Применение биотоплива на основе рапсового масла в дизельных ДВС

Введение. Статья посвящена проблемам использования рапсового масла в качестве топлива для дизельных двигателей.

Применение биотоплива необходимо по следующим причинам: это сокращение мировых запасов нефти и газа, загрязнение окружающей среды и большой рост потребления энергоресурсов.

Основная часть. Для дизельных двигателей широкое распространение получили биотоплива на основе растительных масел: соевого, подсолнечного, рапсового, арахисового, пальмового и другие. Физико-химические свойства топлив, получаемых из растительных масел, ближе к свойствам дизельного топлива. Значит, и затраты на переоборудование дизельных двигателей для работы на биотопливе в сравнении с другими альтернативными биотопливами ниже. Наибольшее распространение получил метиловый эфир рапсового масла (RME). С 1 тонны семян рапса можно получить от 300 до 360 кг рапсового масла, и с этого масла 270-320 кг биодизельного топлива. Рапс является хорошей культурой для севооборота с пшеницей.

Таблица 1 – Физико-химические свойства рапсового масла и дизельного топлива

Параметр	Рапсовое масло	Дизельное топливо
Состав, %: С Н О	0,776 0,116 0,109	0,864 0,121 0,015
Плотность при 15, кг/м3	917	800…845
Кинематическая  вязкость  при 40°С, мм2/с	42,1	1,5…4,0
Динамическая   вязкость   при 20°С,Па*с	68,7 10-3	3,154 10-3
Поверхностное натяжение, Н/м	33,2 10-3	27,1 10-3
Низшая   теплота   сгорания, МДж/м3	36,992	42,437
Цетановое число	36…55	46..49
Температура вспышки определяемая в закрытом тигле, не ниже, °С	100	55
Температура застывания, °С	-23	-10, -35, -45, -55
Содержание серы, %	0,005	0,5
Кислотность,    мг   КОН/100л топлива	4,66	5
Коксуемость 10 %-ного остатка, %, не более	0,4	0,3

Теплота сгорания рапсового масла меньше на 14%, чем у дизельного топлива. Наблюдаем большую вязкость и плотность рапсового масла, следовательно, капли при распыливании крупнее, и тем самым, дальнобойнее будет струя топлива. Это приводит к ухудшению качества распыливания и испарения топлива, вследствие чего наблюдается неполное сгорание, повышенная коксуемость и лакоотложение. Вязкость рапсового масла можно понизить при повышении температуры до 70-90°C до значений, близких к вязкости дизельного топлива.

Большее поверхностное натяжение рапсового масла приводит к повышению неоднородности его распыливания.

Температуры застывания у рапсового масла выше, чем у дизельного топлива. Следовательно, при низких температурах возникают проблемы, которые связаны с подачей рапсового масла к топливному насосу высокого давления.

Температура воспламенения рапсового масла выше, чем у дизельного топлива. Следовательно, масло не успевает испариться и перемешаться с воздухом. В результате этого рапсовое масло не полностью сгорает, оседая на стенках камеры. Движущиеся кольца сбрасывают рапсовое масло в поддон двигателя, где оно смешивается с маслом и образует каучукообразную субстанцию. Значит, при применении чистого рапсового масла в качестве горючего нужно менять смазочное масло в несколько раз чаще.

У рапсового масла температура кипения выше, чем у дизельного топлива. При низкой нагрузке дизельного двигателя температура поршня снижается. Рапсовое масло, у которой повышенное значение температуры кипения, оседает на охладившемся поршне, хуже воспламеняется и испаряется. Часть масла не успевает догореть, и это приводит к повышению нагарообразования и закоксованию поверхностей камеры сгорания. Также остается часть жидкого рапсового масла, попадающего в картер двигателя. Смазочное масло становится менее насыщенным в результате попадания в него рапсового масла. В дальнейшем это может привести к выводу дизельного двигателя из строя. Плюс состоит в том, что рапсовое масло, имея высокую температуру воспламенения, менее пожароопасно по сравнению с дизельным топливом.

Повышенные значения температуры воспламенения, температуры застывания, вязкости, сниженной низшей теплотой сгорания рапсового масла можно не являются препятствиями для применения его в качестве топлива в дизельных двигателях. Так как разработан ряд мероприятий, включающий в себя: переналадку топливной аппаратуры, применение рапсового масла в смеси с дизельным топливом в разных соотношениях, обработку его ультразвуком, подогрев. Для работы на рапсовом масле в большей степени приспособлены дизельные двигатели с разделенными камерами сгорания и с полуразделенными камерами типа ЦНИДИ.

Анализ процесса впрыска дизельного топлива и рапсового масла (рис. 1) нагретого до температуры в 90°С в диапазоне от 300…500 мин ^-1 показывает увеличение давления впрыска на 6…12% и на 19…22% цикловой подачи по сравнению с дизельным топливом. Указанное увеличение давления впрыска и цикловой подачи связано с более высокой вязкостью рапсового масла.

Рисунок 1 – Сравнение параметров впрыска дизельного топлива и рапсового масла ДТ – дизельное топливо;

РМ – рапсовое масло;

РМ (90 ⁰ С) – рапсовое масло нагретое до температуры 90 ⁰ С.

Повышение цикловой подачи рапсового масла в свою очередь способствует повышению мощности двигателя до 6% по сравнению с работой на дизельном топливе (рис. 2).

Рисунок 2 – Мощностные испытания двигателя DEUTZ BF6M 2013C

Повышенное поверхностное натяжение рапсового масла увеличивает неоднородность их распыливания. При повышенной плотности, вязкости и поверхностном натяжении рапсового масла по сравнению с дизельным топливом уменьшается угол раскрытия топливного факела и ухудшается мелкость распыливания – больше диаметр и масса образующихся капель. Большие значения вязкости и плотности рапсового масла приводят к увеличению максимального давления впрыскивания. Эти данные факторы говорят о необходимости решения проблемы, способствующих улучшению качества процессов подачи топлива, его распыливания и смесеобразования при работе дизельного двигателя на растительных маслах и топливах на их основе. Наиболее экономически и экологически выгодной является смесь 80% рапсового масла и 20% дизельного топлива.

Традиционный технологический процесс получения биодизельного топлива состоит из следующих основных этапов:

• 1)    определение количества веществ, необходимых для проведения реакции переэтерификации;

• 2)    добавление необходимой массы растительного масла в реактор;

• 3)    подогрев растительного масла до нужной температуры;

• 4)    добавление в подогретое растительное масло рассчитанное количество спирта и катализатора. К маслу добавляется метанол в соотношении к растительному маслу 1:7.

• 5)    тщательное перемешивание исходных продуктов;

• 6)    отстаивание реакционной массы после завершения синтеза;

• 7)    удаление осевшего в нижней части аппарата глицерина.

Рапсовое масло обладает следующими преимуществами:

• 1)    практически не содержит серы;

• 2)    значительное снижение выбросов, включая CO, CО и других;

• 3)    продлевает срок службы двигателя, удаляя отложения нефтепродуктов на его деталях;

• 4)    хорошие смазочные характеристики;

• 5)    не обладает резким запахом.

К недостаткам рапсового масла можно отнести:

• 1)    обладает плохими пусковыми свойствами при пониженной температуре;

• 2)    из-за наличия свободных кислот более агрессивна к деталям двигателя;

• 3)    имеет склонность к окислению при хранении;

• 5)    высокая вязкость, повышенная коксуемость;

• 6)    высокая температура воспламенения.

Вывод. Таким образом, проведенные исследования биотоплив на основе рапсового масла выявили ряд положительных и отрицательных моментов. Повысить эффективность работы дизельных двигателей на рапсовом масле возможно с применением различных подогревателей топлива.