CC BY
23Вязкостные характеристики многокомпонентных смесевых биотоплив на основе растительных масел
B.А. Марков, профессор, заведующий кафедрой МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.,
C.Н. Девянин, профессор, заведующий кафедрой Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К.А. Тимирязева, д.т.н.,
С.А. Зыков, доцент Российского государственного аграрного университета -МСХА имени К.А. Тимирязева, к.т.н.
Са Бовэнь, магистрант кафедры «Теплофизика» МГТУ им. Н.Э. Баумана
Показаны преимущества использования в дизельных двигателях многокомпонентных смесевых биотоплив. Одной из проблем использования топлив на основе растительных масел является их повышенная вязкость. Исследованы вязкостные характеристики многокомпонентных смесевых биотоплив - смесей нефтяного дизельного топлива с рапсовым маслом, метиловым эфиром рапсового масла и автомобильным бензином. Приведены показатели дизеля Д-245.12С, работающего на многокомпонентных смесевых биотопливах.
__Ключевые слова:
дизельный двигатель, нефтяное дизельное топливо, бензин, альтернативное топливо, растительное масло, рапсовое масло, метиловый эфир рапсового масла, многокомпонентное смесевое биотопливо, вязкость.
настоящее время основными энергоносителями для транспорта являются нефтяное дизельное топливо и бензин. Доля альтернативных топлив в общем балансе потребления моторных топлив незначительна и составляет лишь несколько процентов, однако в связи с обостряющимся энергетическим кризисом, нарастающим дефицитом нефтяных энергоносителей и необходимостью решения острых экологических проблем уже в ближайшей перспективе следует ожидать расширения использования альтернативных моторных топлив [1, 2]. Среди них наиболее привлекательны биотоплива, поскольку сырьевые ресурсы для их получения являются практически неисчерпаемыми, а при их применении возможно решение ряда экологических проблем, в частности, проблемы снижения выброса в атмосферу основного парникового газа - диоксида углерода (углекислый газ).
В дизельных двигателях силовых установок автомобилей все шире используются биотоплива, получаемые из растительных масел [3, 4]. Альтернативные моторные топлива вырабатывают из различных растительных масел, но для условий средней полосы России наиболее привлекательны топлива, производимые с использованием рапсового масла (РМ) [4]. К топливам, получаемым из растительных масел, относятся чистые растительные масла, их эфиры (например, метиловый эфир
рапсового масла - МЭРМ), смеси масел и их эфиров с нефтяными и альтернативными топливами, микроэмульсии на основе растительных масел, воды, спиртов или других альтернативных топлив [3, 4].
34 Возможность использования указанных биотоплив в дизелях во многом пре-
допределяется близостью их физико-химических свойств к аналогичным свойствам нефтяного дизельного топлива (ДТ). Важнейшими характеристиками альтернативных топлив являются их плотность, вязкость, сжимаемость [4, 5, 6]. Указанные физические свойства биотоплив на основе растительных масел оказывают заметное влияние на параметры процессов топливоподачи, впрыскивания и распыливания, смесеобразования и сгорания [4, 6]. Как правило, они имеют высокие плотность и вязкость, поэтому при их подаче в камеру сгорания (КС) штатной системой топливоподачи наблюдается увеличение цикловой подачи и часового расхода. Повышенная плотность растительных масел и топлив на их основе приводит к увеличению дальнобойности струи распыливаемого топлива. Увеличение длины струи распыливаемых биотоплив усугубляется их худшей самовоспламеняемостью (увеличение периода задержки воспламенения). В результате за период задержки воспламенения струи распыливаемого биотоплива достигают стенок КС, часть топлива, попадающая на стенки, не сгорает полностью, уменьшается доля объемного смесеобразования, могут наблюдаться потеря подвижности поршневых колец и загрязнение моторного масла.
Для устранения указанных недостатков желательно использовать биотоплива, имеющие свойства, близкие к свойствам штатных нефтяных дизельных топлив. Приближение указанных свойств биотоплив к свойствам штатного ДТ достигается при использовании смесей растительных масел с нефтяными дизельными и другими топливами, что обеспечивает необходимое качество рабочих процессов дизелей и их требуемые эксплуатационные показатели. Причем, наибольшее приближение к свойствам штатного ДТ может быть достигнуто путем применения многокомпонентных смесевых биотоплив. В настоящей работе рассматриваются смеси нефтяного дизельного топлива с рапсовым маслом, метиловым эфиром рапсового масла и автомобильным бензином.
В связи с целесообразностью использования в транспортных дизельных двигателях именно таких смесевых биотоплив определенный интерес представляет исследование зависимости вязкости указанных смесей от их состава. Известны работы, посвященные экспериментальному определению вязкости биотоплив [7-12]. Вместе с тем, в связи с указанной выше целесообразностью использования многокомпонентных смесевых биотоплив и необходимостью получения простых и достоверных эмпирических формул, описывающих вязкость таких биотоплив, требуется проведение дополнительных исследований, направленных на получение их аппроксимационных вязкостных характеристик.
В уже проведенных исследованиях вязкостных характеристик смесевых жидкостей использованы различные теоретические подходы, основанные на описании взаимодействия компонентов смеси [13-15]. Но получение полностью теоретических формул, описывающих вязкостные характеристики смесевых биотоплив (смеси нефтяного ДТ, растительных масел, их эфиров и др.), практически невозможно в связи со сложным составом рассматриваемых смешиваемых компонентов. Поэтому для описания вязкостных характеристик смесевых биотоплив используют полуэмпирические формулы [15].
В представленной работе для описания вязкостных характеристик многокомпонентных смесевых биотоплив использованы известный логарифмический
и предложенный авторами алгебраический аппроксимационные подходы. К первому подходу относится метод Ниссана и Грюнберга [15], позволяющий определить кинематическую вязкость смеси в виде
luv = T1fxilnvi + ZfZ]>lxiXjDij+ZfZ]>l^>jxixJxkDijk+--- + Dij...n ЩЧ, (1)
где Dj, Dljk, ... ,D- коэффициенты, зависящие от температуры и концентрации компонентов в смеси.
Значения коэффициентов Dtj, Dljk,...,Dtj n рассчитываются по следующим формулам:
АИ
Dtj = -У- + Bij ;
П _ AiJk , D Uijk ~ + Dijk ;
п . . - А й-"п +Л. • (2)
Коэффициенты А А 1)к, ... ,А^п и ВВ ¡)к, ... ,Ву . п, входящие в выражения (2), определяются методом наименьших квадратов. Они могут быть заданы либо постоянными, либо зависящими от концентрации компонентов в смеси. В этом случае описание зависимости вязкости смеси от температуры может быть задано в виде нелинейной суммы вида
гпи = АДТ1+^+СДТ1£, (3)
где коэффициенты А, В и С также могут быть заданы либо постоянными, либо зависящими от концентрации компонентов в смеси.
Второй эмпирический подход, разработанный авторами статьи, предполагает описание нелинейной зависимости кинематической вязкости смесевых топлив от их состава и температуры в виде алгебраического соотношения
v = , (4)
где А,, В, С,, О,, Б, - постоянные коэффициенты, относящиеся к г-му компоненту и определяемые методом наименьших квадратов.
В этом подходе кинематическая вязкость чистого ДТ определяется следующей формулой:
и=АДТ2+^+СДТ2£. (5)
Два указанных метода использованы для получения аппроксимационных зависимостей для вязкости различных многокомпонентных смесевых биотоплив. При проведении расчетных исследований использованы экспериментальные данные работ [4, 16-18] по кинематической вязкости рассматриваемых смесей при температурах 20, 40 и 60 °С (табл. 1 и 2).
НП «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА)
iJübJ
Биотопливо
ж\т\\\\\\\\\\\\\\\\\\ч
Таблица 1
Кинематическая вязкость ДТ, РМ, МЭРМ и их смесей
Температура, °С Кинематическая вязкость различных топлив, мм2/с
ДТ РМ МЭРМ 90% ДТ, 5% РМ , 5% МЭРМ 80% ДТ, 10% РМ , 10% МЭРМ 60% ДТ, 20% РМ , 20% МЭРМ
20 2,370 75,000 8,000 4,661 5,421 5,477
40 1,770 34,601 4,498 2,364 2,398 3,503
60 1,293 19,305 4,097 1,625 1,730 2,399
Таблица 2
Кинематическая вязкость ДТ, РМ, бензина АИ-80 и их смесей
Температура, °С Кинематическая вязкость различных топлив, мм2/с
ДТ РМ АИ-80 85% ДТ, 5% РМ , 10% АИ-80 80% ДТ, 10% РМ, 10% АИ-80 70% ДТ, 20% РМ, 10% АИ-80
20 2,370 75,000 0,730 2,127 2,771 3,599
40 1,770 34,601 0,582 1,665 2,007 2,503
60 1,293 19,305 0,523 1,222 1,625 1,856
При аппроксимации кинематической вязкости многокомпонентных смесей (соответственно ДТ+РМ+МЭРМ и ДТ+РМ+АИ-80) при разных температурах формулу (1), соответствующую логарифмическому подходу, можно представить в виде
Inv — x1lnv1 + x2lnv2 + x3lnv3 + x1x2D12 + x2x3D23 + x1x3D13 + x1x2x3D123 , (6)
или
V = p^xlp2x2p3x3 gxlx2^12 gx2x3^23 gxlx3^13 gxlx2x3^123 (7)
Аналогично формула (4) для описания характеристик кинематической вязкости многокомпонентных смесей алгебраическим соотношением приобретает следующий вид:
х2 ( Е2\ ( В-, \ х3 Е3
т)+х31А*+т+Ч. ( 8)
При аппроксимации характеристик кинематической вязкости логарифмическим соотношением массовые концентрации РМ, МЭРМ и ДТ обозначены соответственно х1, х2 и х3, а кинематическая вязкость смеси и чистых РМ, МЭРМ, ДТ - соответственно V, у1, у2 и у3. В связи со структурной особенностью этих смесей (в табл. 1 содержание в смесях РМ и МЭРМ равны, то есть х1 всегда равен х2) формулы (6) и (8) имеют соответственно следующие виды:
V =
1пу = х11пу1 + х21пу2 + х31пу3 + х1х2э12 + х1хз0^з + х1х2х3э123 (9)
где
012 - -р + В±2 ; - 013 + 012 - 1 3£ 12 + В13 + В12 - -у- + Вхз ; »123= ТГ + Я123 ; А\ =Аг +А2 ; В1 = В1 + В2 ;
С^ = Сг + С2 ; с; = + 02 ; = Е1 + Е-
2 •
При этом формулу (9) можно также представить в виде:
(А
(А\2 \
1пу = х11пу1 + х21пу2 + х31пу3 + х1х2 I —— + В12 \ + (^р + В{з) + х1х2х3 + В123
(11)
При использовании формулы (11) для описания характеристик кинематической вязкости исследуемых смесей сначала необходимо получить формулы вида (3), представляющие собой вязкостно-температурные характеристики чистых ДТ, РМ и МЭРМ. Эти формулы получены с использованием метода наименьших квадратов. Для описания вязкостно-температурной характеристики РМ эта формула имеет вид
1пу± = 4,2457 + 11,4052/£ - 0,0244£ .
Для МЭРМ и ДТ эти соотношения описаны в виде: для МЭРМ
1пу2 = -1,0982 + 66,9528/£ + 0,0232£ .
для ДТ
1пу3 = 1,2543 - 11,3262/£ - 0,0163£ .
(12)
(13)
(14)
С использованием метода наименьших квадратов, исходных данных по вязкости исследуемых смесей и полученных формул для вязкостно-температурных характеристик их компонентов определены коэффициенты А12, В12, А*13, В*13, А123 и В123 формулы (11), приведенные в табл. 3. При этом формула (11) приобретает следующий вид:
1пу — х11пу1 + х21пу2 + х31пу3 + х1х2 ^ 1^260,4718
-290,9761
+х1х3
■+ 96
,765)
-х1х2х3
£
13804 ~1Г~
+ 108,2789^ + + 203,9022^ .
(15)
Таблица 3
Коэффициенты формулы (11) для определения вязкости исследуемых смесей
логарифмическим методом
1 Коэффициенты А12 В12 А*13 В*13 А123 В123 1
Величина -290,9761 -108,2789 260, 4718 1,5045 -13804 -203,9022
и
На рис. 1 показаны зависимости кинематической вязкости смесей ДТ, РМ и МЭРМ от состава смесей при различных температурах, построенные с использованием экспериментальных данных табл. 1 (концентрации РМ и МЭРМ равны). Вязкостно-температурные характеристики исследуемых смесей ДТ, РМ и МЭРМ, полученные с использованием формулы (15), представлены на рис. 2.
Рис. 1. Зависимость вязкости смесей ДТ, РМ и МЭРМ от концентрации компонентов при различных температурах: 1 - 20 °С; 2 - 40 °С; 3 - 60 °С
Отметим, что во всем исследуемом температурном диапазоне наилучшее совпадение расчетных характеристик, полученных с использованием формулы (15), с экспериментальными данными получено для смеси с массовыми концентрациями РМ и МЭРМ, равными 20 %. Но и для двух других смесей различия между расчетными характеристиками и экспериментальными точками невелики. В табл. 4 приведена максимальная относительная погрешность между экспериментальными и рассчитанными по формуле (15) данными. Там же даны средняя погрешность и среднеквадратичная ошибка аппроксимации. При этом максимальная относительная погрешность аппроксимации не превышает 7 %, а среднеквадратичная ошибка - 0,12 мм2/с. Таким образом, полученные расчетные результаты аппроксимации хорошо согласуются с исходными экспериментальными данными.
Таблица 4
Оценка точности аппроксимации вязкостных характеристик смесей ДТ, РМ и МЭРМ логарифмическим методом
Виды погрешностей Максимальная относительная, % Средняя, мм2/с Среднеквадратичная ошибка, мм2/с
Значение 6,5330 0,0861 0,1168
Представленные в табл. 1 экспериментальные данные по кинематической вязкости смесей ДТ, РМ и МЭРМ также аппроксимированы с использованием предложенного алгебраического метода. При этом использован метод наименьших квадратов и определены коэффициенты А*р В*1, С*1, Д*1, Е1, А3, В3, С3, В3 и Е3 формулы (10)
60 t,0C
Рис. 2. Зависимость вязкости смесей ДТ, РМ и МЭРМ от температуры при различных концентрациях компонентов в смеси:
а - Сдт = 90 %, Срм = 5 %, Смэрм = 5 %; б - С,т = 80 %, Срм = 10 %, Смэрм = 10 %;
в - Сдт = 60 %, Срм = 20 %, Смэрм = 20 %;
1 - экспериментальные данные; 2 - расчетные характеристики, полученные по формуле (15) с использованием логарифмического подхода
для рассматриваемых смесевых биотоплив, содержащих ДТ, РМ и МЭРМ, причем содержание РМ и МЭРМ в этих смесях одинаково (х1=х2). Полученные значения коэффициентов приведены в табл. 5.
Таблица 5
Коэффициенты формулы (10) для определения вязкости исследуемых смесей алгебраическим методом
Коэффициент А*1 В\ С*1 В*1 Е*1 Аз Вз Сз Оз Ез
Величина 63,6716 -3684 -0,107 -60,7941 5195,5 -20,0192 1202,9 -0,208 22,4357 -1195,52
С учетом полученных значений коэффициентов формула (10) для аппроксимации кинематической вязкости исследуемых смесей ДТ, РМ и МЭРМ алгебраическим методом имеет вид
в
= хг ^63, х3 ^—20,
3684 \ хл ( 6716--- 0,107£) +-—1-60,
£ ) 2—Хл\
5195,5^ 7941 +-I +
1202,9 \ х, ( 0192 +-- 0,208£) +-—122,
£ / 2-х-, \
1195,52\ 4357--) . (16)
С использованием формулы (16) построены характеристики кинематической вязкости указанных смесей при различных концентрациях в них ДТ, РМ и МЭРМ в диапазоне температур от 20 до 60 °С (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость вязкости смесей ДТ, РМ и МЭРМ от температуры при различных концентрациях компонентов в смеси:
а - СДТ = 90 %, СРМ = 5 %, СМЭРМ = 5 %; б - СДТ = 80 %, СРМ = 10 %, СМЭРМ = 10 %; в - СДТ = 60 %, СРМ = 20 %, СМЭРМ = 20 %;
1 - экспериментальные данные; 2 - расчетные характеристики, полученные по формуле (16) с использованием алгебраического подхода
Данные рис. 3 свидетельствуют о том, что различия между экспериментальными точками и полученными по формуле (16) вязкостными характеристиками сравнительно невелики. Это подтверждается представленными в табл. 6 результатами анализа погрешности аппроксимации кинематической вязкости алгебраическим методом. Так, среднеквадратичная ошибка не превышает 0,26 мм2/с.
в
Вместе с тем необходимо отметить, что погрешность аппроксимации исходных экспериментальных данных по вязкости смесей ДТ, РМ и МЭРМ с использованием алгебраического метода превышает погрешность аналогичной аппроксимации с использованием логарифмического метода. Но при этом и полученные расчетные результаты аппроксимации с использованием алгебраического метода можно считать вполне приемлемыми.
Таблица 6
Оценка точности аппроксимации вязкостных характеристик смесей ДТ, РМ и МЭРМ алгебраическим методом
Виды погрешностей Максимальная относительная, % Средняя, мм2/с Среднеквадратичная ошибка, мм2/с
Значение 15,7004 0,1850 0,2510
Полученные результаты по вязкостным характеристикам смесей ДТ, РМ и МЭРМ имеют не только теоретическое, но и практическое значение, поскольку при заправках транспортных средств каждым из этих топлив в топливных баках могут оказаться смеси указанных компонентов. Поэтому должна быть обеспечена работа двигателей не только на чистых ДТ, РМ и МЭРМ, но и на их смесях. В этом случае необходимо обладать информацией по вязкостным характеристикам этих смесей.
Следует отметить, что поскольку вязкость РМ и МЭРМ выше вязкости нефтяного ДТ (см. табл. 1), то при смешивании указанных компонентов вязкость смеси будет заведомо выше вязкости чистого ДТ (в соответствии с ГОСТ 305-82 вязкость дизельного топлива марки «Л» при температуре 20 °С должна составлять от 3 до 6 мм2/с). В связи с этим определенный интерес представляют смеси ДТ и РМ с компонентами, имеющими малую вязкость, например, с бензинами. Поэтому далее рассмотрены смеси нефтяного ДТ, РМ и автомобильного бензина марки АИ-80, вязкость которого составляла 0,73 мм2/с (см. табл. 2).
При аппроксимации характеристик кинематической вязкости таких смесей массовые концентрации РМ, АИ-80 и ДТ были обозначены соответственно х1, х2 и х3, а кинематические вязкости смеси этих компонентов (чистые РМ, АИ-80, ДТ) -соответственно v, v1, v2 и v3. В этом случае формулу (6) для описания характеристик кинематической вязкости этих смесей с использованием логарифмического метода и формулу (8) для алгебраического метода можно представить в виде
Inv — x1lnv1 + x2lnv2 + x3lnv3 + x1x2D12 + x1x3D13 + x2x3D23 + x1x2x3D123 (17)
и
v = Xi(a1+% + C1)+t^(D1+%) + X2(A2+% + C2) +
X i E \ i В \ / \
+2^М+т)+Ф+т+Ч+—3У0з+т) , (18)
где
^12 ^13 ^23 ^123
Dl2 = ---^ ^12 ; Al.3 = ~ I" ^13 ; D2З = —--h В23 ; Di 23 = _^ ^ ^123 .
С учетом приведенных выражений для коэффициентов формулу (17) запишем в виде
НП «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА)
iJübJ
(А12 \
1пу = хг1пуг + х21пу2 + х31пу3 + хгх2 I--I- В12 ) + х±х3 I —- + В13 ) +
+х2х3 + В23^ + х±х2х3 + В±
(19)
При аппроксимации кинематической вязкости логарифмическим методом сначала определена вязкостно-температурная характеристика бензина АИ-80. При этом с использованием метода наименьших квадратов и исходных данных табл. 2 получена следующая формула для кинематической вязкости чистого безина АИ-80:
1пу2 = -0,6267 + 7,1811/С + 0,0024£ .
(20)
Рассчитанные по экспериментальным данным табл. 2 значения коэффициентов А12, В12, А13, В13, А23, В23, А123 и В123 формулы (19), приведенные в табл. 7, а также полученная формула (20) для вязкостно-температурной характеристики бензина АИ-80 позволили представить формулу (19) в виде
/1/ЬЬ,3/ \ /зо«,/ьь \ 1пу = х11пу1 + х21пу2 + х31пу3 + хгх2 I---- 166,05 I — ххх3 I----V 7,50 I +
+х2х3
-2,5576
+ 3,360б) + х1х2х3
17201,818
+ 352
(21) Таблица 7
Коэффициенты формулы (19) для определения вязкости исследуемых смесей логарифмическим методом
Коэффициент А12 В12 А13 В13 А23 В23 А123 В123
Величина 1255,32 -166,05 -308,255 -7,50 -2,5576 3,3606 17201,818 352
Рассчитанные по формуле (21) вязкостно-температурные характеристики смесей ДТ, РМ и АИ-80 с различными концентрациями компонентов приведены на рис. 4. Следует отметить имеющиеся различия между полученными логарифмическим методом аппроксимирующими кривыми и экспериментальными точками. Оценка погрешности такой аппроксимации приведена в табл. 8. Как следует из этой таблицы, максимальная относительная погрешность аппроксимации вязкостно-температурных характеристик исследуемых смесей формулой (21) составляет примерно 18,7 %, средняя погрешность - не более 0,26 мм2/с, среднеквадратичная ошибка - не более 0,32 мм2/с.
Таблица 8
Оценка точности аппроксимации вязкостных характеристик смесей ДТ, РМ и АИ-80 логарифмическим методом
Виды погрешностей Максимальная относительная, % Средняя, мм2/с Среднеквадратичная ошибка, мм2/с
Значение 18,7193 0,2540 0,3137
а
V, мм 2 /с
4,5 т-
20 40 50 60
б
в
Рис. 4. Зависимость вязкости смесей ДТ, РМ и АИ-80 от температуры при различных концентрациях компонентов в смеси:
а - Сдт = 85 %, Срм = 5 %, Саи-8о = 10 %; б - Сдт = 80 %, Срм = 10 %, Саи-8о = 10 %; в - Сдт = 70 %, Срм = 20 %, Саи-8о = 10 %;
1 - экспериментальные данные; 2 - расчетные характеристики, полученные по формуле (21) с использованием логарифмического подхода
Вязкостно-температурные характеристики смесей ДТ, РМ и АИ-80 исследованы и с использованием предложенного алгебраического метода. При этом на основе исходных данных табл. 2 с помощью метода наименьших квадратов определены коэффициенты А1, В1, С1, Е1, А2, В2, С2, В2, Е2, А3, В3, С3, Д3 и Е3 формулы (18). Полученные результаты расчета приведены в табл. 9. С учетом полученных значений коэффициентов формула (18) приобретает следующий вид:
( 2,6659 \ хг ( 1508,8659^
( 0,0007 +-+ 0,1£ ) +-— ( 2,4007 +-
V £ /2 — х1\ £
V = —х.
( 2,1907 \ х2 ( 7,5307\
-х2 ^+0,0499 + —-— + 0,0007С^ + ^ ^0,5269 + —-—J +
( 1,1211 \ х, ( 6,2589\ + х3 ^0,0279 + —--- 0,02^ + ^ ^2,3731 ---—J . (22)
Таблица 9
Коэффициенты формулы (18) для определения вязкости исследуемых смесей алгебраическим методом
Коэффициент ¿1 В1 С1 А Е1 ¿2 В2 С2
Величина - 0,0007 -2,6659 - 0,1 2,4007 1508,8659 -0,0499 -2,1907 -0,0007
Таблица 9 (продолжение)
Коэффициент А Е2 ¿3 Вз Сз А Ез
Величина 0,5269 7,5307 0,0279 1,1211 -0,02 2,3731 7,5307
Формула (22) описывает вязкостно-температурные характеристики смесей ДТ, РМ и АИ-80, представленные на рис. 5. Следует отметить хорошее совпадение полученных с использованием алгебраического метода аппроксимационных кривых с экспериментальными точками, которое существенно лучше, чем при использовании логарифмического метода (см. рис. 4). Это подтверждается приведенным в табл. 10 анализом погрешности аппроксимации кинематической вязкости исследуемых смесей формулой (22). Так, среднеквадратичная ошибка аппроксимации не превышает 0,0572 мм2/с. Максимальная относительная погрешность аппроксимации, полученной алгебраическим методом, примерно в 3 раза меньше аналогичной погрешности, полученной логарифмическим методом (5,2616 % против 18,7193 %), а средняя погрешность в 6 раз меньше (0,0434 против 0,2540 мм2/с).
Таблица 10
Оценка точности аппроксимации вязкостных характеристик смесей ДТ, РМ и АИ-80 алгебраическим методом
Виды погрешностей Максимальная относительная, % Средняя, мм2/с Среднеквадратичная ошибка, мм2/с
Значение 5,2616 0,0434 0,0572
Приведенные выше данные по вязкости исследуемых смесевых биотоплив (смеси нефтяного ДТ с РМ, МЭРМ и АИ-80) свидетельствуют о том, что при изменении их состава кинематическая вязкость меняется в достаточно широких пределах. Так, вязкость смеси 85 % ДТ, 5 % РМ и 10 % АИ-80 составляет 1,222 мм2/с, а вязкость смеси 60 % ДТ, 20 % РМ и 20 % МЭРМ - 5,477 мм2/с. С одной стороны, это позволяет достаточно просто подобрать смесевое биотопливо с необходимой вязкостью. С другой - вероятность работы автомобиля на смесях с широким диапазоном содержания в них указанных компонентов приводит к необходимости обеспечения работы двигателя на топливах с различными физико-химическими свойствами - плотностью, поверхностным натяжением, сжимаемостью, теплотворной способностью, цетановым числом и др. (табл. 11 и 12) [4, 16-18]. Эта разница в свойствах рассматриваемых биотоплив отражается на показателях топливной экономичности и токсичности отработавших газов (ОГ) дизелей, работающих на этих топливах, что подтверждается результатами экспериментальных исследований работы дизеля типа Д-245.12С (4 ЧН 11/12,5) на смесях нефтяного
V мм2/с
2,5 2,0' 1,5 1 п
20 30 40 50 60 f, °С
V , MM 2/с 4,0
50 60 t, 0 С
Рис. 5. Зависимость вязкости смесей ДТ, РМ и АИ-80 от температуры при различных концентрациях компонентов в смеси: а - Сдт = 85%, Срм = 5%, Саи-8о = 10%;
б - СДТ = 80%, СРМ = 10%, САИ-80 = 10%; в - СДТ = 70%, СРМ = 20%, САИ-80 = 10%; 1 - экспериментальные данные; 2 - расчетные характеристики, полученные по формуле (22) с использованием алгебраического подхода
дизельного топлива марки «Л» по ГОСТ 305-82 с РМ, МЭРМ и АИ-80 (табл. 13 и 14), приведенными в работах [4, 16-18]. Этот дизель производства Минского моторного завода (ММЗ) устанавливается на малотоннажные грузовые автомобили ЗиЛ-5301 «Бычок», а его модификации - на автобусы Павловского автомобильного завода (ПАЗ) и тракторы «Беларусь» Минского тракторного завода (МТЗ). Согласно представленным в табл. 13 и 14 характеристикам, необходимо отметить, что применение в этом дизеле смесей ДТ, РМ, МЭРМ и АИ-80 позволяет значительно уменьшить дымность ОГ на режимах внешней скоростной характеристики (ВСХ), а также (при использовании некоторых из этих смесей) сократить выбросы оксидов азота и легких несгоревших углеводородов с ОГ.
Pi!
"■"Соц»«^
в
Биотопливо
ж\т\\\\\\\\\\\\\\\\\\ч
Таблица 11
Физико-химические свойства ДТ, РМ, МЭРМ и их смесей
Топливо
Свойства ДТ РМ МЭРМ 90% ДТ, 5% РМ, 5% МЭРМ 80% ДТ, 10% РМ, 10% МЭРМ 60% ДТ, 20% РМ, 20% МЭРМ
Плотность при 20 °С, кг/м3 805 913 877 815 821 840
Вязкость кинематическая при 20 °С, мм2/с 2,37 75,0 8,0 4,661 5,421 5,477
Коэффициент поверхностного натяжения при 20 °С, мН/м 27,1 33,2 30,7 - - -
Теплота сгорания низшая, кДж/кг 42 500 37 300 37 800 42 000 41 500 40 500
Цетановое число 45 36 48 - - -
Температура, °С самовоспламенения 250 318 230
помутнения застывания -25 -35 -9 -20 -13 -21 - - -
Количество воздуха, необходимое для сгорания 14,3 12,5 12,6 14,2 14,0 13,6
1 кг вещества, кг
Содержание, % по массе С 87,0 77,0 77,6 86,0 85,1 83,1
Н 12,6 12,0 12,2 12,6 12,5 12,4
О 0,4 11,0 10,2 1,4 2,4 4,5
Примечание: «-» - свойства не определялись; для смесей указано объемное процентное содержание компонентов.
Таблица 12
Физико-химические свойства ДТ, РМ, АИ-80 и их смесей
Топливо
Свойства 85% ДТ, 80% ДТ, 70% ДТ,
ДТ РМ АИ-80 5% РМ, 10% АИ-80 10% РМ, 10% АИ-80 20% РМ, 10% АИ-80
Плотность при 20 °С, кг/м3 805 913 756 807 815 823
Вязкость кинематическая при 20 °С, мм2/с 2,37 75,0 0,73 2,127 2,771 3,599
Коэффициент поверхностного 27,1 33,2 22,0
натяжения при 20 °С, мН/м
Теплота сгорания низшая, кДж/кг 42 500 37 300 44 000 42 400 42 000 41 500
Цетановое число 45 36 20 - - -
Температура, °С
самовоспламенения 250 318 400 - - -
помутнения -25 -9 - - - -
застывания -35 -20 -55 - - -
Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 14,3 12,5 14,8 14,3 14,2 14,0
Содержание, % по массе
С 87,0 77,0 85,5 86,4 85,9 84,9
Н 12,6 12,0 14,5 12,8 12,7 12,6
О 0,4 11,0 0,0 0,8 1,4 2,5
Примечание: «-» - свойства не определялись; для смесей указано объемное процентное содержание компонентов.
Таблица 13
Показатели дизеля типа Д-245.12С при работе на ДТ и смесях ДТ, РМ и МЭРМ
Показатели Топливо
ДТ 90% ДТ, 5% РМ, 5% МЭРМ 80% ДТ, 10% РМ, 10% МЭРМ 60% ДТ, 20% РМ, 20% МЭРМ
Часовой расход топлива Gт, кг/ч на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 19,50 12,70 19,79 12,60 19.98 12.99 20,27 13,09
Крутящий момент дизеля ме, Н-м на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 312 361 311 351 312 360 310 354
Удельный эффективный расход топлива ge, г/(кВт-ч) на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 249,0 224,3 253.6 228.7 255,7 229,4 260,5 234,8
Эффективный КПД дизеля на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 0,340 0,378 0,338 0,375 0,339 0,378 0,341 0,379
Дымность ОГ ^ % по шкале Хартриджа на режиме максимальной мощности на режиме максимального крутящего момента 16,0 23,0 10,0 11,0 11,0 12,5 9,0 9,5
Условные (средние) показатели топливной экономичности дизеля на режимах 13-режимного цикла эффективный расход топлива gt усл, г/(кВт-ч) эффективный КПД г|е усл 247,89 0,342 251,72 0,341 253,89 0,342 260,51 0,341
Интегральные удельные выбросы токсичных компонентов на режимах 13-режимного цикла, г/(кВт-ч) оксиды азота монооксид углерода eСО несгоревшие углеводороды eСН 6,862 2,654 0,719 6,875 2,489 0,687 6,662 2,496 0,677 7,182 2,662 0,690
47
Биотопливо
ж\\\\\\\\\\\\\\\т\\\\\\
\
Таблица 14
Показатели дизеля типа Д-245.12С, работающего на ДТ и смесях ДТ, РМ и АИ-80
Топливо
Показатели ДТ 85% ДТ, 5% РМ, 80% ДТ, 10% РМ, 70% ДТ, 20% РМ,
10% АИ-80 10% АИ-80 10% АИ-80
Часовой расход топлива Gт, кг/ч
на режиме максимальной мощности 19,70 19,65 19,69 19,94
на режиме максимального крутящего момента 13,72 13,53 13,14 13,74
Крутящий момент дизеля ме, Н-м
на режиме максимальной мощности 317 314 309 311
на режиме максимального крутящего момента 368 359 342 359
Удельный эффективный расход
топлива gí, г/(кВт-ч)
на режиме максимальной мощности 246,8 249,2 253,8 254,6
на режиме максимального крутящего момента 222,6 225,5 228,9 228,4
Эффективный КПД дизеля це
на режиме максимальной мощности 0,343 0,341 0,338 0,341
на режиме максимального крутящего момента 0,381 0,377 0,374 0,380
Дымность ОГ кх, % по шкале Хартриджа
на режиме максимальной мощности 14,5 14,0 9,0 12,5
на режиме максимального крутящего момента 20,0 17,0 10,0 14,5
Условные (средние) показатели топливной
экономичности дизеля на режимах
13-режимного цикла
эффективный расход топлива gе усл, г/(кВт-ч) 243,24 245,53 253,93 249,95
эффективный КПД г|е усл 0,348 0,346 0,338 0,347
Интегральные удельные выбросы
токсичных компонентов на режимах
13-режимного цикла, г/(кВт-ч)
оксиды азота еЫОе 6,630 6,451 6,689 6,154
монооксид углерода еСО 2,210 2,123 2,509 2,313
несгоревшие углеводороды еСН 0,580 0,663 0,899 0,722
В заключение необходимо отметить эффективность предложенной методики аппроксимации вязкостных характеристик рассматриваемых многокомпонентных смесевых биотоплив, высокую ее точность и возможность использования для аппроксимации вязкостных характеристик и других смесевых топлив.
_ Литература
1. Нефтяные моторные топлива: экологические аспекты применения / 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. 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», 2014. - 691 с.
3. Васильев И.П. Влияние топлив растительного происхождения на экологические и экономические показатели дизеля. - Луганск: изд-во Восточноукраинского университета им. В. Даля, 2009. - 240 с.
4. Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях / В.А. Марков, С.Н. Девянин, В.Г. Семенов и др. - М.: ООО НИЦ «Инженер», 2011. - 536 с.
5. Марков В.А., Девянин С.Н., Мальчук В.И. Впрыскивание и распыливание топлива в дизелях. - М.: изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007. - 360 с.
6. Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Системы топливоподачи и управления дизелей: Учеб. для вузов. Второе издание. - М.: Легион-Автодата, 2005. - 344 с.
7. Goering C.E. Fuel Properties of Eleven Oil Fuels // SAE Technical Paper Series. -1981. - № 813579. - P. 1-7.
8. Kapseu C., Kayem G.J., Balesdent D., Schuffenecker L. The Viscosity of Cottonseed 49 Oil, Fractionation Solvents and Their Solutions // Journal of the American Oil Chemists'
Society (JAOCS). - 1991. - Vol. 68. - № 2. - P. 128-130.
9. Erhan S.Z., Asadauskas S., Adhvaryu A. Correlation of Viscosities of Vegetable Oil Blends with Selected Esters and Hydrocarbons // JAOCS. - 2002. - Vol. 79. - № 11. -P. 1157-1161.
10. Yuan W., Hansen A.C., Zhang Q., Tan Z. Temperature-Dependent Kinematic Viscosity of Selected Biodiesel Fuel and Blend with Diesel Fuel // JAOCS. - 2005. -Vol. 82. - № 3. - P. 195-199.
11. Fasina O.O., Hallman H., Craig-Schmidt M., Clements C. Predicting Temperature-Dependance Viscosity of Vegetable Oils from Fatty Acid Composition // JAOCS. -2006. - Vol. 83. - № 10. - P. 899-903.
12. Rodenbush C.M., Hsieh F.H., Viswanath D.S. Density and Viscosity of Vegetable Oils // JAOCS. - 1999. - Vol. 76. - № 12. - P. 1415-1419.
13. Eyring H. Viscosity, plasticity, and diffusion as examples of absolute reaction rates // The Journal of chemical physics. - 1936. - Vol. 4. - № 4. - P. 283-291.
14. McAllister R.A. The viscosity of liquid mixtures // AIChE Journal. - 1960. -Vol. 6. - № 3. - P. 427-431.
15. Dominguez M., Pardo J.I., Gascon I.G., Royo F.M., Urieta J.S. Viscosities of the ternary mixture (2-butanol+n-hexane+1-butylamine) at 298.15 and 313.15 K // Fluid Phase Equilibria. - 2000. - Vol. 169. - № 2. - P. 277-292.
16. Марков В.А., Девянин С.Н., Зыков С.А., Гайдар С.М. Биотоплива для двигателей внутреннего сгорания. - М.: НИЦ «Инженер» (Союз НИО), 2016. - 292 с.
17. Марков В.А., Гусаков С.В., Девянин С.Н. Многокомпонентные смесевые биотоплива для дизельных двигателей // Вестник РУДН. Инженерные исследования. -2012. - № 1. - С. 46-57.
18. Марков В.А., Девянин С.Н., Быковская Л.И. Оптимизация состава многокомпонентных смесевых биотоплив для дизельных двигателей сельскохозяйственных машин // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2013. - № 12. -С. 51-63.
Требования по подготовке статей к опубликованию в журнале
В связи с тем, что Международный научно-технический журнал Национальной газомоторной ассоциации «Транспорт на альтернативном топливе» включен в обновленный Перечень ВАКа, просьба ко всем авторам строго выполнять следующие требования при подготовке статей к публикации:
1. Все научно-технические статьи должны иметь на русском и английском языках следующие составляющие:
заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, ученая степень (при наличии), контакты (e-mail, телефоны), аннотации, ключевые слова.
2. Все английские тексты следует набирать только строчными буквами, сохраняя начальные прописные буквы в именах собственных.
3. Авторы остальных публикаций (информационных, рекламных и т.д.) представляют на русском и английском языках: заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, адрес и контакты (e-mail, телефоны).
Редакция журнала также доводит до сведения авторов требования, которые необходимо соблюдать при подготовке статей для публикации.
Материалы статей должны быть представлены по электронной почте в программе WinWord. Объем статьи -не более 15 000 знаков с пробелами.
Представленный текстовый материал с иллюстрациями и таблицами должен иметь сквозную нумерацию. Графический материал должен быть выполнен в формате, обеспечивающем ясность всех деталей рисунков. Формулы и символы должны быть четкими и понятными. Все обозначения в формулах необходимо расшифровать. Нумеруются только те формулы, на которые сделаны ссылки в тексте. Обозначения физических величин и единиц измерений необходимо давать
в Международной системе единиц (СИ). Обязательно соблюдение действующих ГОСТов. Текст и таблицы должны быть выполнены в программе Word в формате doc, rtf. Фотографии и графические рисунки (не менее 300 dpi, CMYK) - в формате jpg, jpeg, tiff, pdf. Не следует форматировать текст самостоятельно.
При пересылке материалов по е-mail следует сопровождать их пояснительной запиской (от кого, перечень файлов и т.д.). Объемные файлы должны быть заархивированы. При подготовке статей к печати необходимо руководствоваться документами, определяющими правила передачи информации через СМИ. Авторский коллектив должен указать ответственное лицо, с которым редакция будет вести переговоры в процессе подготовки статьи к изданию. В список литературы включаются источники, на которые есть ссылки в статье. Ссылаться можно только на опубликованные работы. Список литературы составляется в порядке употребления. В нем приводятся следующие сведения: фамилия и инициалы авторов, название работы; для журнала - название, год издания, номер, страницы, на которых размещена статья; для книг - место и год издания, издательство, общее число страниц. Редакция оставляет за собой право редакторской правки и не несет ответственности за достоверность публикации. Все внесенные изменения и дополнения в представленную к изданию статью согласовываются с автором или представителем авторского коллектива.
Редакция оставляет за собой право размещать опубликованные статьи на сайтах журнала и Национальной газомоторной ассоциации. Редакция не передает и не продает материалы для публикации в других печатных и электронных изданиях без согласования с автором (представителем авторского коллектива).
