The Study of Compositions and Methods of Supplying New Fuels with Additives of Brassica Rapa Oil to the Diesel

Full Text

Введение

В настоящее время все чаще встает вопрос развития альтернативной энергетики. Это связано с дефицитом энергоносителей и увеличением их стоимости [1].

Для экономии ископаемых энергоресурсов необходимо внедрение новых технологий энергосбережения. К таковым можно отнести, например, альтернативные виды топлив для автотракторных дизельных двигателей на основе растительных масел. Однако по причине различий физико-химических и энергетических свойств альтернативных топлив использование их в чистом виде в двигателях ограничено по ряду конструктивных причин. Они вносятся в классическое дизельное топливо (ДТ) в виде добавок [1; 2].

Необходимо создать такой состав смесевого топлива, который будет близок к чистому минеральному ДТ по физико-химическим свойствам (плотности, кинематической вязкости и т. д.), позволит при этом сохранить моторные качества двигателя и снизить эмиссию выхлопных газов. Важно отметить, что при использовании выведенного в статье состава смесевого топлива не будет производиться конструктивных изменений в двигателе, а только усовершенствование навесного оборудования (системы питания ДВС).

Использование масел в производстве биодизельного топлива находит активное применение уже несколько лет, например в странах Европы. Для производства этого топлива применяют метиловый эфир рапсового масла, который вносится в чистое ДТ¹ [3]. Данный вид топлива позволяет снизить содержание вредных веществ в процессе работы двигателя, таких как сажа, формальдегид, оксиды азота, углеводороды, оксид углерода, диоксид серы, бензоперен [4; 5]. Эти и многие другие компоненты негативно действуют как на здоровье человека, так и на окружающую среду. Но производство метилового эфира требует использования сложного дорогостоящего оборудования, что делает получение этого продукта затратным.

В данной статье внимание будет уделено добавке сурепно-этаноловой эмульсии к ДТ, так как по своим физико-химическим свойствам сурепное масло близко к рапсовому маслу. Кроме того, обе этих культуры хоть и различны в ботаническом отношении, но схожи в сельскохозяйственном плане. Обе они являются сидератами, обогащают в ходе своего роста почву азотом и угнетают рост сорняков. Сурепицу отличает высокая урожайность, а значит, и объем производимого масла будет выше. На данный момент распространение сурепицы на территории РФ нельзя сравнить с более популярным рапсом, хотя она выгодно отличается от рапса своей неприхотливостью и способна произрастать на разнообразных почвах [6].

В. В. Крюков в своих исследованиях обращал внимание на возможность использования топлива на сурепно-минеральной основе для работы автотракторного двигателя, но добавок спиртов к этому смесевому топливу применено не было. В нашем исследовании решено было добавить этиловый спирт к сурепному маслу (СурМ) и ДТ. Выбор именно этого вида спирта основывался на меньшей токсичности и окисляемости относительно, например, метилового спирта. Но спирты в маслах и ДТ практически не растворяются, что приводит к фазовому разделению компонентов. Именно для этой цели необходимо разработать оборудование для топливоподготовки, которое будет готовить однородное топливо при постоянном перемешивании компонентов.

Было проведено исследование необходимой концентрации добавки компонентов. Учитывались такие параметры, как плотность, кинематическая вязкость и низшая удельная теплота сгорания. На основе этих параметров был выявлен ряд зависимостей.

Цель исследования – определение влияния добавок сурепного масла и этанола разных концентраций в чистое дизельное топливо на показатели, такие как плотность, кинематическая вязкость, низшая удельная теплота сгорания смесей, чтобы найти оптимальную смесь для стендовых испытаний на дизеле.

Обзор литературы

Сурепица (лат. Brassica rapa) известна человечеству приблизительно 4 000–6 000 лет. Данный вид был примечателен тем, что имел в своем генетическом коде три набора хромосом. Такой обширный генетический потенциал обеспечил создание разнообразных подвидов дикорастущей сурепицы. В результате одомашнивания появились современные овощи и масличные культуры, которые содержали уже два набора хромосом [7]. Позднее сурепицу стали выращивать в Европе. Например, в Древнем Риме она являлась важным продуктом питания, а масло из ее семян служило заправкой для лампад. Позднее сурепица распространилась на Востоке и по всему миру² [8].

Сурепица озимая наиболее приспособлена к климату России. Данный подвид европейского вида репы характеризуется тонким несъедобным корнем, продолжительной стадией яровизации, высокой зимостойкостью. В связи с «утопленностью» точки роста сурепицы в почву эта культура способна успешно противостоять влиянию неблагоприятных факторов зимнего периода [9–11].

А. П. Уханов и Д. А. Уханов активно изучали сурепное масло в качестве добавки к минеральному дизельному топливу [12]. Проведен хроматографический анализ СурМ и дизельного смесевого топлива (жирно-кислотный состав и физико-химические свойства) для оценки целесообразности использования СурМ в качестве добавки для минерального ДТ для автотракторных дизелей. Анализ данных показал обратно пропорциональную зависимость концентрации минерального ДТ в смесевом топливе и жирно-кислотного состава смесевого топлива. Так, при увеличении концентрации чистого ДТ до 75 % в смеси был отмечен рост содержания эруковой, стеариновой, бегеновой и арахиновой кислот. Для улучшения качества смешивания ученые предложили метод ультразвуковой обработки при помощи диспергатора УЗДН-2Т. Обработка ультразвуком привела к изменению вида содержащихся в смесевых топливах высших жирных кислот³.

В. В. Крюков продолжил изучать физико-химические свойства сурепного масла. Исходя из результатов анализа сурепного масла с применением хроматографа, удалось вычислить низшую теплоту сгорания и рассчитать элементарный состав, а также разработать систему питания, которая позволяет производить смешивание компонентов, контролируя при этом соотношение биокомпонента в чистом ДТ в зависимости от требуемого режима работы и погодных (температурных) условий эксплуатации двигателя⁴.

В. В. Крюков отмечает, что при росте концентрации СурМ в ДТ наблюдается снижение средней скорости нарастания давления газов в рабочей камере дизеля, а также уменьшение максимального давления цикла, что делает рабочий процесс двигателя на смесевых топливах, в сравнении с работой на чистом ДТ, более «мягким»⁵.

Вторым дополнительным компонентом, который планируется добавить в исследуемую смесь, является этанол (Э). Увеличение его содержания делает рабочий процесс более «жестким», что связано с повышением максимума скорости активного тепловыделения при работе двигателя на смеси этанола с чистым ДТ при частоте 1 200 мин^–1. С повышением частоты вращения происходит снижение максимума скорости активного тепловыделения⁶ [13; 14].

Предположительно, добавление сурепного масла к этанолу в равных концентрациях позволит максимально приблизить работу двигателя по моторным характеристикам к работе на чистом ДТ.

Следовательно, мы должны определить такое содержание компонентов СурМ и Э в смесевом топливе на основе ДТ, которое будет соответствовать физико-химическим характеристикам чистого ДТ (плотности, кинематической вязкости, низшей удельной теплоте сгорания)⁷ [15].

Материалы и методы

Первоначально были изучены физико-химические свойства смесевых топлив. В качестве объектов для исследования были подготовлены смеси сурепного масла, этилового спирта и ДТ разных концентраций: 5%СурМ+5%Эт+90% ДТ, 10%СурМ+10%Эт+80%ДТ, 15%СурМ+15%Эт+70%ДТ, 20%СурМ+20%Эт+60%ДТ, 25%СурМ+25%Эт+50%ДТ. Кроме этого, в каждый образец было добавлено от 0,5 до 1,0 % диспергирующей присадки С-5А для увеличения времени стабильности смесей. Определяли плотность и кинематическую вязкость, а также время стабильности смесей к фазовому разделению.

Использовали физико-химическое (вискозиметр ВПЖ-2, пикнометр ПЖ2-10-КШ 7/16), а также сопутствующее ему (весы лабораторные VIBRAAJH-620CE, электронный секундомер) оборудование (рис. 1).

 

 

 

 

Рис. 1. Используемое оборудование: a) пикнометр ПЖ2-10-КШ 7/16;
b) весы лабораторные VIBRAAJH-620CE; c) электронный секундомер; d) вискозиметр ВПЖ-2

Fig. 1. The equipment used: a) pycnometer PZh 2-10-KSh 7/16;
b) laboratory scales VIBRAAJH-620CE; c) electronic stopwatch; d) viscometer VPZh-2

 

Необходимо было для каждой пробы определить такие физических величины, как кинематическая вязкость, плотность и время стабильности смеси. Нужно отметить, что опыты проводились при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) при температуре окружающей среды 20 °С.

Поскольку при использовании пикнометра ПЖ2-10-КШ 7/16 плотность является расчетной величиной, для проведения эксперимента дополнительно понадобились лабораторные весы VIBRAAJH-620CE (рис. 1 a, b). Метод и выходные значения были взяты из ГОСТ 3900-85 «Нефть и нефтепродукты. Методы определения плотности».

Расчет производился согласно формуле:

$\rho =\frac{m_{\text{пик. смес.} } -m_{\text{пус. пик.}}}{m_{\text{пик. дис.}}-m_{\text{пус. пик.}}}\cdot \mathrm{0,99703}$ , г/см³, (1)

где m_{пик. смес.} – суммарная масса, состоящая из массы пустого пикнометра и массы смеси; m _{пус. пик.} – масса пустого пикнометра; m_{пик. дис.} – суммарная масса, состоящая из массы пикнометра и массы содержащейся в нем дистиллированной воды; 0,99703 – коэффициент, характеризующий относительную плотность воды при температуре 20 °С.

Для определения динамической вязкости использовался вискозиметр ВПЖ-2 (диаметр капилляра d = 0,99 мм) (рис. 2d).

Расчет кинематической вязкости был произведен по формуле:

$v=\frac{\eta }{\rho }$ , см²/с,                (2)

где η – динамическая вязкость, г/см×с; ρ ‒ плотность исследуемой жидкости, г/см³.

Время стабильности смеси Ʈ было определено в результате визуального наблюдения. C помощью электронного секундомера фиксировался момент фазового разделения образцов смесей [16].

Результаты исследования

На основе результатов исследования (табл. 1) получены наглядные графики.

 

Таблица 1 Результаты исследования

Table 1 The results of the study

 

ДТ, % / Diesel fuel, %	СурМ, % / Brasssica rapa, %	Эт., % / Ethanol,%	Кинематич. вязкость при T = 20 °C, сСт / Kinematic viscosity at T = 20 °C, cSt			Плотность при T = 20 °C, г/см3 / Density at T = 20 °C, g/cm3			Время стабильности, мин / Stability time, min
			Без присадки / No additive	0,5 % С-5А	1,0 % С-5А	Без присадки / No additive	0,5 % С-5А	1,0 % С-5А	Без присадки / No additive	0,5 % С-5А	1,0 % С-5А
90	5	5	3,246	3,322	3,253	0,821	0,816	0,823	>75	78	66
80	10	10	3,838	3,855	3,723	0,818	0,820	0,821	>75	60	52
70	15	15	4,636	4,555	4,440	0,824	0,822	0,825	40	40	33
60	20	20	5,596	5,851	5,659	0,824	0,827	0,829	7	16	18
50	25	25	7,125	7,164	7,469	0,830	0,831	0,834	4,7	11	15

 

 

Как видно из таблицы 1, был проведен анализ 5 образцов ДТ, СурМ и Э. Ниже описываются результаты произведенных наблюдений.

Отмечено, что с увеличением содержания СурМ и Э в ДТ увеличивается кинематическая вязкость (рис. 2). Можно объяснить это тем, что вязкость СурМ существенно выше, чем у ДТ, и составляет v_СурМ = 77,2 сСт против v_ДТ = 4,5 сСт. Наличие в смеси этанола снижает общую вязкость смесевого топлива, но этого недостаточно, чтобы она находилась в рамках, определенных для летнего ДТ (ГОСТ 305–2013 «Топливо дизельное. Технические условия»). Внесение С-5А тоже увеличивает кинематическую вязкость.

 

 

 

Плотность, как и кинематическая вязкость, в смесевых топливах возрастает при увеличении содержания СурМ и Э, но не так сильно. Наибольшее увеличение плотности смеси на 0,1 г/см³ зафиксировано при 25%СурМ+25%Э+50%ДТ (рис. 3). Таким образом, согласно ГОСТ 305–2013 «Топливо дизельное. Технические условия», плотность чистого ДТ составляет 0,80–0,86 г/см³, а это значит, что все образцы смесей укладываются в эти рамки.

 

 

 

Рис. 3. Влияние концентрации компонентов на плотность смеси

Fig. 3. The effect of the concentration of components on the density of the mixture

 

Экспериментально установлено, что при увеличении содержания СурМ и Э в ДТ снижается время стабильности. Положительное влияние присадки было отмечено с 30 % от общего содержания СурМ и Э (рис. 4).

 

 

 

Рис. 4. Влияние концентрации компонентов и наличия присадки в смесях
на изменение времени стабильности

Fig. 4. The effect of the concentration of components and the presence of additives
in mixtures on the change in stability time

 

Отмечена зависимость между кинематической вязкостью масел и низшей удельной теплотой сгорания. Была составлена таблица 2, содержащая вышеизложенные параметры на примере трех масел (хлопковое, рапсовое, сурепное) и летнего ДТ, для того чтобы проследить взаимосвязь.

 

Таблица  2 Отношение кинематической вязкости растительных масел и ДТ
к их низшей удельной теплоте сгорания

 

Table  2 Ratio of the kinematic viscosity of vegetable oils and Diesel fuel
to their lowest specific heat of combustion

 

	ХлопокМ / Cotton oil	СурМ / Brasssica rapa oil	РМ / Rapeseed oil	ДТ / Diesel fuel
v, сСт / v, cSт	84	77,2	7,5	4,5
Qн, МДж/кг / Qн, MJ/kg	34	37,2	37,3	42,5

 

График (рис. 5.) показывает, что с ростом кинематической вязкости смесевых топлив снижается низшая удельная теплота сгорания. Предположительно, данный эффект можно объяснить тем, что масла, обладающие наименьшей вязкостью, быстрее испаряются, и содержание газовой фазы, соответственно, выше, а это значит, что фактическая температура возгорания и низшая удельная теплота сгорания топлив будут выше.

 

 

 

Рис. 5. Отношение кинематической вязкости растительных масел и ДТ
к их низшей удельной теплоте сгорания

Fig. 5. Ratio of the kinematic viscosity of vegetable oils and diesel fuel
to their lowest specific heat of combustion

 

Среди проанализированных видов масел видно, что наиболее близко к ДТ по Q_н рапсовое и сурепное масла, но рапсовое масло уже давно нашло свое применение в производстве альтернативного топлива, тогда как сурепное на данный момент недостаточно изучено в этом отношении. Но кинематическая вязкость СурМ выше вязкости ДТ примерно в 17,2 раза, а это значит, что в процессе топливоподготовки перед смешением на него придется произвести либо физическое, либо химическое воздействие [17; 18]. Возможно в этом случае применение Э, так как он при v = 1,5 сСт имеет Q_н = 30,6 МДж/кг, что позволило бы при постоянном смешивании в равных соотношениях с СурМ добиться v_ср = 39,4 сСт, а Q_н(ср) = 33,9 МДж/кг, при этом средняя вязкость снизится примерно в 2 раза.

Из данного графика (рис. 6.) видна динамика снижения Q_{н(средн.)} относительно увеличения концентрации смесевых топлив. При 10%СурМ+10%Э+80%ДТ она составляет 40,2 МДж/кг, а при 25%СурМ+25%Э+50%ДТ – 36,9 МДж/кг. Таким образом, согласно ГОСТ «305-2013 Топливо дизельное. Технические условия», Q_н смесей указанных концентраций близка к Q_{н(ДТлетн.)} = 42,5 МДж/кг.

 

 

 

Рис. 6. Снижение Qн(средн.) при увеличении концентрации смеси СурМ:Э:ДТ
(5:5:90, 10:10:80, 15:15:70, 20:20:60, 25:25:50)

Fig. 6. A decrease in Qн(средн.) with an increase in the concentration of a mixture of Brassica rapa oil,
ethanol and diesel fuel (5:5:90, 10:10:80, 15:15:70, 20:20:60, 25:25:50)

 

Опираясь на вышеизложенные результаты исследования, приходим к выоду, что возникает необходимость усовершенствования системы питания дизеля. Проанализировав двухтопливные системы питания с возможностью автоматического регулирования состава смесевого топлива, установили, что они имеют общий недостаток, а именно невозможность автоматического регулирования оптимального установочного угла опережения впрыскивания топлива при работе двигателя на разных смесевых составах [19; 20].

Обсуждение и заключение

Для дальнейших стендовых испытаний на двигателе были определены 2 смеси 10%СурМ+10%Э+80%ДТ и 25%СурМ+25%Э+50%ДТ. При выборе этих смесей основное внимание уделялось 4 параметрам, а именно: кинематической вязкости, плотности, времени стабильности и низшей удельной теплоте сгорания:

1. Кинематическая вязкость летнего ДТ составляет 4,5 сСт. При увеличении концентрации добавок она увеличивается при 1 % С-5А до 7,5 сСт. Это связано с тем, что v_СурМвыше v_ДТ в 17,2 раза. Это значит, что при использовании смеси 25%СурМ+25%Э+50%ДТ на нее нужно будет оказывать тепловое воздействие перед подачей на форсунки. В смеси 10%СурМ+10%Э+80%ДТ с 1 % содержания С-5А она Q_н = 3,7 сСт, что ниже Q_н(ДТ).
2. При увеличении концентрации смесевых топлив плотность тоже несущественно возрастает, но ее динамика выражена менее явно. Только на максимальном содержании добавок 25%СурМ+25%Э+50%ДТ она увеличится на 0,1 г/см³. Согласно ГОСТ 305—2013 «Топливо дизельное. Технические условия», плотность чистого ДТ составляет 0,80–0,86 г/см³, а это значит, что все образцы смесей укладываются в эти рамки.
3. При увеличении содержания СурМ и Э в смеси отмечено снижение времени стабильности. На увеличение времени стабильности влияет добавление присадки, начиная с 30 % от общего содержания СурМ и Э. Лучший результат достигнут при 10%СурМ+10%Э+80%ДТ, он составил 52 мин. То есть применяемое смесевое топливо нуждается в постоянном перемешивании для стабильности смеси.
4. Низшая удельная теплота сгорания СурМ, по сравнению с другими растительными маслами, относительно высока (Q_н(СурМ)= 37,2 МДж/кг, Q_н(ДТ)= 42,5 МДж/кг) и примерно равна РМ. РМ уже долгое время активно применяется в мировой промышленности как компонент для производства биодизеля, тогда как СурМ не так хорошо изучено. Но v_СурМ выше v_ДТ примерно в 17,2 раза, следовательно, в процессе топливоподготовки перед смешением на него придется произвести либо физическое, либо химическое воздействие. Возможно в этом случае применение Э, так как он при v = 1,5 сСт имеет Q_н = 30,6 МДж/кг, что позволило бы при постоянном смешивании в равных соотношениях с СурМ добиться v_ср = 39,4 сСт, а Q_н(ср) = 33,9МДж/кг, при этом средняя вязкость снизится примерно в 2 раза.

Поскольку смесевые топлива всегда будут в некоторой степени отличаться друг от друга по своим физико-химическим свойствам, необходимо проводить работу над усовершенствованием системы питания⁸ [21; 22]. Изученные системы питания для дизеля с добавлением биокомпонента имеют ряд преимуществ. К ним можно отнести наличие установленных перед смесителем специальных дозаторов. Эти дозаторы могут управляться, либо кинематически (посредством тяг со впускным коллектором дизеля) [19], либо электронным способом (через ЭБУ с датчиком температуры растительного топлива и индуктивным датчиком нагрузочного и скоростного режимов двигателя) [20]. Основным недостатком этих систем является то, что они не имеют возможности автоматического регулирования угла опережения впрыска для оптимальной работы дизеля, хотя разработка таковой позволила бы двигателю работать на любом из предложенных составов смесевых топлив. Это могло бы гарантировать экономичность, надежность и увеличить ресурс ДВС при работе на смесях с растительными добавками.

 

 

¹           Was ist Biodiesel [Электронный ресурс]. URL: http://https://www.bioe.ch/biodiesel/was-ist-biodiesel (дата обращения: 10.10.2022).

²           Tarlach G. The Deep Roots of the Vegetable That ‘Took Over the World’ [Электронный ресурс] // Atlas Obscura. 30 June 2021. URL: https://www.atlasobscura.com/articles/brassica-rapa-vegetable-domestication (дата обращения: 10.10.2022).

³           Влияние ультразвуковой обработки биотоплива на показатели работы тракторного дизеля / Д. А. Уханов [и др.] // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России : сб. материалов Всероссийской НПК. Пенза : РИО ПГСХА, 2009. С. 11–13.

⁴           Крюков В. В. Оценка эксплуатационных показателей сельскохозяйственного трактора при работе на сурепно-минеральном топливе: автореф. дис. … канд. техн. наук. Пенза, 2014. 20 с. ; Крюков В. В. Смесевое сурепно-минеральное топливо: результаты экспериментальных исследований и технические решения // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России : сб. материалов Всероссийской НПК. Пенза : РИО ПГСХА, 2012. С. 202–204.

⁵           Там же.

⁶           Там же.

⁷           Плотников С. А., Черемисинов П. Н. Исследование свойств альтернативных топлив на основе рапсового масла // Общество, наука, инновации (НПК-2017): Всерос. ежегод. науч.-практ. конф. : сб. статей. Киров, 2017. С. 1875–1882.

⁸           Плотников С. А., Черемисинов П. Н. Исследование свойств альтернативных топлив на основе рапсового масла // Общество, наука, инновации (НПК-2017) : Всерос. ежегод. науч.-практ. конф. : сб. статей. Киров, 2017. С. 1875–1882.

 

About the authors

Sergey А. Plotnikov

Vyatka State University

Author for correspondence.
Email: PlotnikovSA@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-8887-4591
ResearcherId: R-8491-2016

Dr.Sci. (Engr.), Professor of the Chair of Mechanical Engineering Technology

Russian Federation, 36 Moskovskaya St., Kirov 610000

Anatoly N. Kartashevich

Belarusian State Agricultural Academy

Email: vestnik_mrsu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3649-1521

Dr.Sci. (Engr.), Professor, Head of the Chair of Tractors, Automobiles and Environmental Engineering Machines

Belarus, Michurin St., Gorki 213410, Republic of Belarus

Georgiy E. Zabolotskikh

Vyatka State University

Email: zabolotskikh88@yandex.ru
ResearcherId: GWV-5405-2022

Postgraduate Student of the Chair of Mechanical Engineering Technology

Russian Federation, 36 Moskovskaya St., Kirov 610000

References

Supplementary files