Проблемы использования растительных масел в виде органического топлива

Источник

Журнал "Олійно-жировий комплекс"

3854

Экономия энергоносителей нефтяного происхождения, ужесточение норм выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей, а также ограничение эмиссии диоксида углерода заставляют большинство стран искать пути снижения опасности влияния тепловых двигателей на окружающую среду. Зависимость от импорта нефти (Украина добывает около 4 млн. тонн нефти и газового конденсата, дотация — более 10 млн. тонн в год) рассматривается большинством стран как вопрос национальной, экономической и энергетической безопасности, а использование нефтепродуктов несёт в себе значительную экологическую опасность. Именно это определяет актуальность исследований и разработок, направленных на диверсификацию сырьевой базы, поиск альтернативного моторного топлива. В последнее время всё более широкое распространение получает альтернативное биотопливо на основе масел и животных жиров.

Для дизельных двигателей широкое распространение в Европе и США получило биодизельное топливо (биодизель), представляющее собой смесь метиловых (этиловых) эфиров жирных кислот. Источниками сырья для получения биодизеля служат семена маслосодержащих растений, фритюрный жир, отходы мясокомбинатов и др. В настоящее время в Украине десятки фирм и предприятий производят биоустановки для получения биодизеля мощностью 300-30000 т/год. Учитывая вышесказанное, есть все основания полагать, что в ближайшем будущем транспортные средства с дизельными двигателями (сельхозмашины, тепловозы, суда, грузовые автомобили и др.) будут переводиться на биодизельное топливо.

Как отмечается в работе [1], каждый тип дизельного двигателя: с объёмным DI (direct injection) или вихрекамерным IDI (indirect injection) способами смесеобразования, подвергаемый конвертации при переходе на биодизель, должен быть испытан с целью проверки его эколого-экономических характеристик и показателей надёжности. Проведенный анализ показателей работы дизелей DI и IDI [1, 2, 3] показал, что не возникает проблем с применением биодизеля (БД) и его бинарных смесей с дизельным топливом (ДТ) в качестве энергоносителя. Одним из главных условий нормальной работы дизельных двигателей является хорошее качество биодизеля, которое обеспечивается жёсткими требованиями к его физико-химическим показателям, заложенными в европейском стандарте EN 14214:2003.

В табл. 1 дано сравнение некоторых физико-химических показателей ДТ и БД, значение которых необходимо для анализа параметров рабочего процесса дизеля.

Таблица 1. Физико-химические показатели дизельного топлива и биодизеля

ПоказателиТопливо
ДТБД
C, %
87,0
76,5
Н, %
12,6
12,4
О, %
0,4
11,1
mВ, кг/кмоль
200
288
МО, кмоль/кг
0,497
0,437
LO, кг/кг
14,34
12,60
QH, МДж/кг
42,5
37,2
Химическая формула
С14.5 Н25 О0.05
С18.4 Н35.3 О2
r200, кг/м3
825
882
n200, мм2
3,05
6,05
Сера, %
0,067
0,012
Зольность, %
0,0100
0,0039
ИЧ, J2 г/100 г
6
62

Остановимся более подробно на методике определения физико-химических показателей биодизеля.

Используя метод газожидкостной хроматографии [4], был определен состав смеси метиловых эфиров жирных кислот, входящих в применяемый биодизель. Насыщенные кислоты: миристиновая С14:0-6,42%; пальмитиновая С16:0-22,62%; стеариновая С18:0-8,34%; арахиновая С20:0-1,15%; бегеновая С22:0-0,95%; ненасыщенные: тетрадеценовая С14:1-0,91%; олеиновая С18:1-46,98%; линолевая С18:2-11,63%; эруковая С22:1-1,00%. Исходя из того, что молярная масса углерода С=12,011 кг/кмоль, водорода Н=1,0079 кг/кмоль и кислорода О=15,994 кг/кмоль, и зная химические формулы метиловых эфиров вышеуказанных жирных кислот [5], можно определить молярную массу биодизеля mВ, относительные доли С, Н и О в нём, теоретически необходимое количество воздуха LOО) для полного сгорания одного килограмма топлива. Йодное число ИЧ характеризует окислительную способность биодизеля и зависит от процентного содержания в нём метиловых эфиров ненасыщенных кислот. Величина низшей теплоты сгорания QH биодизеля определялась на основании его состава и экспериментальных данных, представленных в работах [5, 6]. Плотность r и кинематическая вязкость n исследуемых смесевых видов топлива, зольность и количество серы в них определялись в химмотологической лаборатории Казённого предприятия "Харьковское конструкторское бюро по двигателестроению" (КП ХКБД) на основании нормативной документации, представленной в ДСТУ 3868-99"ТОПЛИВО ДИЗЕЛЬНОЕ. Технические условия". Для дизельного топлива численные значения величин С, Н и О; mВ, QH и ИЧ брались из литературных источников.

В данной статье приводятся результаты стендовых испытаний дизеля 3Ч8,8/8,2 с водяным охлаждением при работе на дизельном топливе и его бинарных смесях с биодизелем, произведенным ННЦ "Институт механизации и электрификации сельского хозяйства" (пгт Глеваха, Киевская обл.).

Объект испытания — дизельный двигатель 3ДТ (Ч8,8/8,2), выпускаемый КП ХКБД. Основные технико-экономические показатели двигателя: четырёхтактный, трёхцилиндровый, вихрекамерный (IDI) дизельный двигатель номинальной мощностью 16,2 кВт при частоте вращения 2200 мин-1, диаметр цилиндра 88 мм и ход поршня 82 мм, степень сжатия e=18,5 объём вихревой камеры с соединительным каналом равен 13,1 см3. Форсунка закрытого типа, диаметр распылительного отверстия 0,37 мм, давление затяжки иглы форсунки 18±0,5 МПа, максимальное давление впрыскивания топлива — 50 МПа. Геометрический угол опережения начала подачи топлива, который обеспечивает минимальный удельный эффективный расход исследуемых видов топлива соответствует 150 п.к.в. до ВМТ. Помимо стандартных измерений показателей работы двигателя (частота вращения коленчатого вала n, мощность Ne, часовой расход топлива Bч, температура отработавших газов tT, барометрическое давление В0 и температура окружающей среды), определяли в продуктах сгорания оксид углерода СО и суммарные углеводороды СН, оксиды азота NOX, измеряли плотность отработавших газов Д. Для этого заводской испытательный стенд промышленного производства, оборудованный электрическим нагружающим устройством и автоматизированными системами измерения и регистрации параметров рабочего процесса был оснащён газоанализаторами ГИАМ-24 и Клён-22, дымомером ИДС-1М. Комплектовка дизеля соответствовала условию определения эксплуатационной мощности. При испытаниях атмосферное давление и температура окружающей среды находились соответственно в пределах 740-750 мм рт. ст. и 34-36ºС.

Рассмотрим влияние физических показателей (плотность и вязкость) ДТ и БД на характеристики топливной аппаратуры. Если плотность топлива обуславливает массовую цикловую подачу топлива, то от вязкости зависят утечки топлива через зазоры прецизионных пар топливной аппаратуры, степень дросселирования топлива в наполнительных и отсечных отверстиях втулки плунжера при их открытии и закрытии, а также в сопловом отверстии распылителя форсунки. От вязкости и коэффициента сжимаемости топлива зависит коэффициент подачи топливного насоса высокого давления (ТНВД), действительный угол опережения подачи топлива и объемная подача топлива [7]. На безмоторном стенде была определена производительность топливной аппаратуры дизеля 3ДТА по внешней характеристике при работе ДТ и БД. Зависимость цикловой подачи топлива от частоты вращения кулачкового вала ТНВД представлена в табл. 2. До и после испытаний определялось гидравлическое сопротивление распылителей форсунок методом пролива топлива под давлением 4 МПа. За время испытаний гидравлическое сопротивление распылителей форсунок не изменилось, пролив топлива через распылители для секций ТНВД составил соответственно 515, 480, 525 г/мин.

Таблица 2. Результаты испытаний топливной аппаратуры дизеля 3ДТА

nкв, мин-1ДТ, gц, мм3/циклБД, gц, мм3/цикл
12002,73,6
115027,627,0
110035,438,8
100035,240,7
90036,039,6
80035,439,4

Испытаниям было подвергнуто топливо различного состава — чистое дизельное топливо ДТ и его объёмные бинарные смеси с биодизелем БД: В10 (10% БД + 90% ДТ), В25 (25% БД+75% ДТ), В50 (50% БД+50% ДТ). Программа испытаний предусматривала определение внешних скоростных и нагрузочных характеристик. Вначале снимались внешние скоростные характеристики на каждом из исследуемых видов топлива. При этом положение упора рейки топливного насоса высокого давления оставалось неизменным. Результаты испытаний приведены в табл.3 (опыты 17-28, 45-48). Там же представлены показатели работы двигателя в режимах нагрузочных характеристик при n=1600 мин-1 и 2200 мин-1, мощности Ne=10%, 25%, 50% и 75% от Neном. (опыты 1-16, 29-44).

Таблица 3. Нагрузочные и внешние скоростные характеристики дизельного двигателя 3ДТА (Ч88/82) при работе на различных видах топлива

№ опытаВид топливаNе, кВтВч, кг/чgе, г/кВт×чg'e, МДж/кВт×чatT, 0Chе, %gц×103, г/циклQц, мм3/циклСО2, кг/чWco, ppmWсн, ppmWх, ppmД, %
n=1600 мин-1
1
ДТ1,261,22964,641,004,201558,88,4710,273,89880602402
2
В101,251,321056,044,253,951558,19,1711,044,169607020016
3
В251,251,361088,044,723,891608,19,4411,254,201050601709
4
В501,251,401120,044,573,851608,19,7211,394,1911116013017
5
ДТ3,091,50485,720,403,3920017,410,4212,634,78500703202
6
В103,091,55501,821,033,3420017,110,7612,954,885307030018
7
В253,091,58511,621,303,3320017,110,9713,074,88600702508
8
В502,941,58537,221,383,4020316,810,9712,854,736607022020
9
ДТ6,322,07327,413,912,4427525,914,3717,426,60340704508
10
В106,252,15343,914,412,3827525,014,9317,976,773607043019
11
В256,252,20352,014,472,3727524,915,2818,206,793707038011
12
В506,252,22355,214,142,4127025,515,4218,076,643907034024
13
ДТ9,562,89302,312,851,7538028,020,0624,329,224108054015
14
В109,342,89309,512,971,7638027,720,0724,169,104208049023
15
В259,342,93313,812,901,7837027,920,3924,299,054708046017
16
В509,263,00323,812,891,7936027,920,8324,418,985008040025
17
ДТ12,63,70292,512,431,3751528,925,6831,1311,810309046046
18
В1012,53,72297,612,471,3753028,925,8331,0911,79608045051
19
В2512,43,75301,812,401,3852529,026,0431,0311,69209042049
20
В5012,43,90313,912,501,3553028,827,0831,7311,78508037041
n=1800мин-1
21
ДТ14,24,23298,112,671,3355528,426,1131,6513,5---35
22
В1014,04,24301,912,651,3556028,426,1731,5113,3---36
23
В2513,84,26308,212,671,3654928,426,3031,3313,1---40
24
В5014,04,41315,712,561,3455528,727,2231,8913,2---34
n=2000мин-1
25
ДТ15,54,64299,112,711,3557228,325,7831,2514,0---42
26
В1015,24,61302,912,691,3857028,425,6130,8314,0---42
27
В2515,64,80307,912,651,3558128,426,6731,7714,8---39
28
В5015,74,98318,012,661,3358528,427,6732,4215,6---39
n=2200мин-1
29
ДТ1,621,771094,146,503,961807,78,9410,845,65390503508
30
В101,511,821201,550,343,941807,29,1911,065,73410603202
31
В251,491,861246,251,223,901807,09,3911,195,7434060336
32
В501,501,871338,553,273,981756,89,4411,065,60420602508
33
ДТ3,822,12,554,523,573,3121515,310,7112,986,762208049010
34
В103,752,20586,724,583,2322014,611,1113,376,93240804705
35
В253,602,20610,625,103,2921014,311,1113,246,79200804409
36
В503,602,22616,224,533,3321214,711,2113,136,642708039011
37
ДТ7,572,78367,115,602,5229023,114,0417,028,873308055023
38
В107,502,81374,715,702,5229022,914,1917,088,853108053015
39
В257,352,85387,615,932,5229022,614,3917,148,802808047020
40
В507,282,94403,916,082,5028522,414,8517,408,802608043020
41
ДТ11,43,57313,213,311,9538527,018,0321,8511,44808060036
42
В1011,33,61320,813,441,9638026,818,2321,9511,45008055023
43
В2511,03,65330,913,601,9737526,518,4321,9611,34509052031
44
В5010,93,70340,013,531,9837526,618,6921,9011,13509047030
45
ДТ15,44,65301,112,801,4953028,123,4928,4714,866010058045
46
В1015,24,63304,212,751,5251028,223,3828,1514,670010055034
47
В2514,74,59312,112,831,5650028,123,1827,6214,263011052033
48
В5014,64,68321,512,801,5649028,123,6427,7014,048010046035

Рассматривая полученные результаты экспериментальных исследований, необходимо отметить следующее. При анализе топливной экономичности двигателя, работающего на топливе с различной низшей теплотой сгорания, интересным является введение величины g'e=ge´QH, которая характеризует количество теплоты, введенной в цилиндр для совершения единицы работы. При расчёте коэффициента избытка воздуха a, удельного эффективного расхода топлива g'e, эффективного кпд ηе и количества диоксида углерода СО2 в отработавших газах двигателя, работающего на бинарных топливных смесях, необходимо знать величину Qнсм, Mосм и Cсм для топлива В10, В25 и В50. Значение этих величин определялось по соотношениям:

Qнсм=(Qндт*d дт*rдт+Qнбд*dбд*rбд)/rсм  

МДж/кг,
кмоль/кг,
, кг/м3,
- относительные доли ДТ и БД в бинарном топливе;
— плотность ДТ, БД и их смесей.

Рассмотрим характер изменения показателей работы дизельного двигателя ЗДТ на режимах нагрузочных характеристик при применении различных видов топлива (табл.3). Как видно, на всех режимах нагрузочных характеристик по мере роста доли биодизеля в бинарных топливных смесях и связанного с этим уменьшения их теплоты сгорания монотонно увеличиваются часовой и удельный эффективный расходы топлива. При этом необходимо отметить практически одинаковую эффективность (g'e и hе) преобразования химической энергии сгораемого топлива в совершаемую работу для всех видов топлив. Коэффициент избытка воздуха a, температура отработавших газов tТ и объёмная цикловая порция топлива Qц на каждом из режимов нагрузочных характеристик изменялись незначительно. Величину a определяли с учётом условий на впуске в двигатель по соотношению:

где — коэффициент наполнения;

— потенциальный заряд, кмоль;
— цикловая порция топлива, кг/цикл.

Мало изменяющиеся значения величин a и Qц на каждом из режимов нагрузочных характеристик обеспечивают идентичность протекания рабочего процесса в цилиндре двигателя при его работе на различных видах топлива.

На режимах внешних скоростных характеристик в диапазоне n=1600-2200 мин-1 характер изменения показателей работы двигателя на ДТ и В10-В50 идентичен (табл.3). Из-за снижения механического кпд по мере роста частоты вращения уменьшается hе и, как следствие, увеличиваются ge и g'e.

При переходе от дизельного топлива к бинарной смеси В50 из-за повышения плотности на 3,5% и вязкости на 42% уменьшаются утечки топлива в зазоре плунжер-втулка плунжера, что приводит к росту цикловых подач на 5,5-7% (табл.3, опыты 17-28). При n=2200 мин-1 из-за роста r и n по мере перехода от ДТ к В50 происходит снижение эффективности наполнения надплунжерного пространства и цикловая подача практически одинакова (табл. 2, опыты 45-48), при этом на 13% уменьшается общий уровень gц, что приводит к повышению a и снижению tТ, уменьшению крутящего момента.

В части экологических показателей следует отметить главные отличия биодизеля, связанные с наличием в молекуле метиловых эфиров кислорода (10-11%) [1, 2, 7]:

— лучшая полнота сгорания и меньший выход вредных компонентов (СО, СН и дымность);

— больший выход NOX.

По данным [8] для ряда двигателей IDI при применении биодизеля снижение выбросов вредных веществ составляет: СО — 12%, СН — 35%, сажа — 50% при повышении выбросов NOX на 10%. Фирма "Фольксваген" провела исследования четырёхцилиндрового вихрекамерного безнаддувного дизеля размерностью S/D=8,64/7,65 и мощностью 40 кВт при его работе на дизельном топливе и биодизеле (метиловых эфирах рапсового масла). При работе двигателя на стенде по тесту ЕСЕ и переводе с дизельного топлива на биодизель выбросы СО снижаются с 4,5 до 3,57 г/тест, углеводородов — с 0,82 до 0,37 г/тест, снижаются дымность отработавших газов (на 1-2 ед. по шкале "Бош"), а оксиды азота, наоборот, возрастают с 2,56 до 3,01 г/тест.

Замена части дизельного топлива биотопливом из возобновляемых источников позволяет снизить опасность парникового эффекта, так как СО2, содержащееся в отработавших газах, поглощается растущими маслосодержащими растениями. Например, 1 га растущего рапса поглощает около 22 т диоксида углерода, который образуется при сгорании 6,8 т ДТ (7,8 т БД).

Рассмотрим экологические показатели двигателя 3ДТ при его работе на исследуемых видах топлива. При работе двигателя на режимах нагрузочных характеристик (табл.3, опыты 1-20, 29-48) при n=1600 мин-1 выбросы СО увеличиваются при переходе от ДТ к В50, кроме режима Neном; при n=2200 мин-1 видимое снижение выбросов СО при переходе от ДТ к В50 происходит в диапазоне мощности двигателя (0,5-1,0) Neном. Уменьшение концентрации оксида углерода в смесевых бинарных видах топлива обусловлено наличием кислорода в молекулах биодизельного топлива. Характер протекания кривой СО для ДТ и В10-В50 идентичен.

Выбросы оксидов азота NOX на каждом из режимов нагрузочных характеристик уменьшаются при переходе от ДТ к смеси В50 (табл.3, опыты 1-20, 29-48), при этом эмиссия NOX достигает максимального значения на режимах 75% Neном.

Дымность отработавших газов на режимах нагрузочных характеристик возрастает по мере увеличения мощности (уменьшается a). Закономерности изменения выбросов твёрдых сажистых частиц при переходе от ДТ к В50 не просматриваются (табл.3, опыты 1-20, 29-36). На режимах нагрузочной характеристики при n=2200 мин-1 (табл.3, опыты 37-48) дымность отработавших газов уменьшается при переходе от ДТ к В50, что обусловлено, как отмечалось выше, наличием в составе биодизеля 11,1% кислорода.

Выводы

1. Отличия в физико-химических показателях дизельного и биодизельного топлива влияют на работу двигателя ЗДТ.

2. Замена стандартного дизельного топлива на бинарные топливные смеси (В10, В25 и В50) приводит к ухудшению топливной экономичности двигателя при практически неизменных значениях эффективного КПД.

3. Изменение положения упора рейки топливного насоса позволяет восстановить номинальную мощность двигателя при его работе на бинарных топливных смесях.

4. Некоторое отличие экологических характеристик двигателя ЗДТ при его работе на бинарных топливных смесях от общепризнанных (уменьшение выбросов СО, СnНm, сажи при некотором росте NOx), по-видимому, связано с качеством исследуемого биoдизеля.

5. Для оценки надежности работы двигателя на бинарных топливных смесях и чистом биодизеле необходимо проведение длительных стендовых испытаний.

Литература

1. Смайлис В., Сенчила В., Берейшене К. Моторные испытания РМЭ на высокооборотном дизеле воздушного охлаждения. — Двигателестроение, №4, 2005. — с.45-49.

2. Семенов В.Г. Анализ показателей работы дизелей на нефтяных и альтернативных топливах растительного происхождения. — Вісник Національного технічного університету. "ХПІ": Збірка наукових праць. Харків: НТУ "ХПІ". — 2002, №3. — с.177-197.

3. G. Labeckas, S. Slavinskas. Тhe effect of rapeseed oil methyl ester on direct injection Diesel engine performance and exhaust emission. — Energy Conversion and Management. — 2005, p.1-14.

4. Семенов В.Г. Зінченко О.А. Визначення хімічного складу альтернативних палив рослинного походження методом газорідинної хроматографії. — Збірник наукових праць. — ХарДАЗТ, 2003. — Вип. 52. — с.66-74.

5. Семенов В.Г. Определение физико-химических показателей альтернативных топлив растительного происхождения для дизелей сельскохозяйственных машин. — Збірник наукових праць Національного аграрного університету "Механізація сільськогосподарського виробництва". — К.: НАУ, 2003. — Том XIV. — с. 331-339.

6. Семенов В.Г., Семенова Д.У., Слипушенко В.П. Расчет высшей теплоты сгорания биотоплив. — Химия и технология топлив и масел. — М.: ГУП изд-во "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2006. — №2. — с.46-49.

7. Марков В.А., Козлов С.И. Топлива и топливоподача многотопливных газодизельных двигателей. — М.: Изд-во МГТУ им. Баумана. — 2000. -296с.

8. Льотко В., Луканин В. Н., Хачиян А. С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. – М.: МАДИ (ТУ), 2000. — 311 с.

Марченко А.П., Семёнов В.Г., НТУ "Харьковский политехнический институт"

Алехин С.А., Грицюк А.В., Лылка М.Н., Казённое предприятие "Харьковское конструкторское бюро по двигателестроению"

Реклама