УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВ РАПСОВОГО МАСЛА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ДИЗЕЛЬНОМ ДВИГАТЕЛЕ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Исследования проводили с целью улучшения химмотологических свойств чистого рапсового масла, используемого в дальнейшем в качестве дизельного топлива, до уровня, максимально приближенного к традиционному топливу на основе нефти. В экспериментах определяли изменение вязкости рапсового масла и его пригодности для использования в качестве дизельного топлива после предварительной обработки по гидротермальной технологии. Обработку масла проводили на макетном образце установки для улучшения химмотологических качеств дизельного топлива из растительных масел в течение 5 минут при давлении в реакторе от 70 до 90 атм. и температуре от 70 до 130℃. После этого их пропускали через активатор жидкости, установленный на выходе из реактора, который благодаря рассекателям, расположенным на пути движения потока, обеспечивал формирование смеси газообразной и жидкой фракций, обладающей повышенной реакционной способностью. Сравнение эффективности использования в качестве топлива рапсового масла, обработанного таким образом, с чистым рапсовым маслом холодного отжима осуществляли на стендовом оборудовании. Гидротермальная деструкция рапсового масла холодного отжима обеспечивает снижение его кинематической вязкости на 16,4 %. Топливо из такого подвержено лучшей самовоспламеняемости в цилиндре двигателя, о чем свидетельствует уменьшение объема попадания рапсового масла в картер на 40 % и снижение его расхода в среднем на 6 %, по сравнению с обычным рапсовым маслом холодного отжима. Улучшение химотологических свойств рапсового масла до уровня, приближенного к дизельному топливу, позволяет рассматривать возможности его использования без значительных капиталовложений в переоборудование техники

Ключевые слова:
растительные масла, рапсовое масло, вязкость, моторное топливо, топливная система, активатор топлива, химмотологические качества топлива
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

Анализ результатов различных исследований свидетельствует, что практически все технические проблемы, возникающие на разных стадиях жизненного цикла биологических видов моторного топлива, обусловлены некоторыми отличиями их физико-химических и эксплуатационных свойств от свойств моторного топлива на основе нефти [1, 2, 3]. При этом среди главных из них можно выделить повышенную плотность и кинематическую вязкость, косвенно характеризующие испаряемость топлива – эксплуатационное свойство, влияющее на такие параметры процессов топливоподачи и смесеобразования, как текущая и средняя скорости впрыска; общее количество впрыскиваемого топлива; распределение, глубина и характеристики факела впрыскиваемого топлива; интенсивность смесеобразования и температура самовоспламенения [4, 5, 6]. Для изменения химмотологических качеств рапсового масла проводили эксперименты с выделением фенольных смол с использованием микроволн [7], предпринимали попытки синтеза биодизельного топлива или алкилового эфира жирных кислот путем переэтерификации метилформиатом [8], исследовали превращения рапсового масла в метиловые эфиры жирных кислот и триацетин путем обработки сверхкритического метилацетата с использованием его в качестве реакционного растворителя при производстве биодизельного топлива [9]. 

Среди направлений повышения эффективности использования чистого рапсового масла в качестве топлива и снижения его негативного воздействия на топливную систему и систему смазки двигателя можно назвать разработку адаптированных ТНВД и оптимизацию характеристик впрыска, доработку камер сгорания и улучшение характеристик смесеобразования, разработку систем подогрева топливного бака и топливопроводов [10, 11]. Однако решение этих задач связано с определенными экономическими и временными затратами.

Цель наших исследований – улучшение химмотологических свойств чистого рапсового масла, используемого в дальнейшем в качестве дизельного топлива, для снижения его попадания в картерное масло до уровня, максимально приближенного к традиционному топливу на основе нефти.

Условия, материалы и методы исследований. Вязкость рапсового масла можно уменьшать путем физического воздействия. При нагревании до 80 °С она достигает уровня, соответствующего вязкости товарного дизельного топлива [14]. Однако до такой температуры рапсовое масло должно нагреваться с использованием технических средств, установленных на автотракторной технике. В нашем исследовании была предпринята попытка доведения его физико-химических свойств до необходимого уровня в стационарных условиях.

Для уменьшения вязкости биологических видов моторного топлива, в нашем случае рапсового масла (ГОСТ 8988-77), разработа 

технология и комплекс технических решений, включающий макетный образец установки для улучшения химмотологических качеств дизельного топлива из растительных масел (рис. 1) с использованием гидротермальных процессов и активатора жидкости с различными сечениями каналов и количеством рассекателей [12, 13].

При работе макетного образца установки рапсовое масло из топливного бака нагнетали в реактор (металлическая колба с толщиной стенок 10 мм), способный выдерживать давление до 150 атмосфер, насосом высокого давления НШ-8, приводимым в действие от трехфазного электродвигателя. Давление в реакторе поддерживали насосом высокого давления НШ-8, настройку осуществляли через механический пружинный клапан, регулирующий давление потока на впуске в реактор. Объем реактора равен 6 л, рапсовым маслом заполняли 4 л. Далее проводили его нагрев с помощью нагревателя, установленного в реакторе, со скоростью 20 ℃ в минуту при необходимом давлении. Для определения влияния температуры и давления на физико-химические свойства рапсового масла провели три опыта с разными величинами этих параметров: соответственно 70 ℃ и 70 атм.; 90 ℃ и 80 атм.; 130 ℃ и 90 атм. Учитывая малую изученность этих вопросов, шаг в несколько десятков пунктов был выбран с целью снижения погрешности.

Температуру реактора измеряли термопарой, установленной совместно с электрическим подогревателем внутри реактора [15], и поддерживали на заданном уровне (± 5 ℃) в течение 5 минут. После чего система управления открывала электронный клапан на выходе из ректора. Жидкость проходила через активатор (рис. 2), состоящий из корпуса 1, который может иметь любую геометрическую форму, с каналом, также любой формы, в котором размещены два или более рассекателей 2. Поток рапсового масла попадал на острые кромки рассекателей, расположенные на пути его движения. Это сопровождалось появлением смеси газообразной и жидкой фракций, обладающей повышенной способностью к протеканию химических реакций [13]. Механическая деструкция топлива, представляющего собой объемную смесь длинных углеводородных цепочек, сводится к их разрыву. При этом образуются свободные радикалы, которые способны более активно вступать в реакцию с другими элементами, в частности с кислородом, что и обеспечивает улучшение сгорания активированного масла.

 

Активированное рапсовое масло поступало в мерный стакан объемом 1 л, времени его наполнения (от 5 до 10 с в зависимости от давления в реакторе) было достаточно для снижения вязкости, так как необходимое воздействие происходит очень быстро.

После этого образцы рапсового масла помещали в прозрачную баню TAMSON TV2000 и с помощью вискозиметра «Cannon-Fenske Routine» с диапазоном измерения 20…100 мм2/с определяли время истечения жидкости через две контрольные точки (постоянная вискозиметра (К) при 20 ℃ для первой отметки (К1) составляла 0,13516 мм22, для второй (К2) – 0,09568 мм22). Затем рассчитывали кинематическую вязкость по формуле:

 

 

где V – кинематическую вязкость жидкости, мм2/с;

t время истечения жидкости, с;

q ускорение свободного падения, м/с2.

С целью оценки изменения пригодности рапсового масла для использования вместо традиционного дизельного топлива были проведены сравнительные стендовые испытания на двигателе Минского моторного завода ММЗ Д-243 (4-х цилиндровый, рядный, вертикальный с непосредственным впрыском, диаметр цилиндра – 110 мм, ход поршня – 125 мм, рабочий объем двигателя – 4750 см3, степень сжатия – 16:1, номинальная мощность – 59,6 кВт, номинальная частота вращения двигателя – 1750 об/мин). Эксперименты осуществляли в лаборатории на нагрузочном стенде для двигателей с мощностью до 165 кВт Dynas3 HT (High Torque) – HT 165, укомплектованном приборами, обеспечивающими точность измерений в соответствии с ГОСТ 18509, расход топлива определяли с использованием расходомера фирмы AVL.

Испытания проводили в течении восьми часов со снятием характеристик на холостом ходу при частоте вращения коленчатого вала двигателя в диапазоне от 800 до 2300 мин-1 и регулировочных характеристиках с незначительной нагрузкой на шестнадцати режимах (точках). Более продолжительные испытания могли вызвать попадание в картер двигателя критических объемов масла и привести к гидроудару.

Предварительно двигатель прогревали до рабочей температуры, после чего картерное масло сливали (в течение 3 ч). Затем в картер заливали 12 л свежего минерального масла М-10ДМ SAE 30 (рекомендация завода изготовителя) и прогревали двигатель до рабочей температуры на дизельном топливе. После этого он в течение восьми часов работал на холостом ходу на рапсовом масле в качестве топлива. Затем картерное масло опять полностью сливали (в течение 3 ч). Далее программу испытаний повторяли с использованием в качестве топлива рапсового масла после деструкции и активации. При проведении последующих расчетов угаром картерного масла пренебрегли из-за низкой нагрузки. Кроме того, в процессе работы на холостом ходу, часть не сгоревшего рапсового масла попадала в выпускной коллектор (количественные измерения не проводили).

Анализ и обсуждение результатов исследований. Использование макетного образца установки для улучшения химмотологических качеств дизельного топлива из растительных масел обеспечило снижение кинематической вязкости рапсового масла холодного отжима в зависимости от варьирования температуры и давления в реакторе на 3,1…16,4 % (табл. 1).

Результаты стендовых испытаний по определению влияния рапсового масла в качестве топлива на систему смазки двигателя ММЗ Д-243 показали, что при использовании обычного рапсового масла объем картерного масла увеличился на 3,21 л. При его замене на рапсовое масло, подвергнутое гидротермальной деструкции, в картер двигателя попадало 1,92 л, что на 40 % меньше.

 Расчет часового расхода (табл. 2), проведенный по данным экспериментальных измерений, показал, что в среднем за 8 ч работы двигателя на холостом ходу замена обычного рапсового масла в качестве топлива на активированное обеспечила его снижение на 6 %.

Сравнение результатов представленного исследования с данными, полученными ранее при испытании системы адаптации дизельного двигателя для работы на рапсовом масле холодного отжима [16], свидетельствует о возможности снижения себестоимости использования растительных масел в качестве моторного топлива для дизельных ДВС путем уменьшения затрат на адаптацию элементов системы питания.

С учетом того, что в современных условиях затраты на топливо составляют до 20…30 % себестоимости сельхозпродукции, использование в таком качестве рапсового масла обеспечит ее значительное уменьшение и принесет дополнительную прибыль от реализации отходов производства рапсового масла (жмыха и шрота), которые представляют собой высокопротеиновый кормовые добавки для животноводства [16, 17].

Выводы. Гидротермальная деструкция рапсового масла холодного отжима обеспечивает снижение его кинематической вязкости на 16,4 %. Топливо из такого масла обладает улучшенными химмотологическими качествами и подвержено лучшей самовоспламеняемости в цилиндре двигателя, о чем свидетельствует уменьшение объема попадания рапсового масла в картер на 40 % и снижение расхода в среднем на 6 %, по сравнению с использованием в виде топлива обычного рапсового масла холодного отжима. 

Улучшение химмотологических свойств рапсового масла до уровня, приближенного к дизельному топливу, позволяет рассматривать возможности его использования без значительных капиталовложений в переоборудование техники. Это, в свою очередь, будет способствовать расширению масштабов применения дизельного топлива из растительных масел, снижению антропогенной нагрузки на окружающую среду и уменьшению себестоимости готовой продукции.

 

Список литературы

1. Bietresato M., Friso D. Durability test on an agricultural tractor engine fuelled with pure biodiesel (B100) // Turk J Agric For. 2014. Vol. 38. Pp. 214-223. doi:10.3906/tar-1302-51

2. Vegetable Oils as Fuels in Diesel Engine / А. Corsini, A. Marchegiani, F. Rispoli, et al. // Engine Performance and Emissions. Energy Procedia. 2015. Vol. 81. Pp. 942-949 doi: 10.1016/j.egypro.2015.12.151

3. Dabi M., Saha U.K. Application potential of vegetable oils as alternative to diesel fuels in compression ignition engines: a review // Journal of the Energy Institute. 2019. Vol. 92. Pp. 1710-1726, doi: 10.1016/j.joei.2019.01.003

4. Biodiesel Production Process, Optimization and Characterization of Azadirachta indica Biodiesel in a VCR Diesel / R. Datla, R.K. Puli, V.P. Chandramohan, et al. // Engine Arab J Sci. Eng. 2019. Vol. 44. No. 12. Pp. 10141-10154, doi: 10.1007/s13369-019-04072-6

5. Fink R., Medved S. Global perspectives on first generation liquid biofuel production // Turk J Agric For. 2011. Vol. 35. Pp. 453-459 doi:10.3906/tar-1005-905

6. Effect of low load combustion and emissions on fuel dilution in lubricating oil and deposit formation of DI diesel engines fueled by straight rapeseed oil / Y. Kidoguchia, Y. Nadaa, S. Sangawaa, et al. // Fuel. 2018. Vol. 221. Pp. 35-43 doi: 10.1016/j.fuel.2018.01.031

7. Understanding of the Role of Pretreatment Methods on Rapeseed Oil from the Perspective of Phenolic Compounds / Y. Xu, F. Jiang, J. Song, et al. // Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2020. Vol. 68. No. 33. 8847-8854. doi: 10.1021/acs.jafc.0c03539

8. Abelniece Z., Laipniece L., Kampars V. Biodiesel production by interesterification of rapeseed oil with methyl formate in presence of potassium alkoxides // Biomass Conv Bioref. 2020. doi: 10.1007/s13399-020-00874-z

9. Saka S., Isayama Y. A new process for catalyst-free production of biodiesel using supercritical methyl acetate // Fuel. 2009. Vol. 88. Pp. 1307-1313. doi: 10.1016/j.fuel.2008.12.028

10. Conservation agriculture to promote inland biofuel production in Italy: An economic assessment of rapeseed straight vegetable oil as a self-supply agricultural biofuel / M. Viccaroa, M. Cozzia, B. Rocchib, et al. // J. Clean. Prod. 2019. Vol. 217. Pp. 153-161. doi: 10.1016/j.jclepro.2019.01.251

11. Yilmaz N., Morton B. Comparative characteristics of compression ignited engines operating on biodiesel produced from waste vegetable oil // Biomass and Bioenergy. 2011. Vol. 35. No 5. Pp. 2194-2199 doi: 10.1016/j.biombioe.2011.02.032.

12. Измайлов АЮ., Лобачевский Я.П., Сизов О.А. Использование ресурсосберегающих биоактивных технологических процессов обработки почвы в интеллектуальных машинных технологиях // Инновационное развитие АПК России на базе интеллектуальных машинных технологий: сборник научных докладов Международной науч.-технич. конф. М., 2014. С. 16-20.

13. Шор Б. И. Активатор жидкости. Патент на изобретение РФ 2685629C2, 24.05.2017

14. Количественные соотношения и свойства смесевых систем углеводородного состава для дизельного двигателя / Ю. В. Панков, Л.А. Новопашин, Л. В. Денежко и др. // Аграрный вестник Урала. 2016. № 12 (154). С. 72-76.

15. Овчинников Е.В., Уютов С.Ю., Шевелев С.С. Использование рапсового масла в качестве топлива// Сельскохозяйственная техника: обслуживание и ремонт. 2019. № 10. С. 25-29.

16. Использование рапсового масла в дизельных двигателях в качестве топлива / С.Ю. Уютов, Е.В. Овчинников, М.Н. Кочетков и др. // Инновации в сельском хозяйстве. 2018. №10. С. 457-461

17. Перспективная ресурсосберегающая технология производства ярового рапса: метод. рекомендации / В.В. Карпачев, В.П. Савенков, В.И. Горшков и др. // М.: Росинформагротех, 2008. С. 49-51.

Войти или Создать
* Забыли пароль?