Investigation of diesel engine operation on diesel fuel and soybean oil mixtures

Abstract

Specific features of application of biofuels with soybean oil in diesel engines are considered. Results of experimental research of Д-245.12С vehicle diesel engine operating on diesel fuel and soybean oil mixtures are given. Dependence of fuel economy and exhaust gases toxicity characteristics on mixed biofuel composition is shown.

Full Text

УДК 621.436 ТСМ № 11-2014 Исследование работы дизеля на смесях дизельного топлива и соевого масла Д-ра техн. наук В.А. Марков (МГТУ им. Н.Э. Баумана, markov@power.bmstu.ru), С.Н. Девянин (РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева), студ. В.А. Неверов (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Аннотация. Рассмотрены особенности применения в дизелях биотоплив, получаемых с использованием соевого масла. Представлены результаты экспериментальных исследований транспортного дизеля типа Д-245.12С, работающего на смесях дизельного топлива и соевого масла. Показана зависимость показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов (ОГ) от состава смесевого биотоплива. Ключевые слова: дизельный двигатель, дизельное топливо, соевое масло, смесевое биотопливо. Альтернативные моторные топлива находят все большее применение на транспорте и в сельском хозяйстве. В Европе к 2020 г. планируется перевести около четверти всего автомобильного парка на альтернативные топлива [1]. К наиболее перспективным из них можно отнести синтетические топлива, получаемые из природного газа, угля и других углеводородных ресурсов, биодизельное топливо, биоэтанол, биогаз, водород. Необходимость широкого использования альтернативных топлив обусловлена истощением мировых запасов нефти, нарастающим дефицитом нефтепродуктов и повышением цен на традиционные нефтяные моторные топлива. Другая причина интенсивных поисков альтернативных энергоносителей - постоянно ужесточающиеся требования к токсичности ОГ двигателей [2, 3]. Применительно к дизельным двигателям автотракторного типа в качестве перспективных энергоносителей рассматриваются топлива, производимые из растительных масел [4-6]. Это объясняется простотой и экологичностью процесса получения растительных масел, их сравнительно невысокой стоимостью и приемлемой воспламеняемостью в условиях камеры сгорания дизеля. В связи с этим возможна работа дизелей на указанных биотопливах без существенных конструкционных изменений двигателей и их систем. Источником растительных масел служат масличные культуры, в разных частях которых, главным образом в семенах или плодах, содержатся растительные жиры. К масличным относится более 150 видов растений: собственно масличные культуры (соя, подсолнечник, рапс) и растения, из которых масла выделяются как побочный продукт при промышленном использовании (хлопчатник, лен-долгунец, конопля). Масличные занимают значительное место в с.-х. производстве, причем вырабатываются как пищевые растительные масла, так и используемые для различных технических целей. Наиболее значимы такие виды масел, как пальмовое, соевое, рапсовое, подсолнечное, кукурузное и др. (рис. 1) [6]. Начиная с 2004-2005 гг. лидером на мировом рынке стало пальмовое и пальмоядровое масло. Второе место по объемам производства занимает соевое масло. В последние годы рынок растительных масел отличался высоким динамизмом. К 2000 г. мировой объем их ежегодного производства достиг 80 млн т, а к 2013 г. он вырос до 150 млн т, причем суммарное производство трех видов масел - соевого, рапсового и подсолнечного - составило около 80 млн т в год (рис. 2, а) [7]. К ведущим производителям сои относятся США, Бразилия, Аргентина и Китай. Рапс выращивается в Западной и Центральной Европе (Австрии, Германии, Франции, Чехии, России), некоторых районах Азии (в первую очередь в Китае и Индии) и Канаде. Подсолнечник культивируют в России, Украине, Испании, Австрии, США, Канаде. Российский рынок растительных масел (рис. 2, б) имеет некоторые особенности. Наиболее распространенным традиционно остается подсолнечное масло [8] - около 70% от общего объема производства растительных масел. В 2000 г. в нашей стране под этой с.-х. культурой было занято около 4,6 млн га, а валовой сбор семян подсолнечника составил около 4 млн т при средней урожайности 9 ц/га [6]. Сегодня производство подсолнечного масла в России достигло уровня 3 млн т в год. Соевое и рапсовое масла пока вырабатываются в существенно меньших объемах, но налицо тенденция увеличения их производства, вызванная в т.ч. и ростом производства получаемых из них альтернативных моторных топлив. Сравнительный анализ возможностей использования соевого, рапсового и подсолнечного масел в качестве моторного топлива показывает, что по урожайности эти масличные культуры весьма схожи: с 1 га посевных площадей собирают до 3 т семян рапса, 1,6-2,7 т сои, 2,4-3,2 т семян подсолнечника [6]. На мировом рынке цена на соевое масло немного ниже, чем на рапсовое и подсолнечное (в конце 2010 г. на рынке Северной Европы эти цены составляли соответственно 1300, 1400 и 1450 долл. США за тонну). Следует отметить тенденцию резкого увеличения выработки соевого масла в России: если в 2007 г. его было произведено лишь около 50 тыс. т, то в 2012 г. - уже 320 тыс. т, т.е. за пять лет производство возросло более чем в шесть раз. Как отмечено выше, соевое масло (СМ) занимает ведущее место в мировом производстве растительных масел. Оно широко применяется в пищевой промышленности для производства различных продуктов питания. Высокая температура начала дымообразования СМ позволяет использовать его для жарки. Вместе с маслом из семян сои извлекают лецитин, который отделяют для использования в кондитерской и фармацевтической промышленности. СМ может использоваться и для обогащения кормов при приготовлении комбикормовых смесей для кормления кур, индейки и прочих животных. Существует два технологических способа получения СМ: механический (холодный и горячий отжим) и экстракционный (растворение масел органическими растворителями - бензином, гексаном, этанолом и их последующая очистка) [6, 9]. Вторым способом обычно получают техническое растительное масло, которое может применяться для производства биотоплива. По физико-химическим свойствам СМ близко к другим растительным маслам [6, 10-13]. В обычных условиях оно имеет плотность от 915 до 930 кг/м3, кинематическую вязкость при 20 °C от 59 до 72 мм2/с, температуру застывания от -15 до -18 °C, йодное число от 120 до 141. Многие свойства СМ близки к свойствам нефтяных дизельных топлив (ДТ), что позволяет использовать его в качестве моторного топлива без внесения существенных изменений в конструкцию двигателя. В качестве топлива для дизелей возможно применение чистого СМ или его смесей с ДТ. Из СМ получают метиловый, этиловый или бутиловый эфиры, которые используют либо в качестве самостоятельных топлив, либо в смесях с нефтяными топливами [14, 15]. В сельской местности, где отсутствует инфраструктура для производства указанных эфиров, наиболее удобным способом применения этого масла в качестве моторного топлива представляется работа дизеля на смесях ДТ и СМ с небольшим содержанием последнего. Эти два компонента хорошо смешиваются в любых пропорциях, образуя стабильные смеси. Известны исследования дизелей, работающих на СМ и его смесях с ДТ, проведенные некоторыми зарубежными двигателестроительными фирмами [16-21]. Проблема же использования СМ в качестве экологической добавки к нефтяным топливам для отечественных дизелей изучена недостаточно. При этом использование в качестве моторного топлива смесей ДТ и СМ с небольшим содержанием последнего имеет ряд преимуществ по сравнению с работой дизеля на чистом СМ. В частности, подбором состава этих смесей можно обеспечить их физико-химические свойства, близкие к свойствам стандартного ДТ. Для оценки возможности использования СМ в качестве экологической добавки к ДТ проведены экспериментальные исследования дизеля Д-245.12С (4 ЧН 11/12,5) Минского моторного завода, устанавливаемого на малотоннажные грузовые автомобили ЗиЛ-5301 «Бычок». Параметры дизеля приведены в табл. 1. Таблица 1 Параметры дизеля Д-245.12С (4 ЧН 11/12,5) Параметры Значение Тип двигателя Четырехтактный, рядный, дизельный Число цилиндров 4 Диаметр цилиндра, мм 110 Ход поршня, мм 125 Общий рабочий объем, л 4,32 Степень сжатия 16 Система турбонаддува Турбокомпрессор ТКР-6 Борисовского завода автоагрегатов Тип камеры сгорания, способ смесеобразования Камера сгорания типа ЦНИДИ, объемно-пленочное смесеобразование Номинальная частота вращения, мин-1 2400 Номинальная мощность, кВт 80 Механизм газораспределения Клапанного типа с верхним расположением клапанов Система охлаждения Водяная принудительная Система смазки Принудительная с разбрызгиванием Масляный фильтр Сетчатый Масляный насос Шестеренчатый Система питания Разделенного типа Топливный насос высокого давления (ТНВД) Рядный типа PP4M10U1f фирмы Motorpal с всережимным центробежным регулятором Диаметр плунжеров ТНВД, мм 10 Ход плунжеров ТНВД, мм 10 Длина нагнетательных топливопроводов, мм 540 Форсунки Типа ФДМ-22 производства ОАО «Куроаппаратура», г. Вильнюс Распылители форсунок Фирмы Motorpal типа DOP 119S534 с пятью сопловыми отверстиями диаметром 0,34 мм и проходным сечением 0,25 мм2 Давление начала впрыскивания форсунок, МПа 21,5 Дизель исследован на моторном стенде АМО «ЗиЛ» на режимах внешней скоростной характеристики и 13-ступенчатого испытательного цикла Правил 49 ЕЭК ООН с установочным углом опережения впрыскивания топлива (УОВТ) q=13o поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки и неизменным положением упора дозирующей рейки (упора максимальной подачи топлива). Моторный стенд был оборудован комплектом необходимой измерительной аппаратуры. Дымность ОГ измерялась с помощью ручного дымомера MK-3 фирмы Hartridgе (Великобритания) с погрешностью ±1%. Концентрации NOx , CO, CHx в ОГ определялись газоанализатором SAE-7532 японской фирмы Yanaco с погрешностью ±1%. Исследовались товарное ДТ и его смеси с СМ (до 20%). Некоторые физико-химические свойства ДТ, СМ и их смесей представлены в табл. 2. Таблица 2 Физико-химические свойства исследуемых топлив Свойства ДТ СМ Смесь 91% ДТ и 9% СМ Смесь 87% ДТ и 13% СМ Смесь 80% ДТ и 20% СМ Плотность при 20 оС, кг/м3 830 923 838,4 842,1 848,6 Кинематическая вязкость при 20 оС, мм2/с 3,8 65 5 6 8 Коэффициент поверхностного натяжения при 20 оС, мН/м 27,1 33 - - - Низшая теплота сгорания, кДж/кг 42500 37300 42030 41820 41460 Цетановое число 45 38 - - - Температура самовоспламенения, оС 250 310 - - - Температура помутнения, оС -25 -10 - - - Температура застывания, оС -35 -18 - - - Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 14,16 12,38 14,13 14,04 13,93 Содержание, % по массе - С - Н - О 87 12,6 0,4 77,5 11,5 11 86,1 12,5 1,4 85,8 12,4 1,8 85,1 12,4 2,5 Общее содержание серы, % по массе 0,2 0,005 0,182 0,175 0,161 Примечание: «-» - свойства не определялись; для смесей указано объемное процентное содержание компонентов. На первом этапе исследований проведены испытания дизеля Д-245.12С на режимах внешней скоростной характеристики на чистом ДТ и на смеси 80% ДТ и 20% СМ. Это смесевое биотопливо имеет физические свойства, приближающиеся к свойствам ДТ, но его плотность и вязкость все-таки несколько выше, чем у ДТ (см. табл. 2). Поэтому при переходе от ДТ к исследуемому смесевому биотопливу отмечено небольшое увеличение часового расхода топлива Gт и уменьшение коэффициента избытка воздуха α. Однако крутящий момент двигателя и его эффективная мощность изменились незначительно (рис. 3 и табл. 3). Таблица 3 Показатели дизеля Д-245.12С, работающего на нефтяном ДТ и его смесях с СМ Показатели дизеля ДТ Смесь 91% ДТ и 9% СМ Смесь 87% ДТ и 13% СМ Смесь 80% ДТ и 20% СМ Часовой расход топлива Gт , кг/ч: - на режиме максимальной мощности - на режиме максимального крутящего момента 20,1 13,1 20,4 13,01 20,19 13,09 20,39 13,47 Крутящий момент дизеля Ме , Н·м: - на режиме максимальной мощности - на режиме максимального крутящего момента 322 368 320 361 318 362 320 368 Удельный эффективный расход топлива gе , г/(кВт×ч) - на режиме максимальной мощности - на режиме максимального крутящего момента 248,4 226,2 253,6 229,1 253,1 230,9 253 232,2 Эффективный КПД дизеля hе : - на режиме максимальной мощности - на режиме максимального крутящего момента 0,341 0,374 0,338 0,374 0,34 0,373 0,343 0,374 Дымность ОГ Kx : - на режиме максимальной мощности - на режиме максимального крутящего момента 16 43 10 31 9 28 8 27 Интегральные эффективные показатели двигателя на режимах 13-ступенчатого цикла: - эффективный расход топлива gе усл , г/(кВт×ч) - эффективный КПД ηе усл 247,97 0,342 251,42 0,341 252,3 0,341 255,15 0,34 Интегральные удельные массовые выбросы на режимах 13-ступенчатого цикла, г/(кВт×ч): - оксидов азота eNOx - монооксида углерода eСО - несгоревших углеводородов eСНx 7,018 1,723 0,788 5,896 1,548 0,762 5,815 1,492 0,73 5,683 1,535 0,715 Из-за наличия в молекулах СМ атомов кислорода теплотворная способность смесевого биотоплива оказалась ниже, чем у ДТ. Это привело к тому, что на большинстве исследуемых режимов при использовании смеси 80% ДТ и 20% СМ удельный эффективный расход топлива gе оказался выше, чем при работе на ДТ (см. рис. 3 и табл. 3). В частности, при переходе с ДТ на указанное смесевое биотопливо на режиме максимальной мощности с частотой вращения коленчатого вала n=2400 мин-1 gе увеличился с 248,4 до 253 г/(кВт·ч), а на режиме максимального крутящего момента при n=1500 мин-1 - с 226,2 до 232,2 г/(кВт·ч). Но при этом эффективный КПД дизеля ηе на этих режимах не уменьшился, а на режиме максимальной мощности при n=2400 мин-1 даже несколько вырос (см. табл. 3). Наличие в молекулах СМ атомов кислорода привело к заметному уменьшению дымности ОГ Кх при работе дизеля на исследуемом смесевом биотопливе. Так, на режиме максимальной мощности при n=2400 мин-1 переход с ДТ на смесь 80% ДТ и 20% СМ сопровождался снижением Кх с 16 до 8% по шкале Хартриджа, а на режиме максимального крутящего момента при n=1500 мин-1 - с 43 до 27% (см. рис. 3 и табл. 3). Результаты экспериментальных исследований Д-245.12С на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла Правил 49 ЕЭК ООН представлены на рис. 4, 5. Как отмечено выше, использование рассматриваемого смесевого биотоплива привело к незначительному увеличению часового расхода топлива Gт. Так, при переводе дизеля с ДТ на смесь 80% ДТ и 20% СМ на режиме максимальной мощности при n=2400 мин-1 Gт вырос с 19,84 до 20,15 кг/ч, а на режиме максимального крутящего момента при n=1500 мин-1 - с 13,2 до 13,47 кг/ч (см. рис. 4). При использовании смесевого биотоплива отмечено значительное снижение концентрации в ОГ оксидов азота CNOх (см. рис. 5, а). Так, перевод дизеля с ДТ на смесь 80% ДТ и 20% СМ на режиме холостого хода при n=880 мин-1 сопровождался уменьшением CNOх с 0,01 до 0,008%, на режиме максимального крутящего момента при n=1500 мин-1 - с 0,07 до 0,059%, на режиме максимальной мощности при n=2400 мин-1 - с 0,0605 до 0,0515%. При использовании смесевого биотоплива на большинстве исследованных режимов отмечена тенденция снижения содержания в ОГ монооксида углерода CСO (см. рис. 5, б). Если на режиме холостого хода при n=880 мин-1 перевод дизеля с ДТ на смесь 80% ДТ и 20% СМ сопровождался увеличением CСO с 0,024 до 0,026%, то на режиме максимального крутящего момента при n=1500 мин-1 CСO снизилась с 0,033 до 0,024%, а на режиме максимальной мощности при n=2400 мин-1 - с 0,0102 до 0,009%. Применение исследуемого биотоплива оказывает положительное влияние и на концентрацию в ОГ несгоревших углеводородов ССНх (см. рис. 5, в). Это наиболее заметно на режимах со средними и большими нагрузками. Так, на режиме максимального крутящего момента при n=1500 мин-1 перевод дизеля с ДТ на смесь 80% ДТ и 20% СМ сопровождался снижением ССНх с 0,017 до 0,013%, а на режиме максимальной мощности при n=2400 мин-1 - с 0,0108 до 0,009%. Лишь на режиме холостого хода при n=880 мин-1 и на режимах с малыми нагрузками ССНх оказалась примерно одинаковой при работе на этих двух видах топлива. По приведенным на рис. 5 характеристикам содержания в ОГ газообразных нормируемых токсичных компонентов NОх, CO, CНх с использованием общепринятых методик рассчитаны их интегральные удельные массовые выбросы на режимах 13-ступенчатого цикла - соответственно еNОх, еCO, еCНх. Оценка эксплуатационного расхода топлива на режимах 13-ступенчатого цикла проведена по среднему (условному) удельному эффективному расходу топлива, который определялся с использованием данных рис. 4 и зависимости [6]: , где Gт i и Ne i - часовой расход топлива и эффективная мощность двигателя на i-м режиме; Ki - весовой коэффициент режима (доля времени работы двигателя на нем). Поскольку исследуемые смесевые биотоплива имеют меньшую теплотворную способность, топливная экономичность дизеля при его работе на этих топливах оценивалась не только удельным эффективным расходом топлива gе , но и эффективным КПД дизеля ηе . Причем для интегральной оценки работы дизеля на режимах 13-ступенчатого цикла использован условный эффективный КПД, определяемый по соотношению: , где HU - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг. Результаты расчетов указанных параметров представлены в табл. 3. Приведенные в табл. 3 данные подтверждают возможность улучшения экологических показателей дизеля Д-245.12С при его переводе с ДТ на смесь 80% ДТ и 20% СМ. Так, на режимах максимальной мощности и максимального крутящего момента при подаче в камеру сгорания дизеля смеси 80% ДТ и 20% СМ дымность ОГ снизилась на 37-50% по сравнению с использованием стандартного ДТ. При исследованиях дизеля на указанной смеси отмечено снижение на режимах 13-ступенчатого цикла интегральных удельных массовых выбросов всех трех газообразных нормируемых токсичных компонентов ОГ: eNOx - на 19%, с 7,018 до 5,683 г/(кВт×ч); eСO - на 10,9%, с 1,723 до 1,535 г/(кВт×ч); eСНх - на 9,3%, с 0,788 до 0,715 г/(кВт×ч). При этом условный эффективный КПД дизеля ηе усл остался практически неизменным (он уменьшился с 0,342 до 0,34, что соизмеримо с точностью его определения, см. табл. 3). Представленные на рис. 3-5 характеристики получены при испытаниях дизеля Д-245.12С на ДТ и смеси 80% ДТ с 20% СМ. Аналогичные характеристики определены и при испытаниях этого дизеля на смесях 91% ДТ с 9% СМ и 87% ДТ с 13% СМ. По результатам этих исследований определены на режимах 13-ступенчатого цикла интегральные показатели топливной экономичности и удельные массовые выбросы токсичных компонентов ОГ. Результаты приведены на рис. 6, 7 и в табл. 3. В диапазоне изменения содержания СМ в смесевом биотопливе СCМ от 0 до 20% отмечено увеличение удельного эффективного расхода топлива gе (см. рис. 6), составившее на режимах максимальной мощности и максимального крутящего момента Δgе=4…6 г/(кВт·ч). Это вызвано меньшей теплотворной способностью исследуемых смесевых биотоплив по сравнению с ДТ. Однако при этом эффективный КПД дизеля ηе изменялся очень незначительно. В рассматриваемом диапазоне изменения СCМ отмечено значительное снижение дымности ОГ Кх (см. рис. 6), составившее на режимах максимальной мощности и максимального крутящего момента соответственно 8 и 16% по шкале Хартриджа. Значения удельных массовых выбросов токсичных компонентов еNOx , еCO, еCHx , представленные на рис. 7 и в табл. 3, подтверждают их зависимость от концентрации СМ в смеси СCМ. При этом отмечено монотонное снижение этих выбросов во всем диапазоне увеличения СCМ. Лишь в диапазоне изменения СCМ от 13 до 20% отмечено небольшое увеличение еCO с 1,492 до 1,535 г/(кВт·ч). В заключение необходимо отметить, что указанное улучшение экологических показателей при использовании смесей ДТ и СМ получено без изменения конструкционных и регулировочных параметров дизеля Д-245.12С. Для достижения еще большего снижения выбросов токсичных компонентов ОГ и улучшения показателей топливной экономичности двигателя при его адаптации к работе на биотопливах необходимо совершенствование конструкции. В частности, целесообразно совершенствование проточной части распылителей форсунок для уменьшения длины струй топлива и их согласование с формой камеры сгорания, а также уточнение регулировочных параметров дизеля (в первую очередь - уточнение значений УОВТ и организация его регулирования при изменении свойств применяемого топлива). Следует также отметить, что для смесей ДТ и СМ может быть использовано соевое масло, полученное как побочный продукт производства белковых кормов для крупного рогатого скота. Для указанного технического использования подходят растительные масла из маслосемян, выращенных в неблагоприятных экологических условиях (земли рядом с автомобильными трассами, нефтехранилищами, экологически вредными производствами и др.). Сырьем для получения моторных топлив могут служить также низкокачественные и просроченные растительные масла, фритюрные масла - отходы пищевой промышленности и объектов общественного питания.