Research of viscosity characteristics of biofuels based on vegetable oils

Full Text

Введение В последние годы в связи с обострением энергетического кризиса и ростом дефицита нефтяных энергоносителей повышается интерес к биодизельным топливам [1, 2]. Это обусловлено не только возможностью замещения нефтепродуктов альтернативными топливами, но и лучшими экологическими характеристиками биотоплив [3, 4]. К биодизельным топливам относятся растительные масла, их производные (эфиры), а также смеси биотоплив с нефтяным дизельным топливом (ДТ). Это возобновляемые и биоразлагаемые биотоплива. Их применение в дизельных двигателях значительно уменьшает выбросы вредных веществ с отработавшими газами (ОГ), в первую очередь выбросы твердых частиц и легких несгоревших углеводородов. Возможность использования различных альтернативных топлив в дизельных двигателях во многом предопределяется близостью их физико-химических свойств к аналогичным свойствам нефтяного ДТ. Важнейшие характеристики альтернативных топлив - плотность, вязкость, сжимаемость [4-6]. Эти физические свойства растительных масел и их смесей с нефтяным ДТ оказывают заметное влияние на параметры процессов топливоподачи, впрыскивания и распыливания, а также последующих процессов смесеобразования и сгорания [4, 6]. Высокие плотность и вязкость этих топлив, подаваемых в камеру сгорания (КС) штатной системой топливоподачи дизеля, становятся причиной увеличения их цикловой подачи и часового расхода по сравнению с нефтяным ДТ. Повышенная плотность растительных масел и топлив на их основе приводит к увеличению дальнобойности струи распыливаемого топлива. Увеличение длины струи распыливаемых биотоплив усугубляется их худшей самовоспламеняемостью (увеличением периода задержки воспламенения). В результате за период задержки воспламенения струи распыливаемого растительного масла достигают стенок КС, часть топлива, попадающая на стенки, не сгорает полностью, уменьшается доля объемного смесеобразования, могут наблюдаться потеря подвижности поршневых колец и загрязнение моторного масла. Для устранения указанных недостатков желательно использовать биотоплива, имеющие свойства, близкие к свойствам штатных нефтяных ДТ. Приближение свойств биотоплив к свойствам традиционного ДТ достигается при использовании смесей растительных масел с нефтяными ДТ, что обеспечивает необходимое качество рабочих процессов дизелей и их требуемые эксплуатационные показатели. Цель исследования В дизельных двигателях сельхозмашин достаточно широко используются смесевые биотоплива с добавлением растительных масел. Эти кислородсодержащие добавки позволяют значительно улучшить экологические показатели дизеля. Поэтому определенный интерес представляет исследование зависимости вязкости таких смесей от их состава. Следует отметить, что уже известны работы, посвященные экспериментальному определению вязкости смесевых топлив и получению эмпирических формул для описания их вязкостных характеристик [7-10]. Вместе с тем в последние годы проведены исследования применения в дизелях смесевых биотоплив с добавлением некоторых растительных масел, которые ранее для этих целей не использовались [3, 4, 11, 12]. В ряде работ исследованы возможности применения в дизелях многокомпонентных смесевых биотоплив [4]. Таким образом, в связи с появлением новых видов используемых смесевых биотоплив и необходимостью получения простых и достоверных эмпирических формул, описывающих вязкость таких топлив, представляется целесообразным проведение дополнительных исследований, направленных на получение математического описания их вязкостных характеристик. Цель исследования состоит в разработке методики аппроксимации опытных данных по вязкости смесевых биотоплив, получаемых путем смешивания нефтяного ДТ и различных растительных масел, использовании этой методики для математического описания вязкостных характеристик таких смесей, а также оценке точности аппроксимации. Материалы и методы В уже проведенных исследованиях вязкостных характеристик смесевых жидкостей использованы различные теоретические подходы, основанные на описании взаимодействия компонентов смеси [13-15]. Но получение полностью теоретических формул, описывающих вязкостные характеристики смесевых биотоплив - смесей нефтяного ДТ и растительных масел, - практически невозможно в связи со сложным составом двух указанных компонентов. Поэтому для описания вязкостных характеристик смесевых биотоплив используют полуэмпирические формулы [15]. В представленной работе для описания вязкостных характеристик смесей нефтяного ДТ и растительных масел использованы известный логарифмический и предложенный авторами алгебраический аппроксимационные подходы. К первому подходу относится метод Грюнберга и Ниссана [15], позволяющий определить кинематическую вязкость смеси как: где , , …, - коэффициенты, зависящие от температуры и концентрации компонентов смеси. Значения коэффициентов , , …, рассчитываются по формулам: ; ; (2) . Коэффициенты ; , входящие в выражения (2), определяются методом наименьших квадратов. Они могут быть заданы либо постоянными, либо зависящими от концентрации компонентов смеси. В этом случае описание зависимости вязкости смеси от температуры может быть задано в виде нелинейной суммы: , (3) где коэффициенты А, B и C также могут быть заданы либо постоянными, либо зависящими от концентрации компонентов смеси. Второй эмпирический подход, разработанный авторами статьи, предполагает описание нелинейной зависимости кинематической вязкости смесевых топлив от их состава и температуры в виде алгебраического соотношения: где - постоянные коэффициенты, относящиеся к i-му компоненту и определяемые методом наименьших квадратов. В этом подходе кинематическая вязкость чистого ДТ определяется по формуле: (5) Результаты и их обсуждение Два названных метода использованы для получения аппроксимационных зависимостей для вязкости различных смесевых биотоплив. При проведении расчетных исследований использованы экспериментальные данные работы [3] по кинематической вязкости смесей нефтяного ДТ с некоторыми растительными маслами при температуре t = 20 оС (табл. 1). Таблица 1 Кинематическая вязкость смесей нефтяного ДТ с растительными маслами при различной концентрации масел в смеси Концентрация масла, % Растительное масло Кинематическая вязкость смеси, мм2/с 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Рапсовое масло (РМ) 4 5,5 7,2 9,3 12,3 16,9 22,4 30,2 41,5 58,6 63,9 Подсолнечное масло (ПМ) 3,99 5,47 7,12 9,1 11,98 15,37 20,44 26,79 34,32 49,79 61,6 Соевое масло (СМ) 4,91 6,04 7,31 10,13 15,85 20,6 26,7 33,2 42,3 59,5 73,9 Кукурузное масло (КМ) 4 5,56 7,64 9,58 13,43 17,9 23,8 30,1 39,1 55,2 69,3 Горчичное масло (ГМ) 4,79 6,5 8 10,8 15,2 20,2 25,6 34,6 46,2 57 76 Масло Pongamia Pinnata 3,94 5,7 6,9 8,3 15,2 16,5 22,4 31,4 52,1 65,5 90,8 Для рассматриваемых двухкомпонентных смесей при t = 20 оС формула (4) имеет вид: , (6) где x1, x2 - концентрации нефтяного ДТ и растительного масла; , , , - постоянные коэффициенты, описываемые соотношениями: ; . С использованием исходных данных табл. 1 и метода наименьших квадратов определены значения этих коэффициентов, приведенные в табл. 2. Таблица 2 Значения коэффициентов формулы (6) для смесей нефтяного ДТ с различными растительными маслами Коэффициент ДТ+РМ ДТ+ПМ ДТ+СМ ДТ+КМ ДТ+ГМ ДТ + Pongamia Pinnata 11,17 -53,293 -57,171 -42,471 -54,945 -128,02 52,73 129,293 126,471 116,371 116,545 218,82 -38,657 10,583 16,332 2,928 17,213 42,066 42,657 -5,793 -12,332 1,982 -13,223 -38,126 При логарифмическом подходе к описанию зависимости кинематической вязкости двухкомпонентных смесей нефтяного ДТ с растительными маслами формула (1) принимает вид: , (7) или , (8) где , - концентрации нефтяного ДТ и растительного масла; , - кинематическая вязкость нефтяного ДТ и растительного масла. При коэффициент имеет постоянную величину для каждого вида смеси. С помощью метода наименьших квадратов проведен расчет коэффициента для смесей нефтяного ДТ с различными растительными маслами, результаты которого представлены в табл. 3. Таблица 3 Значения коэффициента D12 формул (7) и (8) для смесей нефтяного ДТ с различными растительными маслами Коэффициент ДТ+РМ ДТ+ПМ ДТ+СМ ДТ+КМ ДТ+ГМ ДТ + Pongamia Pinnata 0,293 0,119 0,245 0,042 0,002 -0,324 Для сравнения точности аппроксимации характеристик кинематической вязкости исследуемых смесей описанными выше методами построены расчетные зависимости вязкости этих смесей от их состава, приведенные на рис. 1. В табл. 4 представлены результаты оценки точности аппроксимации - величины максимальной относительной погрешности, средней погрешности и среднеквадратической ошибки полученных аппроксимационными методами характеристик кинематической вязкости относительно исходных данных. Данные рис. 1 и табл. 4 свидетельствуют о возможности использования обоих подходов к аппроксимации вязкостных характеристик исследуемых смесевых биотоплив, а также о некоторых преимуществах предложенного алгебраического подхода. Таблица 4 Оценка точности аппроксимации вязкостных характеристик исследуемых смесевых биотоплив различными методами Виды смесей Предложенный алгебраический подход Логарифмический подход Относительная максимальная погрешность, % Среднее отклонение, Среднеквадратическая ошибка, Относительная максимальная погрешность, % Среднее отклонение, Среднеквадратическая ошибка, ДТ+РМ 27,234 0,511 2,422 15,141 0,982 2,847 ДТ+ПМ 5,74 0,13 0,97 5,89 0,12 0,99 ДТ+СМ 10,802 0,007 1,114 16,304 0,315 1,265 ДТ+КМ 3,974 0,074 0,835 4,195 0,012 0,832 ДТ+ГМ 3,896 125 0,051 85 0,657 517 6,074 25 0,064 671 0,711 148 ДТ + Pongamia Pinnata 18,442 0,079 1,91 15,876 0,416 2,163 Приведенные выше данные по вязкости исследуемых смесевых биотоплив - смесей нефтяного ДТ с различными растительными маслами - свидетельствуют о большом диапазоне изменения кинематической вязкости этих смесей: примерно от 4 мм2/с для нефтяного ДТ до 90 мм2/с для чистых растительных масел. При переходе от чистого ДТ к рассматриваемым смесям изменяются и другие физико-химические свойства, такие как плотность, поверхностное натяжение, сжимаемость, теплотворная способность, цетановое число (табл. 5, 6) [4, 16]. Разница в свойствах рассматриваемых биотоплив не может не отразиться на показателях дизелей, работающих на этих топливах. Это подтверждается результатами экспериментальных исследований [4, 16] дизеля типа Д-245.12С (4ЧН 11/12,5) на смесях нефтяного ДТ марки «Л» по ГОСТ 305-82 с рапсовым (рис. 2) и подсолнечным (рис. 3) маслами. Этот дизель производства Минского моторного завода устанавливают на малотоннажные грузовые автомобили ЗиЛ-5301 «Бычок», а его модификации - на автобусы Павловского автомобильного завода и тракторы «Беларус» Минского тракторного завода. По представленным на рис. 2 и 3 характеристикам необходимо отметить, что применение в этом дизеле смесей нефтяного ДТ с растительными маслами значительно уменьшает дымность ОГ на режимах внешней скоростной характеристики (ВСХ), а также позволяет сократить выбросы оксидов азота и легких несгоревших углеводородов с ОГ дизеля. Таблица 5 Физико-химические свойства нефтяного ДТ и его смесей с рапсовым маслом Физико-химические свойства ДТ РМ 80% ДТ + 20% РМ 60% ДТ + 40% РМ 40% ДТ + 60% РМ Плотность при 20 оС, кг/м3 830 916 848 865 882 Кинематическая вязкость при 20 оС, мм2/с 3,8 75 9 19 30 Коэффициент поверхностного натяжения s при 20 оС, мН/м 27,1 33,2 - - - Низшая теплота сгорания, кДж/кг 42 500 37 300 41 500 40 400 39 400 Цетановое число 45 36 - - - Температура самовоспламенения, оС 250 318 - - - Температура помутнения, оС -25 -9 - - - Температура застывания, оС -35 -20 - - - Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 14,3 12,5 14 13,6 13,2 Содержание, % мас. С Н О 87 12,6 0,4 77 12 11 85 12,5 2,5 83 12,4 4,6 81 12,2 6,8 Общее содержание серы, % мас. 0,2 0,002 0,16 0,12 0,08 Коксуемость 10 %-го остатка, % мас. 0,2 0,4 - - - Примечание: «-» - свойства не определялись; для смеси ДТ и РМ указано объемное процентное содержание компонентов. Таблица 6 Физико-химические свойства нефтяного ДТ и его смесей с подсолнечным маслом Физико-химические свойства ДТ ПМ 95% ДТ + 5% ПМ 90% ДТ + 10% ПМ 80% ДТ + 20% ПМ Плотность при 20 оС, кг/м3 830 923 834,7 839,3 848,6 Кинематическая вязкость, мм2/с, при: 20 оС 40 оС 100 оС 3,8 2,4 1 72 31 8 5 - - 6 - - 8 - - Коэффициент поверхностного натяжения при 20 оС, мН/м 27,1 33 - - - Низшая теплота сгорания, кДж/кг 42 500 37 000 42 100 41 900 41 400 Цетановое число 45 33 - - - Температура самовоспламенения, оС 250 320 - - - Температура помутнения, оС -25 -7 - - - Температура застывания, оС -35 -18 - - - Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг 14,3 12,4 14,2 14,1 13,9 Содержание, % мас.: С Н О 87 12,6 0,4 77,6 11,5 10,9 86,5 12,5 1 86,1 12,5 1,4 85,1 12,4 2,5 Общее содержание серы, % мас. 0,2 0,002 0,19 0,18 0,16 Коксуемость 10 %-го остатка, % мас. 0,2 0,5 - - - Примечание: «-» - свойства не определялись; для смеси ДТ и ПМ указано объемное процентное содержание компонентов. Заключение 1. При исследованиях вязкостных характеристик биотоплив на основе растительных масел рассмотрены различные растительные масла - рапсовое, подсолнечное, соевое, кукурузное, горчичное, а также масло, получаемое из растения Pongamia Pinnata. 2. Предложена методика аппроксимации вязкостных характеристик смесевых биотоплив в виде алгебраического многочлена. В расчетных исследованиях использованы экспериментальные данные о вязкости указанных растительных масел и их смесей с нефтяным ДТ. Получены аппроксимирующие зависимости этих экспериментальных данных с использованием известного логарифмического и предложенного алгебраического методов. 3. Предложенная методика аппроксимации вязкостных характеристик смесей нефтяного ДТ с растительными маслами отличается высокой точностью и может быть использована для аппроксимации вязкостных характеристик различных смесевых топлив, включая многокомпонентные биотоплива. 4. Применение в дизеле типа Д-245.12С смесей нефтяного ДТ с растительными маслами значительно уменьшает дымность ОГ на режимах ВСХ, а также позволяет сократить выбросы оксидов азота и легких несгоревших углеводородов с ОГ дизеля.

About the authors

V. A Markov

N.E. Bauman Moscow State Technical University

Email: vladimir.markov58@yandex.ru
DSc in Engineering Moscow, Russia

S. N Devyanin

Russian State Agrarian University - Moscow K.A. Timiryazev Agricultural Academy

DSc in Engineering Moscow, Russia

S. A Zykov

Russian State Agrarian University - Moscow K.A. Timiryazev Agricultural Academy

Email: zykov.sa@yandex.ru
PhD in Engineering Moscow, Russia

Boven' Sa

N.E. Bauman Moscow State Technical University

Engineer Moscow, Russia

References

Supplementary files