Диссертация (Методы повышения эффективности работы дизеля при использовании этанола в качестве экологической добавки к дизельному топливу), страница 6

Проведение экспериментальных исследований показателей дизеля,работающего на смесевых биотопливах – смесях нефтяного дизельноготоплива и абсолютного этанола.8. Разработка методики сравнительной оценки экологических качествнефтяного дизельного топлива и смесевого биотоплива с добавкой этанола.37ГЛАВА 2. РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯНЕФТЯНОГО И ЭМУЛЬГИРОВАННОГО ТОПЛИВАВ РАСПЫЛИТЕЛЯХ ДИЗЕЛЬНЫХ ФОРСУНОК2.1. Направления использования биотоплив в транспортных дизеляхКак отмечено в первой главе диссертации, применяемые в двигателяхвнутреннего сгорания биотоплива весьма разнообразны. К ним можно отнестижидкие (спирты, эфиры, растительные масла) и газообразные (биогаз,биоводород) биотоплива (Рис. 2.1) [13]. В качестве отдельной группырассматриваются смесевые топлива, содержащие нефтяные и альтернативныетоплива с добавками жидких биотоплив.

В эту же группу можно включитьэмульгированные топлива – эмульсии несмешивающих жидкостей, например,смеси нефтяных дизельных топлив или растительных масел с водой, этаноломили другими спиртовыми топливами [6, 13, 128, 141, 146, 152, 173].Рис. 2.1.Виды альтернативных топлив для двигателей внутреннего сгорания38Перспективными биотопливами считаются топлива, производимые израстительных масел [6, 167, 178]. Это обусловлено возобновляемой сырьевойбазойдляпроизводстваэтихтоплив,иххорошимиэкологическимикачествами, возможностью подачи этих топлив в камеру сгорания дизеля егоштатной системой топливоподачи, их приемлемой воспламеняемостью вдизельной КС [17, 37, 47]. Для условий европейской части России наибольшеераспространение среди масличных культур, используемых для выработкибиотоплив, получил рапс [13, 104].

Рапсовое масло (РМ) хорошо смешивается страдиционным дизельным топливом, что позволяет использовать его в качествеэкологичнойбиодобавкикнефтяномуДТ.Другиминаправлениямииспользования рапсового масла в транспортных дизелях являются получениеиз него метилового или этилового эфиров и их использование либо в качествесамостоятельного топлива, либо в качестве биодобавки к нефтяному ДТ.Возможно также смешивание растительных масел с другими альтернативнымитопливами, в частности с биоэтанолом.Следует отметить, что этанол может быть использован либо в качествесамостоятельного топлива для двигателей с принудительным воспламенениемрабочей смеси или как кислородсодержащая присадка к автомобильнымбензинам.

Последнее направление широко реализуется в США, Бразилии иряде других стран, где имеются сырьевая база для производства дешевогоэтанола [6, 13, 40, 157]. Но сжигание спиртовых топлив в дизелях болееэкономично, что обусловлено высокой эффективностью дизельного цикла [38,49, 179]. Однако применение этанола в качестве топлива для дизелейзатруднено из-за отличий его физико-химических свойств от свойств нефтяныхмоторных топлив. В связи с этим, использование этанола в качестве основноготоплива может привести к неполадкам в работе дизеля. Вместе с тем, этанолможет использоваться как биодобавка к нефтяным или альтернативнымтопливам.Применениерастительныхтакихдобавокмасел, в частностиктопливам,получаемымк рапсовому маслу, дляизрешения39экологических проблем еще мало изучено.

Следует отметить невысокоекачество процесса топливоподачи при использовании в качестве топливарапсового масла. Качество этого процесса можно улучшить при добавке в РМэтанола. Поэтому определенный интерес представляют исследования работыдизелей на смесях РМ и этанола.

В связи с указанными выше проблемами,возникающими при использовании этанола в качестве дизельного моторноготоплива, и возможностью использования для этих целей смесей рапсовогомасла и этанола рассмотрим их физико-химические свойства.2.2. Физико-химические свойства рапсового масла и этанолаПо своим физико-химическим свойствам этанол ближе к автомобильнымбензинам, а не к дизельным топливам. Различия в физико-химическихсвойствах нефтяного дизельного топлива и этилового спирта весьмасущественные (Таблица 6).

Основные проблемы при использовании ЭС вкачестве дизельного моторного топлива вызывают низкие вязкость и плотностьэтанола (соответственно 1,0 мм2/с и 790 кг/м3 при 20 оС), а также низкоецетановое число, которое составляет около 8 единиц. Такое цетановое числосвидетельствует о плохой воспламеняемости спирта в КС дизеля, которая непозволяет обеспечить стабильную работу дизеля на нефорсированныхрежимах, а на форсированных режимах влечет за собой жесткое сгораниетоплива.

По Таблице 6 следует отметить также различия в химическом составенефтяногоДТиэтанола,низшейтеплотворнойспособностиистехиометрическому соотношению (соотношение воздух/топливо) этанола идизельного топлива (ДТ) [13]. При этом значительное содержание атомовкислорода в молекулах ЭС (34,7%) обусловлавливает низкую теплоту сгоранияэтанола (соответственно 42,5 МДж/кг у ДТ и27,5 МДж/кг у ЭС, см.Таблицу 6).

В тоже время, большое содержание кислорода в молекуле этанолазначительно улучшает экологические качества ЭС по сравнению с нефтяным40ДТ. Рапсовое масло также содержит значительное количество атомовкислорода – около 11 % (против 0,4 % у нефтяного ДТ).Таблица 6.Химический состав и свойства исследуемых топливТакимНОСтехиометрическоесоотношениеlо, кг/кгПлотность,ρт, кг/м3Вязкость, νт,мм2/сДизельноетопливо (ДТ)Рапсовоемасло (РМ)Этиловыйспирт (ЭС)СЦетановоечислоТопливоТеплотасгораниянизшая НU,кДж/кгМассовые доли0,870,1260,004425004514,38403,80,770,120,11373003612,592175,00,5210,1320,3472750089,07901,0образом,определенныйинтереспредставляетсовместноеиспользование двух кислородсодержащих биотоплив – рапсового масла иэтанола. Первое из этих топлив отличается более тяжелым фракционнымсоставом, второе, напротив, имеет низкую температуру кипения.

Вместе с тем,эти два биотоплива плохо смешиваются, поэтому их применение в качествемоторного топлива возможно лишь в виде эмульсий РМ и ЭС.При анализе работы дизеля на эмульсиях рапсового масла и этиловогоспирта, в первую очередь – работы его топливоподающей аппаратуры,необходимо иметь данные о физико-химических свойствах этих смесей.Важным аспектом практического использования рассматриваемых биотопливявляются особенности физических свойств этих биотоплив – их плотности ивязкости. Плотность топлива является его энергетическим показателем. Чемвыше плотность топлива, тем больше энергии выделяется в процессе егосгорания. Кроме того, плотность топлива предопределяет дальнобойностьтопливных струй, распространяющихся в камере сгорания дизеля.

Одним изосновных эксплуатационных свойств моторных топлив является вязкость. Подвязкостью понимают способность частиц (молекул) топлива противостоятьвзаимномуперемещениюотносительнодругдругаподдействием41приложенных внешних сил. Этот параметр важен для процессов нагнетаниятоплива и его последующего впрыскивания. Вязкость и плотность определяютпроцессы испарения и смесеобразования в дизеле. Низкая плотность и вязкостьобеспечивают лучшее распыливание топлива, что улучшает сгорание. Сповышением плотности и вязкости увеличивается диаметр капель, ухудшаетсяполное их сгорание, увеличивается удельный расход топлива, растет дымностьпродуктов сгорания. Вязкость влияет также на смазывающие характеристикитоплива.

Слишком низкая вязкость топлива ведет к повышенному износуплунжерных пар форсунок, слишком высокая же вязкость ухудшаетфильтрацию топлива и затрудняет работу топливных насосов. Вязкостьдизельного топлива должна находиться в пределах от 1,8 до 7,0 мм²/с. В этомслучае износ плунжеров топливной аппаратуры современных быстроходныхдизелей находится в приемлемых пределах. Таким образом, актуальнымиявляются исследования вязкости и вязкостно-температурных характеристикразличных биотоплив.2.3. Иследования вязкостных характеристик биотопливПри таких исследованиях целесообразно рассмотреть вязкостныехарактеристики самих растительных масел, а также их эмульсий с этанолом.Следует отметить, что вязкость растительных масел на порядок выше вязкостинефтяного ДТ (Таблица 6).

В связи с этим целесообразно использование смесейнефтяного ДТ с растительными маслами [13, 47, 114, 116]. Многочисленныеисследования показали, что применение смесей ДТ с растительными маслами иих эфирами позволяет значительно улучшить показатели токсичностиотработавших газов (ОГ) дизелей [17, 69, 115, 156, 167].Смеси нефтяного ДТ с растительными маслами с определеннымсодержанием указанных компонентов имеют приемлемые плотность ивязкость. Об этом свидетельствуют, в частности, результаты исследований,проведенные в работе [81].

Вначале исследована зависимость плотности ρ и42кинематической вязкости ν чистого ДТ и РМ, смешиваемых в различныхпропорциях, от температуры. Объемная доля РМ в смесях с ДТ составляла 10,20 и 30 %. Результаты этих исследований представлены на Рис. 2.2.абРис. 2.2.Зависимость плотности (а) и кинематической вязкости (б) смесей нефтяногоДТ и РМ от температуры: 1 – 100% ДТ; 2 – 90% ДТ +10% РМ; 3 – 80% ДТ+20% РМ; 4 – 70% ДТ +30% РМКак следует из данных Рис. 2.2, плотность и кинематическая вязкостьсмесей ДТ и РМ заметно отличаются от аналогичных свойств чистото ДТ. ПоГОСТ 305-82 плотность топлива для дизелей должна быть в пределах ρ=860кг/м3, а вязкость не должна превышать ν=6 мм2/с при t=20 °C [28, 34, 83].