Файл: _education_elib_pdf_2010_tarov.pdf

5. В чём причина большей реакционной способности метилата калия как нуклеофильного реагента в реакции алкоголиза?

4.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО МАСЛА В КАЧЕСТВЕ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА

Физико-химические показатели биодизельного топлива в большей степени соответствуют товарному нефтяному дизельному топливу, чем характеристики растительных масел.

Начиная с 1997 г. в Америке и странах Европы появились стандарты на биодизельное топливо, в которые вошли физико-химические показатели, определяющие качество метиловых эфиров растительных масел (МЭРМ), используемых не только как самостоятельный вид топлива, но и как компонент смесевого топлива (например, в смеси с нефтяным дизтопливом (ДТ)).

Поскольку жирно-кислотный состав эфиров растительных масел может несколько варьироваться, то и характеристики биодизельного топлива могут меняться. В таблице 4.1 представлены усреднённые характеристики биодизельного топлива, полученного из различных масел и требования к МЭРМ по стандартам DIN EN 14214 и по ГОСТ 395–82.

Как видно из данных, представленных в таблице, характеристики получаемых в настоящее время метиловых эфиров растительных масел довольно близки и удовлетворяют требованиям европейского стандарта, сформулированного для компонента дизельного топлива; их характеристики гораздо ближе к показателям товарного топлива, чем соответствующие значения для растительных масел. Однако по ряду параметров МЭРМ не соответствуют требованиям, предъявляемым действующими в настоящее время ГОСТ 305–82 или ГОСТ Р 52368–2005 .

4.1. Физико-химические показатели топлив

Так, цетановое число биодизельного топлива выше, чем требует ГОСТ, но не превышает 55 единиц (при более высоком цетановом числе ухудшается экономичность работы двигателя и увеличивается дымность отработанных газов). Такое цетановое число обеспечит мягкую, без «стука» работу двигателя.

Плотность и, особенно, вязкость МЭРМ заметно ниже, чем у растительных масел, но несколько выше, чем у товарного дизельного топлива. Плотность топлива r, кинематическая n и динамическая вязкости m, а также поверхностное натяжение s относятся к показателям топлива, которые влияют на процессы испарения, смесеобразования и сгорания.

ВХарьковском государственном политехническом университете изучали влияние отличий в уровне r, n, m и s биотоплива на характеристики его впрыскивания, динамику развития топливного факела, мелкости распыливания и др. [16]. Большая вязкость продуктов переработки растительных масел приводит к увеличению дальнобойности топливного факела.

Всвязи с этим уменьшается доля объёмного смесеобразования, большая часть топлива будет попадать на стенки камеры сгорания. Кроме того, уменьшается угол рассеяния топливного факела, увеличивается средний диаметр капель. Рост поверхностного натяжения МЭРМ по отношению к ДТ на 14% является причиной увеличения неоднородности распыливания топлива. В связи с ростом плотности МЭРМ по отношению к ДТ на 6% увеличится максимальное давление перед форсункой, сдвинется в сторону увеличения действительный момент начала впрыскивания топлива.

Проведённые расчёты показали, что использование 100% МЭРМ по сравнению с ДТ приводит к увеличению среднего диаметра капель на 14%, при этом угол рассеяния топливного факела уменьшается на 15%.

При использовании МЭРМ в качестве топлива на испарение потребуется больше времени, топливо сгорит не полностью; увеличится его расход; повысится интенсивность нагарообразования.

Фракционный состав топлив имеет очень важное эксплутационное значение, так как характеризует его испаряемость в двигателях и давление паров при различных температурах давлениях. Топливо для двигателей с зажиганием от искры

должно иметь такую испаряемость, которая обеспечила бы лёгкий запуск двигателя при низких температурах, быстрый прогрев двигателя, равномерное распределение топлива по цилиндрам.

Фракционный состав топлива также оказывает большое влияние на скорость его испарения и образование смеси с воздухом после впрыска.

Если растительные масла при атмосферном давлении закипают при температуре около 300 °С и разлагаются при нагревании, то для биодизельного топлива возможно определение фракционного состава, так как молекулярная масса эфиров биодизеля практически в три раза меньше, чем у триацилглицеринов растительных масел. Однако, в среднем, их масса больше, чем у компонентов нефтяного дизельного топлива, поэтому температуры выкипания 50% фракций и, особенно температуры начала кипения у МЭРМ выше, чем у товарного топлива. Отсутствие легколетучих соединений будет затруднять запуск двигателя при пониженных температурах. В целом, более тяжёлый фракционный состав биодизеля будет вызывать повышенное нагарообразование на деталях двигателя [27].

У биотоплив, полученных при переработке рапсового и подсолнечного масла, начиная с 20 до 80% температура разгонки практически постоянна. Смесевые составы ведут себя как дизельное топливо независимо от концентраций составляющих. Все и эфиры и смеси имеют максимально приближённые значения конца перегонки.

Низкотемпературные характеристики биодизеля позволяют использовать его без добавления депрессорных присадок только в качестве летнего топлива.

Высокая температура вспышки делает это топливо более безопасным при хранении, транспортировке и эксплуатации. Низкое содержание серы улучшает экологические характеристики биодизеля.

Чистота топлива оценивается, прежде всего, содержанием механических примесей. ГОСТ 305–82 нормирует его как «отсутствие», метод испытания – по ГОСТ 6370. Однако в таблице 2, приведённой в ГОСТ 6370 указывается, что массовая доля механических примесей до 0,005% (50 мг/кг) включительно оценивается как их отсутствие. Стандарт DIN EN 14 214 более жёстко нормирует этот показатель (до 24 мг/кг), этого требует конструкция самых современных дизельных двигателей. Видно, что МЭРМ удовлетворяют этим требованиям.

Одним из наиболее важных преимуществ использования биодизельного топлива является снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами. Проведено большое количество исследований влияния смесевых и чистых биодизельных топлив на выбросы отдельных компонентов отработавших газов дизелей. Практически все исследователи отмечают

По данным Министерства энергетики США (Department of Energy – DOE) применение биодизельного топлива снижает выбросы практически всех выбросов вредных веществ, за исключением оксидов азота, снижает канцерогенность выхлопа на 94%, мутагенность на 80 – 90% ( в случае применения чистого биодизельного топлива).

В Исследовательском институте топлив и двигателей в Колорадо (Colorado Institute for Fuels and Engine Research), США, проводились исследования влияния состава биодизельного топлива, в том числе связанного с используемым сырьём, на выбросы вредных веществ. Исследовались метиловые и этиловые эфиры жиров растительного и животного происхождения, а также отдельные эфиры жирных кислот (линолевой, линоленовой, стеариновой, пальмитиновой и др.). Выбросы оксидов азота в сравнении с работой на дизельном топливе возрастали на 1 – 10% при использовании производных растительных и животных жиров и изменялись в пределах от –10% для метилового эфира стеариновой кислоты до +21% для метилового эфира линоленовой кислоты [28].

Интересные результаты были получены в Национальной лаборатории по возобновляемым источникам энергии США (National Renewable Energy Laboratory – NREL), где проводились испытания двух автобусов на беговых барабанах по загородному ездовому циклу для тяжёлых автомобилей (City Suburban Heavy Vehicle Cycle). Автобусы были оборудованы дизелями Cummins ISM 2000. Исследования проводили с использованием обычного дизельного топлива и смеси 20% биодизельного топлива с дизельным (В20). Было отмечено, как и в других исследованиях, снижение выбросов дисперсных частиц на 24%, углеводородов – на 40%, оксида углерода – на 32% при работе на топливе В20. Также отмечалось некоторое снижение выбросов оксидов азота – на 5%, что, по-видимому, можно объяснить особенностями состава применяемого топлива и режимов работы двигателя в данном ездовом цикле [29].

При работе дизеля на биодизельном топливе практически отсутствует выброс соединений серы, так как содержание серы в топливе находится на уровне не более 10 – 15 мг/кг.

Теплота сгорания чистого биодизельного топлива ниже, чем у дизтоплива на 11 – 12,5% ( на единицу массы) и на 7–8% (на единицу объёма). Более низкая теплота сгорания приводит к некоторому (до 10%) снижению мощности двигателя и увеличению расхода топлива. Применение смесевого топлива В20 снижает мощность на 1–2%, что практически незаметно в эксплуатации. В то же время некоторые исследователи отмечают менее значительное снижение мощности, и даже некоторое её повышение на отдельных режимах. Исследования, проведённые в Германии в Техническом университете Ганновера (Technical University of Hannover) на дизеле Deutz, показали, что внешняя нагрузочная характеристика двигателя по крутящему моменту при работе на биодизельном топливе из рапса изменяется очень незначительно. Исследователи из Университета Теннеси (University of Tennessee) проводили испытания дизеля Volvo мощностью 110 л.с. при работе на биодизельном топливе из соевого масла. Было отмечено снижение мощности двигателя на 2 – 7% при работе на чистом биодизельном топливе по сравнению с нефтяным дизтопливом в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала. Однако на режимах близких номинальному (частота вращения 3800 мин–1 ) мощность двигателя на обоих топливах была практически одинакова. Необычным было отмеченное повышение мощности на 13% на более низкой частоте вращения (1855 мин–1 ) при номинальной нагрузке. Такое повышение мощности можно объяснить, по-видимому, более эффективным процессом сгорания биодизельного топлива, из-за содержащегося в нём кислорода на режимах с низким коэффициентом избытка воздуха [29].

Исследования дизелей Cummins и Detroit Diesel для грузовых автомобилей, проведенные в Юго-западном исследовательском институте (Southwest Research Institute) в США, показали, что применение топлива В20 приводит к уменьшению номинальной мощности двигателя на 1,5 – 2%, а при использовании чистого биодизельного топлива В100 – на 8% по сравнению с дизельным топливом.

Более низкая теплота сгорания биодизельного топлива приводит, наряду с уменьшением мощности, также и к увеличению расхода топлива. Исследования, проведённые в Юго-западном исследовательском институте показали, что при работе дизеля Cummins на смеси В20 расход топлива возрастает на 2%, а при работе на чистом биодизельном топливе В100 из рапсового масла – на 14% по сравнению с дизельным топливом. Исследования, проведённые компанией CytoCulture на дизеле Mercedes Benz показали увеличение расхода топлива на 15% при работе на биодизельном топливе, при отсутствии заметных изменений в мощности и динамике разгона автомобиля и более тихой работе двигателя на холостом ходу. Исследования Национальной лаборатории по возобновляемым источникам энергии США влияния биодизельного топлива, полученного из различных источников сырья, на показатели дизеля Cummins ISB позволили сделать вывод о повышении расхода топлива на 13,6 – 14,3% при работе на чистом биодизельном топливе В100 и при работе на смесях В20 на 1,7 – 2,7% по сравнению с дизельным топливом [28].

Биодизельное топливо обладает лучшими смазывающими свойствами, чем дизтопливо. Даже в небольшом количестве 1–2% биодизельное топливо существенно улучшает смазывающие свойства смеси с дизельным топливом. Компания Exxon исследовала параметры смазывания и износа при использовании смеси В20 и нефтяного дизельного топлива. Было отмечено уменьшение размера пятна износа с 492 мкм при смазывании дизтопливом до 193 мкм при смазывании смесью В20. Отмечалось улучшение свойства смесевого топлива В20 покрывать поверхность детали плёнкой (на 93% площади в сравнении с 32% у дизтоплива). Проведённые в Юго-западном исследовательском институте исследования износа металлического шарика, трущегося о поверхность диска по методу BOCLE (Ball On Cylinder Lubricity Evaluator) при смазывании места контакта чистым биодизельным топливом привели к уменьшению массы шарика на 3,5 г, смесью В20 – 4,1 г, дизельным топливом – 6,1 г за период проведения теста [30].

Исследования надёжности дизеля в течение 1000 часов в Университете Айдахо (University of Idaho) не показали никаких существенных отличий в надёжности и износе двигателя при работе на биодизельном и дизельном топливах. В ходе исследований определялись мощность двигателя, закоксовывание распылителей форсунок, износ компонентов двигателя на основе анализа содержания металлов в масле [29].

Исследования, проведённые по заказу Minnesota Resources and Minnesota Soygrowers Association, в течение двух лет

(пробег автомобиля на смеси В20 составил 135 000 миль) не выявили никаких проблем с повышением износа или снижением надёжности двигателя и топливной системы.

Исследования восьми почтовых автомобилей Ford и Mack, половина из которых работала на дизтопливе, половина – на смеси В20 были проведены в США. Каждый из автомобилей прошёл в течение четырёх лет свыше 350 000 миль. У автомобилей Ford не было обнаружено никаких существенных различий, связанных с видом используемого топлива, однако у автомобилей Mack на основании исследования износа элементов топливной аппаратуры пришли к выводу о необходимости замены форсунок, остальные узлы и детали двигателя были в пределах нормы. Проблемы с повышенным износом форсунок связывают с недостаточно высоким качеством использованного топлива [30].

Всвязи с постоянно ужесточающимися требованиями к снижению содержания серы в дизтопливе возникают проблемы

собеспечением смазывающих свойств топлива, что особенно важно для надёжной работы топливной аппаратуры. Исследователи отмечают, что даже добавка в размере 1–2% биодизельного топлива к дизельному сможет обеспечить необходимые условия смазки топливного насоса и форсунок.

Биодизельное топливо является достаточно сильным растворителем, поэтому при длительном воздействии наблюдалось размягчение или повреждение шлангов, сальников, уплотнений, клеев. Особенно подвержены воздействию биодизельного топлива полипропилен, поливинил и некоторые сорта резины. Совместимы с биодизельным топливом фторопласты, тефлон, витон (Viton). При использовании смесевых топлив с содержанием биодизельного топлива до 20% заметного негативного воздействия на материалы не отмечалось.

Вприсутствии латуни, бронзы, меди, свинца, олова и цинка происходит более интенсивное окисление биодизельного топлива с образованием солей и других соединений, способствующих забиванию фильтров. Хорошо совместимы с биодизельным топливом углеродистая и нержавеющая сталь и алюминий.

При переводе дизелей, находящихся в эксплуатации, на биодизельное топливо отмечался эффект «вымывания» отложений из топливного бака и трубопроводов, что приводило к быстрой забивке топливного фильтра.

Контрольные вопросы и задания

1.Почему вязкость биодизельного топлива гораздо меньше, чем у растительных масел?

2.Вязкость биодизельного топлива несколько выше, чем у товарного нефтяного дизельного топлива. Как это может сказаться на работе дизельного двигателя?

3.Биодизельное топливо обладает более тяжёлым фракционным составом. Окажет ли это влияние на работу двигателя?

4.Температура вспышки биодизельного топлива намного выше (100 – 150 ° С), чем у дизельного топлива. Скажется ли это на работе двигателя? Какая эксплутационная характеристика топлива определяется величиной температуры вспышки?

5.Чем можно объяснить некоторое снижение мощности двигателя при работе его на биодизельном топливе?

6.При работе дизельного двигателя на чистом биодизельном топливе отмечается некоторое увеличение его расхода по сравнению с товарным нефтяным дизельным топливом. С чем это может быть связано?