Оптимизация состава биотопливных смесей для автомобильных дизелей

Введение.

Технологиям производства биотоплива, и, в частности, биодизеля отводится особое место в Энергетической стратегии РФ на период до 2050 года, создание или локализация производства которых необходимы на территории Российской Федерации до 2050 года [1]. В Климатической доктрине Российской Федерации среди задач федеральным органам государственной власти указано развитие экономических институтов и финансовых механизмов для внедрения технологий, способствующих снижению выбросов парниковых газов транспортом [2]. Применение биодизеля в качестве топлива на автомобильном транспорте соответствует целям доктрины – их производство и потребление сопровождается меньшими удельными выбросами парникового углекислого газа [3].

Биодизельное топливо – метиловые эфиры жирных кислот (МЭЖК) являются альтернативой традиционному нефтяному дизельному топливу. Мировое производство биодизеля в 2025 году достигло 40 - 42 млн. тонн. Почти 80% этого объема используется автомобильным транспортом [4]. Лидер по производству – Индонезия, а по реализации – Европейский союз, где биодизель составляет около 7%

EDN EILRNL от всего объёма потреблённого топлива дизельными двигателями.

В России рынок МЭЖК находится на начальном этапе развития – потребление транспортом фактически близко к нулю. В общедоступной продаже на АЗС биодизель отсутствует, а незначительные объемы используются в качестве экспериментальных проектов, большей частью, в сельском хозяйстве. Промышленное производство биодизеля, как топлива для транспорта, в России практически не ведется. Основной объем выпускаемых метиловых эфиров классифицируется как продукция химической промышленности или компоненты для смазочных материалов. Одна из причин этого – то, что Россия – крупнейший экспортер нефти, поэтому замена нефтяного дизельного топлива на более дорогой биодизель внутри страны сейчас экономически нецелесообразна. Решением этой проблемы может стать реализация задач Климатической доктрины и Энергетической стратегии в части стимулирования развития технологий производства и расширения применения биодизеля на автомобильном транспорте. Другим препятствием применения биодизеля на транспорте является не соответствие качества биодизельных смесей условиям эксплуатации. Решением здесь может быть оптимизация состава био-топливных смесей (БТС), на это нацелена выполняемая авторами задача.

Материалы и методы

При непосредственном сгорании биотоплив образуется меньше диоксида углерода, что обусловлено меньшей удельной массой углерода в его молекуле по сравнению с нефтяным дизелем, а также наличием кислорода в количестве около 10 % масс., что улучшает полноту сгорания и снижает выбросы несгоревших углеводородов и монооксида углерода, но может являться причиной оксидов азота из-за более высокой температуры сгорания [5]. Чтобы решить эту проблему в биодизельные смеси иногда вводят спирты, в основном этиловый или бутиловый. Из-за ещё большего количества кислорода (21-30 % масс.) и небольшого (допускается до 1% масс.) содержания воды в составе они обладают более высокой скрытой теплотой парообразования, что несколько снижает их энергетическую плотность и максимальную температуру сгорания, но приводит к повышению коэффициента наполнения двигателя, снижению выбросов оксидов азота и углекислого газа [6, 7, 8].

В условиях нашей страны биотопливо можно производить из рапсового, подсолнечного, рыжикового масла и других масличных культур. Наиболее доступным и сбалансированным по свойствам являются МЭЖК рапсового масла, широко используемые также в Европейских странах. МЭЖК допускаются к применению в составе товарного дизельного топлива по ГОСТ 32511-2013 в количестве не более 7 % об. Данный стандарт, по которому сейчас производится дизельное топливо в России, не оговаривает содержание кислородосодержащих добавок и присадок. Следовательно, их введение возможно при условии максимального сохранения прочих требований к свойствам топлива.

В работе проведены сравнительные лабораторные исследования свойств различных БТС. В качестве третьего компонента в БТС дизельного топлива с метиловыми эфирами рапсового масла был выбран нормальный бутиловый спирт (н-бутанол). Приготовленные смеси условно были обозначены как B7Bu8 (7% об. биодизеля и 8 % об. бутанола) и B7Bu3 (7% об. биодизеля и 3 % об. бутанола). Бутанол был выбран по причине наилучшей совместимости как с дизельным, так и биодизельным топливом, способностью образовывать устойчивые растворы, а не эмульсии, его относительной гидрофобности, более высоких, по сравнению с этанолом, цетанового числа (21 ед. против 8 ед.) и температуры вспышки (39 ºС против 13 ºС). Результаты лабораторных исследований приведены в таблице 1. Исследования были проведены с использованием приборов лаборатории эксплуатационных материалов Автомобильно-дорожного факультета СПбГАСУ (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Испытания БТС в лаборатории эксплуатационных материалов АДФ СПбГАСУ

Таблица 1 – Свойства исходных топлив и биотопливных смесей

Показатель	ДТ-Л сорт С	БиоДТ рапс	н-бутанол	B7Bu8	B7Bu3
Плотность при 15 ºС, кг/м3	832	883	813	833	840
Кинематическая вязкость при 40 °С, мм2/с	2,86	4,83	2,25	2,91	3,05
Температура вспышки в закрытом тигле, °С	62	176	41	54	56
Предельная температура фильтруемости, °С	-10	-9	-69	-11	-10
Цетановое число	53	55	18	51	52
Низшая теплота сгорания, МДж/кг	42,6	36,2	33,5	41,2	42
Стехиометрический коэффициент, кг/кг	14,6	12,5	11,2	14,2	14,3
Содержание углерода, % масс.	87	76	65	84,5	85,5
Содержание кислорода, % масс.	0,004	10,5	21,6	2,47	1,39
Массовая доля серы, мг/кг	6	5	0	5,8	6
Массовая доля воды, мг/кг	80	420	3500	390	210
Содержание СО 2 в ОГ, кг/кг	3,16	2,8	2,4	3,1	3,13
Стоимость производства 1 т, тыс.руб. (средние значения)	62,4	97,5	70	65,4	64,8

Поскольку биотоплива по своим свойствам отличаются от традиционных топлив, это может повлечь ухудшение эксплуатационных свойств при их использовании. В частности, более высокая плотность и вязкость биотоплив может препятствовать нормальной прокачиваемости и распыливаемости топлива в системе питания дизеля. В том числе для решения этой проблемы в топливную смесь был вовлечён бутанол, как обладающий более низкими значениями плотности и вязкости, и таким образом стабилизирующий данные показатели в полученных смесях.

Однако, из-за наличия в составе кислорода, данные смеси могут вызвать дополнительное окисление элементов системы питания и смазки. Что является относительно незаметным явлением по сравнению с более концентрированными БТС (20% об. и выше). Тем не менее оно способно значительно повлиять на свойства моторного масла из-за прорыва несгоревших газов в картер двигателя [9, 10, 11]. Которых, по причине лучшей полноты сгорания, теоретически должно быть меньше, но кислотность которых и способность влиять на ресурс масла, наоборот, выше, чем у чисто нефтяного дизеля. Эта тема недостаточно развита в имеющихся в открытом доступе исследованиях, поэтому требует дополнительного изучения.

Между тем влияние степени окисления и в целом ресурса моторного масла на долговечность двигателей нельзя переоценить, во многом это определяющий параметр, по которому судят о состоянии двигателя в целом. Поэтому при переходе на новые, альтернативные виды топлива и, в частности, БТС для анализа их применимости в двигателях и влияния на показатели эксплуатации необходимо оценивать прежде всего их влияние на интенсивность старения моторного масла. Отмечается, что наибольшее влияние на деградацию моторного масла оказывает из всех параметров дизельного топлива содержание в нём серы [12]. Биодизельные топлива имеют в этом отношении преимущество, так как содержание серы в них без дополнительной очистки не превышает требований стандарта для дизельного топлива экологического класса К5 (10 мг/кг). Таким образом, можно выдвинуть гипотезу об их незначительном, по сравнению с нефтяным дизелем, влиянии на параметры моторного масла. Однако за недостатком исследований на эту тему, необходимо провести лабораторные и дорожные испытания, демонстрирующие это влияние.

Результаты и обсуждение

Предлагается в качестве предварительной оценки применимости альтернативных топлив использовать комплексный коэффициент приспособленности, совокупно отражающий степень изменения уровня эксплуатационных свойств исследуемого объекта по сравнению со свойствами исходного, эталонного объекта [13]. В данном случае за объекты оценки принимаются предложенные биотоп-ливные смеси, а за объект сравнения традиционное дизельное топливо. Комплексный коэффициент приспособленности выглядит как функция, зависящая от частных показателей приспособленности (формула 1).

* пр = S iUV K np i (1) где k t - критерий уровня значимости i-го показателя приспособленности;

K npt - коэффициент приспособленности по i -му показателю;

n – количество показателей приспособленности.

Указанный частный коэффициент приспособленности определяется как отношение параметра P нест , полученного в нестандартных условиях эксплуатации (на БТС), к параметру P ст полученному в стандартных условиях (на нефтяном топливе) (формула 2).

К пр=^         (2)

“ ст

При этом для позитивных показателей, то есть таких, увеличение которых влечёт улучшение эксплуатационных свойств, по теории квалиметрии, берётся прямое отношение, согласно приведённой формуле 2, а для негативных, то есть влекущих ухудшение данных свойств, согласно обратной формуле, иными словами, в степени -1. При расчёте комплексного коэффициента приспособленности предлагается взять следующий перечень единичных показателей (таблица 2).

Таблица 2 – Единичные показатели качества БТС

Позитивные  показа тели	Негативные показатели
Температура вспышки	Плотность
Предельная   темпера тура фильтруемости	Кинематическая вязкость
Цетановое число	Массовая доля воды
Низшая теплота сгорания	Массовая доля серы
Стехиометрический коэффициент	Содержание углекислого газа в ОГ

Критерии же уровня значимости, или коэффициенты весомости можно рассчитывать либо методом экспертных оценок, либо, что более предпочтительно, по методу предельных и номинальных значений [14]. Однако в нашем случае, для упрощения расчёта на предварительном этапе оценки мы присвоим им эмпирические экспертные значения. Результаты расчёта частных коэффициентов приспособленности приведены в таблице 3, критериев значимости и комплексных коэффициентов приспособленности в таблице 4.

Таблица 3 – Частные коэффициенты приспособленности БТС

Показатель	ДТ-Л сорт С	БиоДТ рапс	B7Bu8	B7Bu3
Плотность при 15 ºС	1	0,94	1,00	0,99
Кинематическая вязкость при 40 °С	1	0,59	0,98	0,94
Температура вспышки в закрытом тигле	1	2,84	0,87	0,90
Предельная температура фильтруемости	1	0,90	1,10	1,00
Цетановое число	1	1,04	0,96	0,98
Низшая теплота сгорания	1	0,85	0,97	0,99
Стехиометрический коэффициент	1	0,86	0,97	0,98
Массовая доля серы	1	1,20	1,03	1,00
Массовая доля воды	1	0,19	0,21	0,38
Содержание СО 2 в ОГ	1	1,13	1,02	1,01

Таблица 4 – Уровни значимости параметров и комплексные коэффициенты приспособленности БТС

Показатель	Уровень значимости	вес n-го показателя	БиоДТ рапс	B7Bu8	B7Bu3
Плотность при 15 ºС	6	0,12	0,11	0,12	0,12
Кинематическая вязкость при 40 °С	8	0,16	0,09	0,16	0,15
Температура вспышки в закрытом тигле	1	0,02	0,06	0,02	0,02
Предельная температура фильтруемости	5	0,10	0,09	0,11	0,10
Цетановое число	4	0,08	0,08	0,08	0,08
Низшая теплота сгорания	5	0,10	0,08	0,10	0,10
Стехиометрический коэффициент	6	0,12	0,10	0,12	0,12
Массовая доля серы	4	0,08	0,10	0,08	0,08
Массовая доля воды	6	0,12	0,02	0,02	0,05
Содержание СО 2 в ОГ	5	0,10	0,11	0,10	0,10
Коэффициент приспособленности	50 (сумма)	1,00	0,86	0,90	0,91

В результате расчётов уровня приспо- коэффициенты приспособленности. Они поз-собленности БТС к использованию в автомо- воляют сделать вывод о том, что добавление н-бильных двигателях получены комплексные бутанола повышает уровень эксплуатационных свойств топлива относительно чистого биотоплива. Измеренные и полученные расчётным путём значения свойств БТС (таблица 1) показывают, что исследованные БТС по уровню свойств максимально приближены к свойствам нефтяного топлива, выходя из требований ГОСТ к нему только в отношении массовой доли воды, что для смеси B7Bu3 не носит принципиального характера. Это позволяет использовать данную смесь в качестве товарного топлива в автомобильных двигателях без каких-либо вмешательств в конструкцию.

Заключение

Расширение применения биодизеля в качестве топлива на автомобильном транспорте России сегодня возможно при обеспечении экономической целесообразности и соответствии качества биодизельных смесей условиям эксплуатации. Если первое может быть достигнуто при реализации задач Климатической доктрины и Энергетической стратегии, то для второго необходима оптимизация состава биотопливных смесей. Для этого авторами предложен комплексный коэффициент приспособленности БТС к применению в качестве топлива. Полученные зависимости и итоговые коэффициенты могут помочь при комплексной оценке уровня эксплуатационных свойств автомобильных двигателей при переходе на БТС разного состава. Они могут быть дополнены и усовершенствованы для более достоверной и полной оценки. Дальнейшее планируемое развитие работы – анализ влияния типа выбранного топлива на показатели старения моторного масла, как индикатор технического состояния двигателя. Результаты этого исследования будут включены в расчёт комплексного коэффициента приспособленности.