The toxicity study of diesel engines working on biofuels based on methyl alcohol

Abstract


The paper substantiates the need for the use of biofuels based on methyl alcohol in diesel engines. At the same time, such environmentally friendly energy sources as methanol and methyl ether of rapeseed oil were investigated. The physical and chemical properties of these biofuels are presented. In order to develop, determine and optimize the composition of environmentally friendly biofuels for diesel engines, their tests were carried out when working on methanol with methyl ether of rapeseed oil and methanol-fuel emulsion. It was experimentally established that the use of environmentally friendly biofuels in diesel engines is possible in the form of alcohol-fuel emulsions (methyl alcohol - 25%, detergent-dispersing additive succinimide C-5A - 0.5%, water - 7%, diesel fuel - 67.5%) and in the form of a separate supply of methyl alcohol (88%) and methyl ether of rapeseed oil (12%). When using methanol as a biofuel for diesel engines, it is possible to significantly reduce the emissions of soot particles and nitrogen oxides due to the fact that during the combustion of alcohol in the combustion chamber of diesel, less intermediate products (in relation to diesel fuel) are formed, contributing to the birth of acetylene and aromatic hydrocarbons, which lead to the formation of soot. Methyl alcohol, with its simpler structure and small molecule sizes, is one of the determining factors for more “pure combustion” of fuel. Experimental studies of diesel engines on environmentally friendly biofuels of the above compositions were carried out and a promising solution to improve their environmental performance was justified. When the diesel engine is working on a methanol-fuel emulsion, the content of nitrogen oxides in the exhaust gases is reduced by 41.3%, carbon black by 85.5%, carbon dioxide by 6.7%, carbon monoxide by 45.0%; when working on methanol and methyl ether of rapeseed oil, nitrogen oxides by 47.4%, carbon black by 90.4%, carbon oxide by 44.8%.

Full Text

Введение Хорошо известно, что для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) постоянно разрабатываются и совершенствуются нормы выбросов вредных веществ не только в масштабах конкретного региона, страны, но и в рамках международных программ ЕЭК ООН. В настоящее время экологические требования к ДВС являются наиболее приоритетными, при этом экологичность отработавших газов (ОГ) производители уже закладывают в их конструкцию на стадии проектирования, причем она не должна ухудшаться в процессе эксплуатации. Следовательно, несложно предположить, что будущее за экологически чистыми ДВС, работающими на альтернативных нефтяному видах топлива. Все более широкое распространение получают альтернативные виды биотоплива на основе спиртов и растительных масел (рапсового, подсолнечного, соевого, арахисового, пальмового), а также их производных. Интенсивные работы по переводу ДВС на биотопливо ведутся как в странах с ограниченным энергетическим потенциалом, так и в странах с большими запасами нефти, а также в высокоразвитых странах, имеющих финансовую возможность приобретения различных альтернативных видов топлива [1]. Наиболее исследованными и перспективными на сегодняшний день для применения в ДВС являются одноатомные первичные спирты, такие как метанол (СН3ОН). Среди положительных свойств метанола для применения в дизелях можно отметить наличие в его молекуле атома кислорода, что дает возможность использовать метанол в качестве оксигенатов (кислородсодержащих компонентов), способствующих снижению вредных выбросов сажи и СО в продуктах его сгорания. Метанол широко используется в химической промышленности, и немалые его объемы применяются в производстве топлив для автотранспорта. Применение этого спирта в качестве альтернативного биотоплива для ДВС стало возможным в результате получения его доступным способом из сельскохозяйственных и пищевых отходов, из газообразного топлива. Но более важная причина в применении метанола - это снижение выбросов токсичных компонентов с ОГ ДВС (рис. 1) [2]. Рис. 1. Относительное содержание вредных веществ в ОГ автотранспорта, работающего на дизельном топливе и метаноле, % (за 100% принято дизельное топливо по саже) При использовании метанола как топлива для дизелей, можно значительно снизить выбросы сажевых частиц и оксидов азота. Это происходит вследствие того, что при горении спирта в камере сгорания дизеля образуется меньше промежуточных продуктов (по отношению к дизельному топливу), способствующих зарождению ацетиленовых и ароматических углеводородов, которые и приводят к образованию сажи. Кроме того, в ОГ при сгорании метанола значительно меньше различных соединений серы. Метиловый спирт со своей более простой структурой и незначительными размерами молекул является одним из определяющих факторов более «чистого сгорания» топлива. Из всех существующих альтернативных видов топлива достаточно перспективными являются биотоплива и их смеси с дизельным топливом в разных пропорциях (растительно-минеральные смеси), а сельскохозяйственные предприятия, потребляющие в качестве топлива главным образом нефтепродукты, в настоящее время вполне способны производить как для городского автотранспорта, так и для своей техники экологически чистое возобновляемое биотопливо. Произведенные расчеты [2] показывают, что энергозатраты на получение рапсовых семян составляют 17700 МДж/кг, на получение масла - 700 МДж/кг, при этом энергия, получаемая от масла - 22200 МДж/кг. В связи с вышесказанным, можно сделать вывод, что энергетическая прибыль с одного гектара посева рапса составляет 3800 МДж (что соответствует 110 л нефтяного дизельного топлива по своей энергетической ценности) [2]. Растительное масло любого вида - это смесь триглицеридов, т.е. эфиров, соединенных с молекулой глицерина. Глицерин, в свою очередь, и придает вязкость и плотность растительному маслу. Таким образом, основной задачей при получении биотоплива является удаление глицерина путем замещения его на спирт. На данный момент альтернативные виды топлива из рапсового масла находят применение в натуральном виде, в виде метилового и диметилового эфиров рапсового масла. Метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ) можно охарактеризовать более низким уровнем коксования деталей дизелей, чем этиловый эфир рапсового масла из-за более низкой вязкости и молекулярной массы. К тому же, метиловые эфиры лучше сохраняются. К преимуществам этиловых эфиров можно отнести снижение дымности и температуры ОГ и меньшую агрессивность к деталям двигателя. В дальнейшем процессе производства этиловые эфиры менее вредны, но при очистке биотоплива с целью удаления излишков спирта возникают некоторые сложности, поскольку этиловый спирт формирует устойчивую водную эмульсию. В связи с этим из-за более низкой себестоимости метанола производство МЭРМ более рентабельное. Поэтому МЭРМ, как альтернативное экологичное биотопливо, приобретает наибольшую популярность в странах Европы [3]. По сравнению с другими альтернативными видами топлива стоимость метанола невысока, а одним из его недостатков является большая теплота испарения при низкой температуре кипения (1104 кДж/кг против 250 кДж/кг у штатного дизельного топлива). Это приводит к охлаждению воздушного заряда вследствие испарения спирта при низких цетановых числах и высоких температурах самовоспламенения, что в итоге является причиной плохого воспламенения в камере сгорания дизеля. Поэтому воспламенение метанола в таких условиях возможно с помощью дополнительно установленных источников воспламенения, подачей метанола на впуске или при использовании различных катализаторов, которые способствуют снижению температуры воспламенения метанола, а также ускоряют процесс реакций горения. К еще одному эффективному способу воспламенения метанола в камере сгорания дизеля можно отнести подачу запальной порции штатного дизельного топлива в камеру сгорания. С целью улучшения воспламенения спиртов используют двойные системы топливоподачи, которые одновременно с подачей спирта (основного биотоплива) осуществляют и подачу запальной порции дизельного топлива [2]. Требуемые физико-химические свойства альтернативного биотоплива обусловливают применение соответствующих технологий, способных обеспечить эксплуатационные, экономические и экологические показатели. При производстве биотоплива применяют различные виды растительных масел, таких как рапсовое, льняное, подсолнечное, пальмовое и др. При этом полученное биотопливо из разных растительных масел имеет ряд отличительных физико-химических признаков. К таким признакам относятся: низшая теплота сгорания, вязкость, плотность, фильтруемость, температура застывания, коксуемость, цетановое число и др. (табл. 1) [4]. Так, представленные данные таблицы 1 наглядно демонстрируют схожесть параметров биотоплива с дизельным топливом по плотности и расхождение по кинематической вязкости, низшей теплоте сгорания и цетановому числу. Естественно, все это говорит о том, что в чистом виде один вид биотоплива сложно применим в дизеле, поэтому и было принято решение о применении биотоплива в формате МТЭ и МЭРМ в сочетании с метанолом, что позволяет приблизить значения физико-химических свойств биотоплива к штатному дизельному топливу. Таблица 1 Физико-химические характеристики биотоплива и дизельного топлива Параметр Метанол Рапсовое масло МЭРМ Дизельное топливо Плотность при 20°С, кг/м3 795 877 860-900 863 Кинематическая вязкость при 20°С, мм2/с 0,55 80 12 3,0-6,0 Низшая теплота сгорания, МДж/м3 19,7 36,7 37,2 42,5 Цетановое число 3 44 51 45 Цель исследования Целью данной работы является применение экологичных видов биотоплива в дизелях для улучшения их экологических показателей и экономии нефтяного моторного топлива. Методы и средства Для проведения исследований создана экспериментальная база в научно-исследовательской лаборатории испытания дизелей кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов Вятской государственной сельскохозяйственной академии. Экспериментальная база включает электротормозной стенд SAK-N670 с балансирным маятниковым механизмом, устанавливаемые на него дизели, измерительную аппаратуру. Приготовление эмульсий осуществлялось гомогенизатором MPW-302 при частоте вращения вала 2000 мин-1. Отбор проб отработавших газов производился газозаборниками автоматической системы газового анализа (АСГА-Т), установленными в выпускном трубопроводе дизеля. Дымность отработавших газов измерялась с помощью дымомера «BOSCH-EFAW-68A». При работе на метаноле и МЭРМ дизель оборудовался двойной системой топливоподачи. При этом воспламенение метанола осуществлялось за счет подачи запальной порции МЭРМ. Такая схема топливоподачи полностью исключает необходимость использования нефтяного дизельного топлива. Запуск и прогрев дизеля происходил на МЭРМ, вслед за этим осуществлялась подача метанола, а подача МЭРМ снижалась до начала пропусков воспламенения. Затем для достижения устойчивой работы двигателя ее увеличивали. Таким образом, при использовании метанола и МЭРМ с двойной системой топливоподачи достигалось полное замещение нефтяного дизельного топлива [2, 5]. Результаты и обсуждение При испытаниях дизеля на спиртовой эмульсии использовался следующий состав: метанол - 25%, моюще-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А - 0,5%, вода - 7%, дизельное топливо - 67,5%. Также для дизеля было разработано экологичное биотопливо, состоящее из метанола (88%) и МЭРМ (12%) [2, 6, 7]. На рис. 2 представлены экологические показатели дизеля, работающего на метаноло-топливной эмульсии (МТЭ), от установочного угла опережения впрыскивания топлива (Θвпр). Анализируя графики токсичности и дымности ОГ дизеля при работе на МТЭ как при номинальном скоростном режиме (n = 2200 мин-1, рис. 2а), так и на режиме, соответствующем максимальному хрутящему моменту (n = 1700 мин-1, рис. 2б), видно, что происходит снижение содержания на всех исследуемых значениях Θвпр сажи С, CO2 и СО (кроме Θвпр = 29°). Результаты исследований экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 сведены в таблицу 2. а) б) Рис. 2. Изменение экологических показателей работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения Θвпр: а - n = 2200 мин-1; б - n = 1700 мин-1; - ДП; - МТЭ Таблица 2 Результаты исследований экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 на номинальном режиме работы (n = 2200 мин-1, pе = 0,64 МПа) Топливо Показатели NOx, ppm С, Bosch CO2, % CO, % Дизельное 1320 6,2 10,5 0,20 МТЭ 775 (снижение на 41,3%) 0,9 (снижение на 85,5%) 9,8 (снижение на 6,7%) 0,11 (снижение на 45,0%) На рис. 3 представлена зависимость выбросов NOx дизеля, работающего на метаноле и МЭРМ при различных сочетаниях установочных углов опережения впрыскивания топлива. а) б) Рис. 3. Концентрация NOx в ОГ дизеля 2Ч 10,5/12,0, работающего на метаноле и МЭРМ, в зависимости от изменения Θвпр: а - n = 1800 мин-1; б - n = 1400 мин-1 При анализе рис. 3а на номинальной чатоте вращения (n = 1800 мин-1) видно, что на оптимальном установочном угле подачи метанола (Θвпр мет) равном 34º поворота коленчатого вала и на аналогичных сочетаниях углов опережения впрыскивания МЭРМ (Θвпр мэрм) значения NOx снижаются и составляют соответственно 655, 401, 316 и 243 ppm. При дальнейшем снижении Θвпр мет до 30º выбросы NOx составляют 486, 335, 311, и 250 ppm при Θвпр мэрм равном 38º, 34º, 30º и 26º соответственно. Более поздняя подача метанола Θвпр мет равная 26º ведет к снижению выбросов NOx до 305, 280, 260 и 242 ppm при соответствующих установочных углах подачи Θвпр мэрм, равных 38º, 34º, 30º и 26º. При рассмотрении зависимости выбросов NOx на режиме максимального крутящего момента (рис. 3б) хорошо видна аналогичная тенденция роста значений оксидов азота при более ранней подаче топлив. Так, при Θвпр мет = 38º наблюдается максимум выбросов NOx, равный 1117 ppm, достигается который при Θвпр мэрм=38º. При других значениях Θвпр мэрм, равных 34º, 30º и 26º, величина выбросов NOx составляет 1070, 830 и 194 ppm соответственно. При оптимальном значении Θвпр мет = 34º и вариациях Θвпр мэрм, равных 38º, 34º, 30º и 26º выбросы NOx составляют соответственно 715, 582, 650 и 413 ppm. Дальнейшее снижение Θвпр мет до 30º на аналогичных сочетаниях углов Θвпр мэрм (38º, 34º, 30º и 26º) характеризует выбросы оксидов азота следующими величинами 750, 600, 551 и 470 ppm соответственно. Более поздняя подача метанола Θвпр мет = 26º ведет к снижению оксидов азота при всех исследуемых значениях Θвпр мэрм (38º, 34º, 30º и 26º) и составляет соответственно 550, 472, 400 и 368 ppm. На рис. 4 представлены зависимости от нагрузки экологических показателей работы дизеля, работающего на метаноле и МЭРМ с двойной системой топливоподачи. При анализе графиков токсичности и дымности ОГ дизеля на номинальном скоростном режиме (n = 1800 мин-1, рис. 4а) при работе на метаноле с МЭРМ видно, что происходит снижение содержания во всем диапазоне исследования нагрузки. Применение метанола и МЭРМ приводит к снижению оксида углерода СО при нагрузке, превышающей 0,47 МПа, и суммарных углеводородов СНх на максимальных нагрузках при ре > 0,60 МПа, при этом отмечен незначительный рост диоксида углерода СО2 во всем диапазоне исследования ре. Рассматривая же режим максимального крутящего момента (n = 1400 мин-1, рис. 4б), необходимо отметить, что применение метанола и МЭРМ приводит к снижению в ОГ сажи, СО2, NOx (кроме максимального значения ре = 0,69 МПа) и СО при ре > 0,55 МПа, при этом отмечен рост СНх. Результаты исследований экологических показателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 сведены в таблицу 3. а) б) Рис. 4. Изменение экологических показателей работы дизеля 2Ч 10,5/12,0 в зависимости от изменения нагрузки (ре): а - n = 1800 мин-1; б - n = 1400 мин-1; - ДП; - метанол и МЭРМ Таблица 3 Результаты исследований экологических показателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 на номинальном режиме работы (n = 1800 мин-1, pе = 0,59 МПа) Топливо Показатели NOx, ppm С, Bosch CO, % Дизельное 760 5,0 0,29 Метанол 88%, МЭРМ 12% 400 (снижение на 47,4%) 0,48 (снижение на 90,4%) 0,16 (снижение на 44,8%) Выводы Дано перспективное решение улучшения экологических показателей дизелей, работающих на биотопливе следующих составов: · МТЭ: метанол - 25%, моюще-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А - 0,5%, вода - 7%, дизельное топливо - 67,5%; · метанол - 88%, МЭРМ - 12%. При работе дизеля на МТЭ происходит снижение содержания в ОГ оксидов азота на 41,3%, сажи на 85,5%, диоксида углерода на 6,7%, оксида углерода на 45,0%; при работе на метаноле и МЭРМ - оксидов азота на 47,4%, сажи на 90,4%, оксида углерода на 44,8%.

About the authors

V. A Lihanov

Vyatka State Agricultural Academy

Email: nirs_vsaa@mail.ru

Dr.Eng.

O. P Lopatin

Vyatka State Agricultural Academy

Email: nirs_vsaa@mail.ru

Ph.D.

References

  1. Sivakumar M., Ramesh kumar R., Syed Thasthagir M.H., Shanmuga Sundaram N. Effect of aluminium oxide nanoparticles blended pongamia methyl ester on performance, combustion and emission characteristics of diesel engine // Renewable Energy. 2018. V. 116. P. 518-526.
  2. Лиханов В.А., Копчиков В.Н., Фоминых А.В. Применение метанола и метилового эфира рапсового масла для работы дизеля 2Ч 10,5/12,0. Киров: Вятская ГСХА, 2017. 226 с.
  3. Starik A.M., Savel'ev A.M., Favorskii O.N., Titova N.S. Analysis of emission characteristics of gas turbine engines with some alternative fuels // International Journal of Green Energy. 2018. V. 15. № 3. P. 161-168
  4. Presser C., Nazarian A., Millo A. Laser-driven calorimetry measurements of petroleum and biodiesel fuels // Fuel. 2018. V. 214. P. 656-666.
  5. Likhanov V.A., Lopatin O.P. Use of Natural Gas, Methanol, and Ethanol Fuel Emulsions as Environmentally Friendly Energy Carriers for Mobile Heat Power Plants // Thermal Engineering. 2017. V. 64. № 12. P. 935-944.
  6. Likhanov V.A., Lopatin O.P. The Study of the Process of Combustion of the Alcohol-Fuel Emulsions and Natural Gas in a Diesel Engine // International Journal of Applied Engineering Research. 2018. V. 13. № 3. P. 1703-1709.
  7. Likhanov V.A., Lopatin O.P. Study of Loading Regimes of Diesel Engines Operating on Natural Gas // International Journal of Applied Engineering Research. 2018. V. 13. № 5. P. 2936-2939.

Statistics

Views

Abstract - 12

PDF (Russian) - 1

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

Copyright (c) 2018 Lihanov V.A., Lopatin O.P.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies