Автомаш предлагает со склада в Москве 
электронагревательное оборудование, минитехнику для ремонта и строительства, тракторы, технику и запчасти МЗКТ, МоАЗ, погрузчики, экскаваторы


Электронная версия журнала от Компании Автомаш

Рапсовое масло как альтернативное топливо для дизеля

      Журнал "Автомобильная промышленность", 2006 год, № 2
      УДК 621.436
      Д-р техн. наук В.А. МАРКОВ, кандидаты техн. наук А.И. ГАЙВОРОНСКИЙ, С.Н. ДЕВЯНИН и Е.Г. ПОНОМАРЕВ, MГTУ имени Н.Э. Баумана, ООО "ВНИИГАЗ", НПП "Агродизель"

Истощение мировых запасов нефти и повышение цен на традиционные моторные топлива вынуждают двигателестроителей искать им замену. К этому же подталкивает и постоянно ужесточающиеся требования к токсичности отработавших газов двигателей. В итоге все чаще стали применять так называемые альтернативные топлива — сжатый и сжиженный газы; топлива, получаемые из природного газа, угля и, что самое главное, из возобновляемых источников энергии. Не случайно ЕЭК ООН уже приняла резолюцию о переводе к 2020 г. 23 % европейского автотранспорта именно на альтернативные топлива, в том числе 10 % — на природный газ, 8 — на биогаз и 5 % — на водород.

Но на более далекую перспективу самыми интересными будут, по всей видимости, именно топлива из возобновляемых ресурсов. И прежде всего — из биомассы (древесина, продукты сельскохозяйственного производства и др.), которой в мире ежегодно образуется 170-200 млрд. т, что энергетически эквивалентно 70—80 млрд. т нефти. При этом и теоретически, и экспериментально доказано: наиболее перспективны растительные масла — подсолнечное, хлопковое, соевое, льняное, пальмовое, арахисовое, сурепное и др. Их можно использовать в исходном виде или после химической обработки (облагораживания), а также в смеси с нефтяными топливами или спиртами. Причем наиболее интересны не сами масла, а их метиловые эфиры, получаемые как из отходов производства пищевых продуктов, так и непосредственно из растительных масел. Именно поэтому в Европе (Англия, Германия, Польша, Франция, Швеция) и в Азии (Китай, Индия, Индонезия) уже начали применять на АТС топлива из растительных масел и продуктов их химической переработки — метиловые эфир и спирт. Более того, в перечисленных странах приняты законодательные акты о производстве смесей из дизельного топлива и таких продуктов.

Достоинства и недостатки (табл. 1, в которой знаком "+" обозначено наличие преимуществ по сравнению со штатным дизельным топливом, знаком "-" - их отсутствие, а "+"/"-" - сочетание и того, и другого) альтернативных топлив, а также особенности их применения в дизелях обусловлены их составом, физико-химическими свойствами и возможностью получения из возобновляемого сырья.

Как из нее видно, самыми перспективными действительно следует считать топлива, получаемые из растительных масел и в первую очередь — из масла рапсового. В том числе и потому, что, во-первых, высокая урожайность рапса дает возможность с 1 га его посевов иметь 1000-15000 л биотоплива; во-вторых, делает сырьевую базу практически неисчерпаемой.

Рапсовое масло представляет собой смесь моно-, ди- и триацилглицеринов, которые содержат в своем составе молекулы различных жирных кислот (табл. 2), т. е. высокомолекулярных кислородсодержащих соединений с углеводородным основанием, связанных с молекулой глицерина.

Главное достоинство топлив, получаемых из рапсового масла, — практически полная биоразлагаемость. Содержащиеся в них 10—12 % масс, кислорода позволяют заметно уменьшить выбросы в атмосферу таких вредных веществ, как углеводород и сажа, а также оксидов азота — из-за снижения температур сгорания. Кроме того, рапсовое масло в действительности не содержит соединении серы; в нем нет и полициклических ароматических углеводородов — канцерогенов, обычно содержащихся в отработавших газах дизелей.

Таблица 1
-------------------------------------------------------------------------
                               Экологичность    Адаптированность
                              -------------------------------------
Топливо              Возобнов  при      при   к транс  АЗС  дизеля  Парни
                     ляемость  произ    сгора порти                 ковый
                     ресурсов  водстве  нии   рованию               эффект
                                              и хране
                                              нию
-------------------------------------------------------------------------

Дизельное                  -     -       +/-    +       +     +       -
Сжатый природный газ       -     +       +      -       -     -       -
Сжиженный нефтяной газ     -     +       +      -       -     -       -
Диметиловый эфир           -     -       +      -       -     -       -
Метанол                    -     -       +      +       +     -       -
Рапсовое масло             +     +       +      +       +     +/-     +
Метилэфир рапсового масла  +     +/-     +      +       +     +       +
------------------------------------------------------------------------- 
Перспективным считается, как и в случае других масел, не само рапсовое масло, а получаемый из него метиловый эфир: в ряде стран Европы его уже используют в качестве самостоятельного топлива или добавки к дизельному топливу нефтяного происхождения. Например, в Германии действуют более 90 заводов по производству рапсового масла, а топливо "биодизель" (соотношение 43:8) на базе метилового эфира рапсового масла выпускают восемь предприятий.

Данный эфир представляет собой смесь метиловых эфиров жирных кислот. Получают его путем прямой переэтерификации ацилглицеринов рапсового масла с метиловым спиртом при температуре 353—363 К (80—90 °С) в присутствии едкого калия. По своим физико-химическим свойствам он близок к стандартным дизельным топливам, т. е. от самого масла отличается меньшими плотностью, вязкостью и температурой воспламенения, более высоким цетановым числом, поэтому может, что очень важно, подаваться в цилиндры двигателя штатной топливоподающей аппаратурой. Главное же, при работе на ней дизель становится экологически чище.

Таблица 2
---------------------------------------------------------
        Кислота              
---------------------------     Формула      Содержание,
 название        тип                          % масс.
---------------------------------------------------------	

Пальмитиновая    Насыщенная     С16H32O2       4,8
Стеариновая      То же          С18H36O2       1,7
Олеиновая        Ненасыщенная   С18H34O2      43,7
Линолевая        То же          С18H32O2      20,9
Линоленовая      »              С18H30O2       8,5
Эйкозеновая      »              С20H38O2       4,8
Эруковая         »              С22H42O2      15,4
--------------------------------------------------------- 
Так, фирма "Фольксваген" провела исследования серийного четырехцилиндрового вихрекамерного безнаддувного дизеля размерностью S/D — 8,64/7,65 и мощностью 40 кВт (54 л. с.), в ходе которых он сначала работал на дизельном топливе (характеристики: пределы выкипания — 449—621 К, или 176—348 °С, плотность — 821 кг/м3, цетановое число — 52), а затем на метиловом эфире с температурами выкипания 575—629 К (302—386 °С). Установлено: при работе на стенде по тесту ЕСЕ и переводе с дизельного топлива на эфир рапсового масла выбросы монооксида углерода снижаются с 4,5 до 3,57 г/тест, углеводородов — с 0,82 до 0,37 г/тест, а оксидов азота, наоборот, возрастают с 2,56 до 3,01 г/тест. Снижается и дымность отработавших газов. Например, на режимах полной нагрузки — на 2 ед. по шкале "Бош" во всем диапазоне скоростных режимов работы, на частичных — на 0,5—1 ед. Уменьшается также эмиссия канцерогенов ароматических углеводородов. Например, на режимах принятого в США цикла FTP 75 она в 2 раза меньше.

Правда, при всех циклах расход метилэфира оказывается несколько (на -12 %) больше расхода дизельного топлива. Это связано с меньшей, чем у последнего (37,8 против 42,5 МДж/кг), теплотворной способностью. При работе на метилэфире увеличивается и эмиссия альдегидов. Но в целом дизель, работающий на таком топливе, отличается более низкой суммарной токсичностью отработавших газов.

К сожалению, метилэфир рапсового масла — химически активная (агрессивная) жидкость. Поэтому при его использовании в качестве добавок к дизельному топливу баки, трубопроводы и другие элементы конструкции топливной системы, контактирующие с ним, должны иметь защитное покрытие. Кроме того, его производство нельзя отнести к числу экологически чистых. Наконец, он дороже дизельного топлива. Поэтому рапсовое масло, казалось бы, всетаки предпочтительнее. Однако при работе дизеля на нем тоже возникает ряд проблем. В частности, многие специалисты отмечают, что через 100—200 ч работы дизеля на нем наблюдаются повышенные количество углеродистых отложений на поверхности камеры сгорания и закок-совывание сопловых отверстий распылителей форсунок. Что вполне правомерно: в данном масле много смолистых веществ, поэтому его коксуемость (0,4 %) выше коксуемости дизельного топлива (0,2 %). Тем не менее, если учесть, что ГОСТ 305—82 ограничивает последнюю величиной 0,3 %, то совершенно очевидно: подобрать смеси дизельного топлива и рапсового масла, удовлетворяющие требованиям ГОСТа, особого труда не представляет.

Еще одна проблема, возникающая при работе дизеля на рапсовом масле, — повышенная вязкость последнего: при нормальной (293 К, или 20 °С) температуре она на порядок выше, чем у стандартного дизельного топлива (соответственно 75 и 3,8 мм2/с). Однако при повышении температуры эта разница уменьшается. Например, при 313 К (40 °С) вязкость рапсового масла — 36 мм2/с, т. е. уменьшается вдвое, а при 343 К (70 °С) — до 17,5 мм2/с, или еще более чем вдвое. Но главное в том, что существенно меньшей вязкостью обладают смеси рапсового масла с дизельным топливом. Так, вязкость смеси, содержащей (по объему) 80 % дизельного топлива и 20 % рапсового масла, при температуре 292 К (20 °С) составляет 9 мм2/с, а при 313 К (40 °С), характерной для условий систем топливопо-дачи дизелей, — 5 мм2/с. Иначе говоря, становится соизмеримой с вязкостью чистого дизельного топлива (норматив: 3—6 мм2/с).

Таким образом, поскольку рапсовое масло по своим физико-химическим свойствам отличается от стандартного дизельного топлива, его целесообразно применять в смеси с последним. Тем более, что эти компоненты хорошо смешиваются, а смеси имеют свойства, позволяющие сжигать их в дизеле без внесения изменений в его конструкцию.

Авторы статьи оценивали экономические и экологические показатели дизеля, работающего на таком биотопливе, не только по научным публикациям. Они провели собственное испытание дизеля Д-245.12С (4 ЧН 11/12,5), выпускаемого Минским моторным заводом, в двух вариантах его комплектации.

Первый из вариантов был оснащен турбокомпрессором ТКР-6 Борисовского завода автоагрегатов, ТНВД мод. PP4M10Ulf (диаметр и ход плунжеров — 10 мм) чешской фирмы "Моторпал", форсунками ОАО "Куроаппаратура" (г. Вильнюс), отрегулированными на давление начала впрыскивания 21,5 МПа (215 кгс/см2) и имеющими распылитель DOP 119S534 фирмы "Моторпал" с пятью распыливающими отверстиями диаметром 0,34 мм и суммарной эффективной площадью распылителя в сборе, равной 0,250 мм2. Результаты исследований его по 13-ступенчатому испытательному циклу показали: при работе дизеля на смеси "80 % дизельного топлива + 20 % рапсового масла" экологические показатели заметно улучшаются: выброс легких углеводородов снижается с 1,519 до 0,965 г/( кВт • ч), т. е. на 36,5 %; оксидов азота — с 7,442 до 7,159 г/(кВт • ч), или на 3,8 %. Однако выброс монооксида углерода, напротив, возрастает на 9,5 % — с З,482 до З,814 г/( кВт • ч).

Последнее обусловлено некоторым (на 6—10 %) увеличением часового расхода топлива и соответствующим повышением мощности дизеля. В частности, при переводе двигателя на смесевое биотопливо на режиме максимального крутящего момента (п = 1500 мин-1) мощность выросла с 53,6 до 57,1 кВт (с 72,8 до 77,6 л. с.), а на режиме максимальной мощности (п = 2400 мин-1) — с 75,5 до 78,2 кВт (со 102,6 до 106,3 л. с.). Коэффициент α избытка воздуха остался при этом практически неизменным (соответственно 1,7 и 2,2 на указанных режимах), что объясняется меньшим количеством воздуха, необходимым для сгорания 1 кг топлива (14,3 кг/кг у дизельного топлива и 13,9 кг/кг у смеси).

Характерно, что переход с дизельного топлива на рассматриваемую смесь сказывается и на удельном эффективном расходе топлива: на режиме максимального крутящего момента он увеличивается с 225,8 до 231,8 г/(кВт•ч), или с 166,2 до 170,6 г/(л.с.•ч), а на режиме максимальной мощности — с 249,0 до 255,1 г/(кВт • ч), или с 183,3 до 187,8 г/(л.с. • ч). Причина — меньшая, чем у дизельного топлива, теплотворная способность смеси (соответственно 41,5 и 42,5 МДж/кг).

Эффективный КПД дизеля при таком переходе практически не изменился: на режиме максимального крутящего момента в обоих случаях он равен 37,5 %, а на режиме максимальной мощности — 34 %. Дымность отработавших газов на режиме максимального крутящего момента снизилась с 25 до 16 % по шкале Картриджа, а на режиме максимальной мощности — с 11 до 8 %. Наконец, после наработки 100 ч дизелем данной мощности коксования форсунок не отмечено.

Второй вариант оснащения дизеля Д-245.12С: топливная система производства Ногинского завода топливной аппаратуры, распылители мод. 171Р.10.03 Алтайского завода прецизионных изделий, имеющие 10 распыливающих отверстий диаметром 0,23 мм. Испытывали его на тракторе "Беларусь", причем в реальных условиях эксплуатации. Установлено: после 500 ч работы этого дизеля на смеси, содержащей 70 % дизельного топлива и 30 % рапсового масла, есть лишь частичное закоксовывание распылителей форсунок, которое практически не приводит к потере их работоспособности, хотя мощность двигателя снижает.

Таким образом, очевидно, что использование форсунок с меньшим числом распыливающих отверстий и, соответственно, большего их диаметра позволило значительно сократить или вообще избежать коксообразования. Причем для его полного устранения (и не только при работе на рапсовом масле) достаточно применять хорошо известные меры. Например, периодически работать на высокофорсированных режимах, периодически же подавать через распыливающие отверстия водотопливные эмульсии и т. п.

В целом опыт зарубежных фирм и результаты отечественных исследований говорят о том, что смесевые биотоплива на базе рапсового масла способствуют не только экономии нефтяных топлив и улучшению экологических показателей дизелей, но и решению ряда социальных проблем. Например, широкомасштабное производство данного топлива неизбежно значительно увеличит занятость и благосостояние населения в сельской местности; получаемый при производстве рапсового масла шрот (жмых) — ценный белковый продукт, который может быть использован для откорма крупного рогатого скота и других домашних животных. Кроме того, с агрономической точки зрения эта культура — очень желательная для улучшения севооборота: она улучшает структуру и плодородие почвы.



© Автомаш 2006
Компас в Мире Машин и Машиностроения
avtomash.ru
Главная Карта сайта

Журнал
 
Журнал - Автомобильная промышленность:

- Страницы истории
- Редколегия, контакты
- Тематика журнала
- Размещение статьи
- Размещение рекламы
- Оформление подписки

- Обзор содержания журнала с 2002 г
 
Rambler's Top100 Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru