Вязкостно-температурные свойства многокомпонентного смесевого биодизельного топлива

Аннотация

Изучены вязкостно-температурные свойства смесевого биодизельного топлива на основе рапсового масла с использованием этанола и изопропанола в качестве разбавляющих присадок.

Полный текст

Широкое распространение среди альтернативных видов топлива для автомобилей с дизельными двигателями получили смеси дизельного топлива (ДТ) и метиловых эфиров рапсового масла (МЭРМ). Учитывая проблемы, связанные, во-первых, с финансовыми затратами на производство МЭРМ, во-вторых, с низкой экологичностью производственных процессов и, в-третьих, с сильной химической активностью МЭРМ, стоит задуматься об использовании более выгодных смесевых топлив. Например, смеси ДТ и чистого рапсового масла (РМ) с применением дешевых присадок. В данной статье описаны экспериментальные исследования вязкостно-температурных свойств многокомпонентного смесевого биодизельного топлива. Исследования в области практического применения смесевого биодизельного топлива на основе РМ показывают, что, с одной стороны, увеличение концентрации РМ СРМ в смеси способствует улучшению показателей токсичности отработавших газов. С другой стороны, слишком высокая концентрация РМ требует внесения изменений в конструкцию топливной аппаратуры в связи со значительным повышением кинематической вязкости смеси. Вязкость смесевого биотоплива сильно зависит от его температуры, поэтому для разжижения слишком густой смеси ее предварительно подогревают. Изменения в конструкции топливной системы требуют определенных экономических и трудовых затрат. Избежать этого можно с помощью присадок, уменьшающих вязкость смесевых топлив без теплового воздействия. В качестве таких присадок могут быть использованы предельные одноатомные спирты (этанол, метанол, изопропанол), которые благодаря своим физико-химическим свойствам служат эффективными разбавителями [1]. Для изучения воздействия предельных спиртов на вязкость смесей ДТ и РМ на кафедре эксплуатации автотранспортных средств РУДН был проведен ряд лабораторных исследований. Изучались свойства наиболее распространенных и доступных спиртов - изопропанола и этанола (метанол также подходит в качестве разбавителя топлива, но из-за его токсичности и вреда для здоровья человека применение этого спирта требует строгих мер безопасности и высоких энергозатрат). В первом эксперименте изучались зависимости плотности ρ и кинематической вязкости ν чистого ДТ и его смесей с РМ в различных пропорциях от температуры. Объемная доля РМ в смесях с ДТ составляла 10, 20 и 30%. Эти смеси обозначены соответственно как РМ-10, РМ-20 и РМ-30. Для измерения плотности биодизельных смесей использовался ареометр, для измерения вязкости - вискозиметр Гесса с постоянной колбы с = 0,3463 (колба № 1075). Шаг замера составлял 10°С. Результаты опытов представлены на рис. 1. Как видно из рис. 1, кинематическая вязкость смесей ДТ и РМ значительно выше вязкости чистого ДТ. Следовательно, для надежной бесперебойной работы топливной системы и уменьшения мощности, затрачиваемой на ее привод, при большой концентрации РМ в смеси с ДТ рекомендуется либо повышать температуру смеси на входе в топливный насос высокого давления, либо уменьшать вязкость за счет добавления разбавляющих присадок (спиртов). По ГОСТ 305-82 (далее ГОСТ) плотность топлива для дизельных двигателей должна быть в пределах 860 кг/м3, а вязкость не должна превышать 6 мм2/с при 20°С [2]. По рис. 1 видно, что максимальная концентрация РМ в смеси не может превышать 10% по значению вязкости (5,97 мм2/c). Плотность смеси РМ-10 (841 кг/м3) находится в пределах нормы по ГОСТу. Дальнейшее увеличение объемной концентрации масла в смеси и, соответственно, вязкости, неблагоприятно влияет на работу топливного насоса высокого давления и двигателя: слишком вязкое топливо туго проходит по топливным шлангам, плохо распыляется и быстро выводит из строя форсунки. Для увеличения содержания РМ в смесях использовались два разбавителя - этиловый и изопропиловый абсолютированные спирты. В смеси, плотность и кинематическая вязкость которых превышала значения по ГОСТу, добавлялось по 5, 10 и 15% спирта. Сначала исследовалась разбавляющая способность этанола как наиболее распространенного и доступного спирта. Этанол - это одноатомный спирт с формулой C2H5OH. При нормальных условиях он представляет собой бесцветную летучую жидкость с характерным запахом. Температура кипения составляет 78,4°С, плотность - 789 кг/м3 [3]. Получают этанол путем гидратации этилена или брожения, после чего он проходит очистку (фракционную перегонку) для промышленного применения. Фракционная перегонка освобождает этанол как от легколетучих, так и от тяжелых фракций органических веществ и позволяет получить этиловый спирт с концентрацией около 95,6% мас. В итоге получается неразделимая азеотропная смесь, содержащая 4,4% воды. Такой спирт не подходит для применения в качестве добавки к топливу, поэтому его подвергают обработке специальными поглощающими воду веществами (негашеной известью или прокаленным медным купоросом), получая абсолютированный спирт. Добавление абсолютированного этанола в смеси ДТ и РМ при температуре 20°С сопровождается расслаиванием биотоплива. То же самое происходит в температурном диапазоне от 25 до 35°С. И только при 40°С этанол полностью смешивается с ДТ и РМ. Следовательно, для стабильной работы на смесевом биодизельном топливе, содержащем этанол в качестве разбавляющего компонента, необходим его предварительный прогрев до 40°С. В третьем эксперименте в качестве разбавляющей добавки использовался изопропиловый спирт (ИПС) - простейший вторичный одноатомный спирт с формулой CH3CH(OH)CH3. Он широко применяется как технический спирт в средствах для чистки стекол и оргтехники, как растворитель в промышленности. В ИПС хорошо растворяются многие эфирные масла, алкалоиды, некоторые синтетические смолы и другие химические соединения. Температура кипения ИПС (82,4°С) выше, чем у этанола, а плотность ниже (785 кг/м3) [3]. Для исследования влияния ИПС на плотность и кинематическую вязкость были взяты смеси ДТ, РМ-5, РМ-10, РМ-15 и РМ-20 с ИПС в количестве 5, 10 и 15% об. В отличие от этанола, смешивание 5 и 10% ИПС с ДТ и РМ при температуре 20°С проходит без расслаивания биотоплива. Смешивание ДТ и РМ с 15% ИПС и более сопровождается расслаиванием, поэтому объем ИПС в исследуемых биотопливных смесях не превышает 10%. Результаты опытов представлены на рис. 2. Как видно из рис. 2, кинематическая вязкость РМ-15 падает с 7,4 до 6 мм2/c при добавлении 5% ИПС, а плотность - с 845 до 840 кг/м3, что не выходит за рамки ГОСТа. Отметим, что вязкость РМ-20 при добавлении 10% ИПС снижается до уровня, регламентированного ГОСТом, - с 9 до 6 мм2/c. Плотность при этом падает с 849 до 841 кг/м3, что также в рамках ГОСТа. Результаты проведенных экспериментов подтверждают предположение о том, что изопропиловый спирт можно использовать в качестве разбавляющего компонента смесевого биодизельного топлива для увеличения содержания рапсового масла в смеси. Для обоснования этого предположения необходимо провести еще ряд исследований с целью изучения влияния ИПС в смеси на экономические (часовой расход топлива Gт, удельный эффективный расход топлива ge) и силовые (эффективная мощность Ne, крутящий момент Me) показатели работы двигателя. Также необходимо проанализировать концентрации токсичных веществ (оксидов азота, монооксида углерода и несгоревших углеводородов) в отработавших газах при работе на смесях ДТ и РМ, содержащих 5 и 10% ИПС. После этих исследований возможна более точная коррекция процентного соотношения всех компонентов смесевого биодизельного топлива с целью его максимальной оптимизации по эксплуатационным характеристикам.