л.В. Исследование рапсовых смесей различного состава в тракторном дизеле / Л.В. Денежко, Л.А. Новопашин, К.А. Асанбеков // Аграрный вестник Урала. - 2015. - № 1 (131). - С. 53-54.
Bibliographic list
1. Ukhanov A. P. Investigation of the properties of the biological components of diesel mixed fuel / A. P. Ukhanov, D. A. Ukhanov, I. F. Adgamov // Niva Volga. - 2014. - No. 1 (30).
2. The Russian fleet of trucks: key indicators [Electronic resource]. URL: https://www.autostat.ru/infographics/31621/ (accessed: 12/15/2018).
3. Markov V.A. Optimization of the composition of mixtures of petroleum diesel fuel with vegetable oils / V.A. Markov, S.N. Devyanin, S.I. Kaskov // University proceedings. Engineering. - 2016. - No. 7 (676).
4. State report "On the state and use of mineral resources of the Russian Federation in 2015" [Electronic resource]. URL: http://www.mnr.gov.ru/docs/ (date of access: 12/15/2018).
5. Ukhanov A. P. Biofuel for automotive diesel engines from safflower oil / A. P. Ukhanov, D. A. Ukhanov, I. F. Adgamov // Volga Niva. - 2016. - No. 4 (41).
6. Pankov Yu.V. Quantitative relations and properties of mixed systems of hydrocarbon composition for a diesel engine / Yu.V. Pankov, L.A. Novopashin, L.V. Denezhko, A.A. Sadov // Agrarian Bulletin of the Urals. - 2016. - No. 12 (154). S. 72-76.
7. Sadov A.A. The relevance of the use of multicomponent diesel fuel currently in the Russian Federation / A.A. Sadov // In the collection: Modern problems and prospects for the development of agriculture. -Saratov. - 2018 .-- S. 237-241.
8. Sadov A.A. Obtaining and application of castor (ricin) oil in the BRICS countries / A.A. Sadov, K.M. Potetnya // Youth and science. 2018. No. 3. P. 89.
9. Denezhko L.V. The study of rapeseed mixtures of various compositions in tractor diesel / L.V. Denezhko, L.A. Novopashin, K.A. Asanbekov // Agrarian Bulletin of the Urals. - 2015. - No. 1 (131). - S. 53-54.
