Диссертация (Методы повышения эффективности работы дизеля при использовании этанола в качестве экологической добавки к дизельному топливу), страница 7

Всвязи с этим, по данным Рис. 2.2 следует отметить, что максимальнаяконцентрация РМ в смеси не может превышать 10 % по значению вязкости(ν=5,97 мм2/с). Плотность смеси с содержанием РМ, равным 10% (ρ=841 кг/м3),находится в пределах нормы, установленной ГОСТ 305-82. Дальнейшееувеличение объемной концентрации РМ в смеси и, соответственно, вязкости,может неблагоприятно повлиять на работу топливной системы и двигателя вцелом. Вязкое топливо плохо прокачивается по элементам топливоподающей43аппаратуры, возможна потеря подвижности плунжеров топливного насосавысокого давления (ТНВД), нагнетательных клапанов, игл форсунок. Плохоекачество распыливания вязкого топлива сопровождается ухудшением качествапроцессов смесеобразования и сгорания, снижением показателей топливнойэкономичности и токсичности ОГ.

Таким образом, высокая концентрация РМ всмеси с нефтяным ДТ может потребовать внесения изменений в конструкциютопливной аппаратуры из-за значительного повышения кинематическойвязкости такой смеси. Кроме того, вязкость такого смесевого биотопливасильно зависит от его температуры, и при низких температурах окружающейсреды она может оказаться чрезмерной.Избежать повышенной вязкости указанных смесевых биотоплив можно спомощью маловязких присадок, уменьшающих вязкость рассматриваемыхсмесевых биотоплив. В качестве маловязких присадок к смесям ДТ и РМ могутбыть использованы предельные одноатомные спирты (метанол, этанол,пропанол, изопропанол), которые благодаря своим физико-химическимсвойствам служат эффективными разбавителями [20, 106, 113, 127].Использование топливных смесей с добавками этанола достаточно хорошоизучено [6, 13, 47, 95, 144].

В частности, исследованы смеси биоэтанол-ДТбиодизельное топливо (эфиры растительных масел) [153, 169], биоэтанолбензин [135], биоэтанол-дизельное топливо [148, 164]. Для изучениявоздействия предельных спиртов на вязкость смесей ДТ и РМ в работе [81]былипроведеныисследованиявозможностейиспользованиянаиболееизвестных спиртов – этанола и изопропанола (применение для этих целейметанола сдерживается его токсичностью и требованиями строгих мербезопасности).

На первом этапе исследовалась разбавляющая способностьэтанола как наиболее распространенного и доступного спирта. Как отмечено впервой главе, при фракционной перегонке продуктов брожения производятэтиловый спирт с концентрацией около 95,6 % по массе. Он представляетсобой неразделимую азеотропную смесь, содержащую около 4,4 % воды. Такой44спирт не смешивается с нефтепродуктами и растительными маслами, чтоусложняет его применение в качестве добавки к топливу. В ряде случаев этасмесь подвергается обработке специальными поглощающими воду веществами(негашеной известью CaO или прокаленным медным купоросом CuSO4) сцелью получения абсолютного спирта, практически не содержащего воду.При температуре t=20 °C добавление абсолютного этанола в смеси ДТ иРМ сопровождается расслаиванием этой смеси.

Указанное расслоениесмесевого биотоплива происходит до температуры около 35 °C. И только приt=40 °C этанол полностью смешивается со смесью ДТ и РМ. Таким образом,для стабильного работы дизеля на смесях ДТ, РМ и абсолютного этаноланеобходим предварительный прогрев смеси до температуры 40 °C.Других широко распространенным спиртом является изопропиловыйспирт (ИПС) или изопропанол – простейший вторичный одноатомный спирт сформулой состава CH3CH(OH)CH3.

(Таблица 1). Он широко применяется кактехнический спирт в средствах для чистки стекол и оргтехники, какрастворитель в промышленности. В нем хорошо растворяются многие эфирныемасла, алкалоиды, некоторые синтетические смолы и другие химическиесоединения. Температура кипения ИПС составляет 82,4 °C, (выше, чем уэтанола), а его плотность несколько ниже (785 кг/м3, у этанола – 789 кг/м3) [20].Для оценки влияния добавки ИПС в смеси ДТ и РМ на их плотность икинематическую вязкость в работе [81] были исследованы нефтяное ДТ, атакже смеси ДТ и РМ с объемным содержанием растительного масла 10, 15 и20 % с добавками ИПС в количестве 5, 10 и 15 % по объему.

В отличие отэтанола, при температуре 20 °C смешивание 5 и 10 % ИПС с ДТ и РМпроходило без расслаивания биотоплива. Смешивание ДТ и РМ с 15 % ИПС иболеесопровождалосьисследуемыхрасслаиваниембиотопливныхсмесяхисследований представлены на Рис. 2.3.смеси,непоэтому объемпревышал10%.ИПСвРезультаты45абРис. 2.3.Зависимость плотности (а) и кинематической вязкости (б) смесей нефтяногоДТ и РМ от температуры и добавки ИПС: 1 – без ИПС; 2 – с 5% ИПС;3 – с 10% ИПСИсследования подтвердили выраженную зависимость плотности ивязкостиисследуемыхмногокомпонентныхсмесевыхбиотопливотсодержания ИПС в смеси.

Как следует из Рис. 2.3, при добавлении 5 % ИПС всмесь 85% ДТ и 15% РМ кинематическая вязкость этой смеси снижается с 7,4до 6,0 мм2/с, при этом плотность уменьшается с 845 до 840 кг/м 3, чтосоответствует требованиям ГОСТ 305-82. При добавлении 10 % ИПС вязкостьсмеси 80% ДТ и 20% РМ снижается до уровня, установленного ГОСТ 305-82, –от 9 до 6 мм2/с. При этом плотность уменьшается от 849 до 841 кг/м 3, что такжесоответствует требованиям ГОСТ 305-82 к плотности и вязкости нефтяного ДТ.Приведенныерезультатыисследованийработы[81] подтвердиливозможность использования изопропилового спирта в качестве разбавляющегокомпонента для смесей ДТ и РМ. Однако его применение ограниченовследствие расслоения этого смесевого биодизельного топлива при большомсодержании рапсового масла и изопропилового спирта.46Таким образом, использование биотоплив, содержащих рапсовое масло(РМ), сложный метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ) и этиловый спирт(ЭС) возможно в двух направлениях.

Либо это полностью растворимые друг вдруге компоненты, либо – это эмульгированные биотоплива – эмульсиинефтяного ДТ, воды, рапсового масла и этилового эфира. Второе направлениепредставляется более сложным из-за необходимости создания стойкихэмульгированных топлив. Но оно имеет и некоторые преимущества.Наличие в эмульгированном топливе легкокипящих компонентов – воды,этанола и др., обладающих высокой теплотой испарения (у нефтяного ДТ – 250кДж/кг, у этанола – 870 кДж/кг, см. Таблицу 1), приводит к значительномуснижению температур сгорания.

В результате удается уменьшить образованиеоксидов азота в камере сгорания дизеля. Еще один эффект от применения такихэмульгированныхтопливсвязансулучшениемкачествапроцессасмесеобразования, вызванного различными температурами парообразования(выкипания) компонентов смесевого топлива. В частности, при использованииэмульсий нефтяного ДТ и воды из-за более низкой температуры кипения(парообразования)водыпринагревечастицводы,содержащихсявэмульгированном топливе, в камере сгорания дизеля они взрывоподобнопревращаютсявпар,подвергаяокружающиеихчастицытопливадополнительному дроблению и турбулентному перемешиванию за счетвыбросов паров воды из капель топлива [57, 66, 87, 111].

Аналогичный эффектвозникает и при использовании эмульсий рапсового масла и этанола. В этомслучаелегкокипящийэтанолприиспарениитурбулизируетчастицырастительного масла, способствуя их быстрому распаду в КС дизеля.В связи с указанными факторами использование эмульгированныхтоплив рассматривается в настоящее время в качестве эффективного средствауменьшения выбросов оксидов азота NОx и сажи [22, 67, 74, 111, 142]. Приэтом определенный интерес представляют сравнительные исследованиявязкостно-температурных характеристик обычных смесевых биотоплив и47эмульгированныхтоплив.определеннымиОднакотрудностями,этиисследованиявызваннымисопряженызависимостьюсвязкостиэмульгированных топлив от многих факторов – типа эмульсии (вода в топливеили топливо в воде), соотношения смешиваемых компонентов, способа иусловийполученияэмульсии,дисперсностичастицэмульгированноговещества, наличия в эмульсии поверхностно-активных веществ и механическихпримесей [7, 8, 58].

При этом вязкость эмульсии не является аддитивнымсвойством, т.е. она не равна сумме вязкостей топлива и воды.Следует отметить, что проблемы использования в дизелях смесевых иэмульгированных топлив достаточно хорошо изучены [6, 8, 13, 47, 58, 132,].Известны и работы, посвященные исследованию вязкостных характеристиктаких топлив [81, 147, 160, 171, 177]. Вместе с тем, в связи с расширениемвидов используемых эмульгированных топлив и необходимостью полученияпростых и достоверных эмпирических формул, описывающих их вязкость,необходимо проведение дополнительных исследований, направленных наполучениеихаппроксимационныхвязкостныххарактеристик.Вужепроведенных исследованиях вязкостных характеристик смесевых жидкостейиспользованы различные теоретические подходы, основанные на описаниивзаимодействия компонентов смеси [149, 162, 186].

Но получение полностьютеоретических формул, описывающих вязкостные характеристики смесейнефтяногоДТсводойиразличнымиальтернативнымитопливами,практически невозможно в связи со сложным составом компонентов указанныхсмесевых топлив. Поэтому для описания вязкостных характеристик смесевыхтоплив обычно используют полуэмпирические формулы [186].Впредлагаемомлогарифмическийиисследованиипредложенныйиспользованыавторамиизвестныйалгебраическийаппроксимационные подходы для аппроксимации кинематической вязкостиразличныхтоплив,включаяводотопливныеэмульсии(ВТЭ),отихтемпературы и состава.

К первому подходу относится метод Ниссана и48Грюнберга [186], позволяющий определить кинематическую вязкость смеси ввиде:nnnnniij iij i k  jnnln   xi ln i    xi x j Dij     xi x j xk Dijk  ...  Dij ...n П xi ,(2.1)iгде Dij , Dijk , …, Dij ...n – коэффициенты, зависящие от температуры иконцентрации компонентов в смеси и учитывающие взаимодействие междукомпонентами. Значения коэффициентов Dij , Dijk , …, Dij ...n рассчитывались последующим формулам:Dij Aijt Bij ,Dijk Aijkt2 Bijk ,Dij ...n Aij ...ntn Aij ...n .(2.2)Коэффициенты Aij , Aijk , …, Aij ...n и Bij , Bijk , …, Bij ...n , входящие в выражения(2.2), определяются методом наименьших квадратов.

Они могут быть заданылибо постоянными, либо зависящими от концентрации компонентов в смеси.Их взаимосвязь с концентрацией воды в ВТЭ определяется коэффициентомкорреляции R. В этом случае описание зависимости вязкости смеси оттемпературы может быть задано в виде нелинейной суммы:B Cln t  At  t  2t  Dt tt tилиt  eAt Bt Ct  Dt tt t2,(2.3)где коэффициенты Аt, Bt, Ct и Dt также могут быть заданы либо постоянными,либо зависящими от концентрации компонентов в смеси.Вовтором,предложенномавторами,методеаппроксимациикинематической вязкости ВТЭ используется следующая формула (см.приложение 1):n   [ xi ( Ai iBixE Ci )  i ( Di  i )] ,t2  xit(2.4)49где Аi, Bi, Ci, Di, Ei – постоянные коэффициенты, относящиеся к i-омукомпонентуиопределяемыеметодомнаименьшихквадратов.Сиспользованием этих двух методов получены аппроксимационные формулыдля различных видов смесевых и эмульгированных топлив.На первом этапе исследований проведен анализ кинематической вязкостинекоторых смесевых биотоплив на основе растительных масел.