Метод эффективной организации рабочего процесса дизеля на топливных смесях с пальмовым маслом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат наук Адегбенро Симеон Адедожа

• Адегбенро Симеон Адедожа
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Адегбенро Симеон Адедожа

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. БИОМАССА КАК ПЕРСПЕКТИВНЫЙ СЫРЬЕВОЙ РЕСУРС ДЛЯ

ПРОИЗВОДСТВА МОТОРНОГО ТОПЛИВА

1.1. Биологические энергоносители как средства решения проблем энергетической и экологической безопасности в сфере дизельной техники Нигерии

1.2. Растительное масло как топливо для дизелей

1.3. Влияние добавки пальмового масла к базовому топливу на показатели работы дизеля

1.4. Обоснование выбора химического активатора в качестве средства совершенствования кинетических показателей воспламенения и сгорания био-углеводородного топлива

1.5. Обоснование направления исследования

1.6. Цель и задачи исследования

Глава 2. МЕТОД УЛУЧШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ НА

СМЕСИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА И ПАЛЬМОВОГО МАСЛА

2.1. Исследование характеристик впрыскивания и распылива-

ния пальмового масла

2.2. Исследование по выявлению оптимальной дозы пальмового масла в составе смесевого топливом по условию предельно возможного улучшения эффективности дизеля

2.3. Обоснование выбора и исследование химического активатора кинетики воспламенения и сгорания смесевого биоуглеводородного топлива

2.4. Формулирование концепции метода

Глава

ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

3.1. Программа и методика испытаний

3.2. Экспериментальная установка

3.3. Приборы контроля измеряемых величин

Глава 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Опытная апробация влияния добавки к базовому топливу дизеля пальмового масла

4.2. Опытная апробация влияния добавки к смесевому топливу активирующих средств

4.3. Основные результаты и выводы по главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПО РАБОТЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СИМВОЛЫ

NOx, CO, CHx, C, Kx - оксиды азота, монооксид углерода, углеводороды, сажа, дымность ОГ;

Cnox, Cco, Cchx - объемные концентрации в ОГ оксидов азота, монооксида углерода, углеводородов;

Enox, Eco, Echx - массовые выбросы оксидов азота, монооксида углерода, углеводородов

ешх, eco, еснх - удельные массовые выбросы оксидов азота, монооксида углерода, углеводородов; c - теплоёмкость (Дж/кгК); С - объемная концентрация газа (%); D - диаметр цилиндра (м) G - массовый расход рабочего тела (кг/с); Р - давление газа (Па)

ge - удельный эффективный расход топлива двигателем (г/(кВт.ч));

Hu - низшая теплота сгорания топлива, (МДж/кг);

Ne - эффективная мощность двигателя (кВт);

п - частота вращения коленчатого вала двигателя, (мин -1);

пн - частота вращения коленчатого вала двигателя на режиме номинальной

мощности, (мин -1'У;

пм - частота вращения коленчатого вала двигателя на режиме максимального

крутящего момента, (мин -1);

ро - давление окружающей среды (МПа);

Ре - среднее эффективное давление рабочего тела (МПа);

R - универсальная газовая постоянная;

Т - текущая температура рабочего тела, (К);

Tr - температура остаточных газов, (К);

Vh - рабочий объём цилиндра (м3);

ГРЕЧЕСКИЕ БУКВЫ а - коэффициент избытка воздуха; т - период задержки воспламенения (индукции); молярная масса;

- динамическая вязкость (кг/мс) у - кинематическая вязкость (м2/с) Р - плотность (кг/м3) ю - скорость рабочего тела (м/с); Ф- угловое положение коленчатого вала (0 п.к.в.); б - степень сжатия; Пм - механический КПД двигателя; П - индикаторный КПД; Пе - эффективный КПД; в - угол опережения воспламенения (0 п.к.в.); у,т - кажущаяся (условная) молекулярная масса топлива; уСр - мольная теплоёмкость рабочего тела при постоянном давлении; уС - мольная теплоёмкость рабочего тела при постоянном объёме; Ф z - условная продолжительность сгорания топлива; £ - коэффициент эффективности сгорания.

АББРЕВИАТУРЫ

ДТ - дизельное топливо;

ОГ - отработавшие газы;

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

ТВС - топливовоздушная смесь;

ДУ - дифференциальное уравнение;

град ПКВ - градус поворота коленчатого вала;

КПД - коэффициент полезного действия;

КС - камера сгорания;

НМТ - нижняя мертвая точка;

ВМТ - верхняя мертвая точка;

КШМ - кривошипно-шатунный механизм;

РМ - растительное масло;

ПМ - пальмовое масло;

РТ - рабочее тело;

САР - система автоматического регулирования; ТНВД - топливный насос высокого давления; ЦЧ - цетановое число.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод эффективной организации рабочего процесса дизеля на топливных смесях с пальмовым маслом»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность диссертационного исследования. Существенный вклад в загрязнении окружающей среды вредными веществами и в энергетическое потребление традиционного топлива на органической основе принадлежит стационарным и транспортным установкам с дизелями. Мировые цены на нефтяные топлива практически непрерывно повышаются, и прогнозируется их дальнейший рост. В этих условиях использование в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, других секторах экономики топлив ненефтяного происхождения становится не только необходимым, но и экономически оправданным.

В последние годы во всех странах проявляется повышенный интерес к топливам, получаемым из возобновляемых энергетических ресурсов растительного происхождения. В первую очередь - это альтернативные топлива, производимые из растительных масел. Цена этих топлив соизмерима с ценой топлив нефтяного происхождения, а в ряде случаев - даже ниже цен на традиционные моторные топлива.

Собственными сырьевыми ресурсами для производства моторных топ-лив для национального парка дизельной техники африканская страна Нигерия не располагает, что обуславливает в данном случае остроту проблемы поиска необходимых мер по экономии импортируемых нефтяных топлив за счёт их частичной замены альтернативными энергоносителями собственного производства. Применительно к климатическим условиям Нигерии наиболее перспективными представляются альтернативные топлива на основе пальмового масла, возобновляемые сырьевые источники которого в стране практически неограничены. Кроме того, пальмовое масло в силу его массового производства в стране и низкой стоимости является одним из наиболее экономически оправданных видов биологического топлива как альтернативы нефтяному топливу.

По своим физико-химическим свойствам биологические виды топлива на основе пальмового масла ближе к дизельным топливам, чем к бензинам:

они имеют сравнительно высокие показатели плотности и вязкости, плохую испаряемость. Поэтому их использование возможно лишь в дизелях, отличающихся меньшей чувствительностью к свойствам применяемого топлива.

Использование топлив на базе пальмового масла позволит не только заместить нефтяные моторные топлива альтернативными энергоносителями, но и улучшить экологические качества транспортных и стационарных силовых установок с дизелями. Содержащийся в составе пальмового масла кислород участвует в реакциях окисления углеводородов топлива, что способствует снижению выбросов с ОГ токсичных веществ. При работе дизелей на топли-вах, содержащих пальмовое масло, как правило, отмечается существенное уменьшение выбросов с ОГ продуктов неполного сгорания: сажи, СО и СН. Важно и то, что использование топлив из растительного сырья обеспечивает кругооборот углекислого газа (СО2) в атмосфере, поскольку при сжигании этих топлив в двигателях в атмосферу выбрасывается примерно такое же количество СО2, которое поглощается в процессе выращивания сырья для производства биологических топлив. Уменьшение выброса в атмосферу СО2, относящегося к группе парниковых газов, способствует предотвращению парникового эффекта и различных природных аномалий, обуславливаемых этим эффектом.

Следует отметить также, что растительное сырье не содержит полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и серы, которые обнаруживаются в составе нефти и нефтепродуктов. Это позволяет при работе двигателя на топливе с добавкой пальмового масла существенно уменьшить эмиссию экологически опасных ПАУ и оксидов серы. В отличии от дизельного топлива, топливная смесь на основе пальмового масла при попадании на почву не оказывают на нее вредного воздействия.

Поиск приемлемого решения проблемы энергетической безопасности нигерийского национального парка дизельной техники путём замены традиционного топлива на топлива на основе пальмовых масел предполагает необходимость в проведении комплекса исследований по изучению наиболее

пригодного способа использования альтернативного топлива в дизелях с учётом ограниченных технологических возможностей в стране.

Технологии получения жидкого топлива из биологических источников получила свое развитие относительно недавно. Поэтому до настоящего времени остается нерешенным ряд научно-методических и практических вопросов, связанных с рациональной организацией рабочих процессов двигателей при использовании данного вида топлива.

Исходный биологический энергоноситель, как и произведённое на его основе моторное топливо по ряду физических свойств имеет ряд отличий от нефтяного топлива, что может оказать существенное влияние, как на организацию рабочего процесса, так и на конечные топливно-экономические и экологические показатели дизеля. В этих условиях становится очевидной необходимость в разработке специальных мер, которые позволили бы в наибольшей степени приблизить (или даже улучшить) моторные свойства нетрадиционных топлив к свойствам стандартного дизельного топлива.

Одной из таких наиболее эффективных и приемлемых для условий Нигерии мер является применение смесевых бинарных топливных композиций - смесей дизельного топлива и пальмового масла. При разработке смесевого топлива принципиально важным фактором является оптимизация его компонентного состава. С учётом этого, актуальной темой для исследования является разработка методик для сравнительной оценки эффективности использования смесевых топлив, содержащих в своем составе различное компонентное соотношение биологического продукта. Большинство существующих методик оценки эффективности использования различных топлив, как правило, не учитывают действующие в настоящее время международных стандартов по ограничению выброса токсических компонентов ОГ. Кроме того, в них не рассматриваются смесевые топлива.

Добавление к дизельному топливу пальмового масла в качестве биологического компонента способствует изменению не только физических, но и химических свойств горючей смеси, что сказывается на ее реакционной спо-

собности, на кинетических и экологических показателях сгорания. Поэтому процедуру оптимизации компонентного состава бинарного топлива можно, в частности, рассматривать как поиск приемлемой реакционной эффективности горючей смеси, что одновременно является одним из характерных проявлений совершенствования рабочего процесса дизеля, работающего на этой смеси.

Наибольшего приближения свойств бинарных топливных смесей, содержащих пальмовое масло, к свойствам традиционного дизельного топлива можно достичь путем использования химических активаторов, улучшающих кинетические и экологические качества процесса сгорания. При этом удается обеспечить улучшенные показатели топливной экономичности и экологических качеств дизеля. Подобные средства, улучшающие экологические и эффективные показатели работы дизелей, уже относительно давно применяются, например, в виде коммерческих присадок к дизельному топливу, способствующих повышению эффективности его самовоспламенения, снижению эмиссии сажи и др.

Отмеченная целесообразность применения скоординированного воздействия на процессы рабочего цикла дизеля, работающего на смесевом топливе, одновременно двух факторов, один из которых привнесен оптимизацией его компонентного состава, а другой - применением химического активатора, обуславливает необходимость совокупного подхода к решению обсуждаемой проблемы на основе разработки комплексного метода.

Необходимость решения задач по социально важной проблеме энергетической безопасности в сфере национального транспорта Нигерии, а также, принимая во внимание тенденцию к периодическому ужесточению норм по ограничению эмиссии вредных веществ, разработка подобного метода, как одного из альтернативного варианта решения обозначенной проблемы, обуславливает актуальность выбранной темы диссертационного исследования.

Цель и задачи диссертации. Целью диссертации является разработка метода организации эффективного рабочего процесса дизеля, работающего

на топливных смесях дизельного топлива и пальмового масла. Исходя из поставленной цели, определены следующие задачи:

1. Методически обосновать экономическую и технологическую целесообразность использования пальмового масла в качестве альтернативного топлива для национального парка дизельной техники Нигерии.

2. Провести аналитическое исследование характеристик впрыскивания и рас-пыливания топливной композиции дизельного топлива и рапсового масла с оценкой выбора мер по их усовершенствованию.

3. На базе уже существующей разработать уточнённую методику поиска оптимального компонентного состава бинарного топлива, основанную на классических закономерностях оптимизационной задачи; выявить оптимальную долю добавки к дизельному топливу пальмового масла по условию предельно возможного снижения расхода топлива дизелем и эмиссии вредных веществ.

4. Исследовать особенности процессов горения смеси углеводородного топлива с пальмовым маслом с участием активирующих средств - пероксидов.

5. По результатам проведённых исследований сформулировать и методически обосновать метод совершенствования показателей работы дизеля на смеси дизельного топлива с пальмовым маслом на основе оптимизации её компонентного состава и использования средств реакционно-химического воздействия на процессы воспламенения и горения.

6. Провести экспериментальные исследования дизеля, работающего на топливных смесях дизельного топлива с пальмовым маслом, с целью оценки эффективности предложенного метода.

7. Обобщить и систематизировать результаты проведенных исследований с целью обоснования направлений по перспективному развитию разработок биологических топлив для средств дизельной техники, эксплуатируемой в Нигерии.

Научную новизну работы обуславливают:

- результаты аналитического исследование характеристик впрыскивания и распыливания биологических топлив на основе растительных масел;

- уточнённая методика поиска оптимального компонентного состава смесе-вого топлива, основанная на классических закономерностях оптимизационной задачи;

- особенности кинетики горения топливной смеси дизельного топлива с пальмовым маслом с участием активирующих средств - промоторов (перок-сидов);

- метод совершенствования показателей работы дизеля на смеси дизельного топлива с пальмовым маслом, разработанный по результатам проведенных аналитических исследований;

- методика и результаты экспериментальных исследований дизеля, работающего на топливных смесях дизельного топлива и пальмового масла с добавками активирующих средств;

- предложения по перспективному развитию разработок биологических топ-лив для дизельных энергетических установок, адаптированные к условиям эксплуатации в Нигерии.

Достоверность и обоснованность научных положений и полученных результатов обусловлены применением фундаментальных положений теории тепловых двигателей и их соответствием выявленным особенностям реальных процессов, а также удовлетворительным согласованием данных расчет-но-теоретических исследований и натурного эксперимента. Научно-практическую ценность работы представляют:

- предложенный вариант оптимизированной по компонентному составу топливной смеси дизельного топлива и пальмового масла с добавкой пероксида в качестве активатора процессов воспламенения и сгорания смеси, возможность практической реализации которой адаптирована (по экономическим и технологическим соображениям) к условиям современного состояния комплекса дизельной техники Нигерии;

- предложенное направление по перспективному развитию разработок биологических топлив для дизельных установок, эксплуатируемых в Нигерии, которое является наиболее приемлемым решением проблем в сфере развития национальной топливной базы страны, в меньшей степени зависящей от импорта углеводородов, а также может явиться дополнительным стимулом для подъёма агропромышленного комплекса страны.

Предметом исследования являлись процессы впрыскивания и распы-ливания струи топливной композиции дизельного топлива и пальмового масла, а также свойства её горения в присутствие промоторов (пероксидов).

Объектом исследования являлся дизель типа Д-120, используемый в составе транспортно-технологических машин, сельскохозяйственной техники и стационарных установок.

Методология и методы проведения исследований. Исследование кинетических и эффективных показателей процессов окисления (горения) сме-севого топлива в химически активированной среде и их влияние на показатели работы дизеля, представляло собой совокупное сочетание расчетно-теоретических и экспериментальных работ. Для проведения расчетно-теоретических исследований были использованы модели процессов впрыскивания и распыливания струи смесевого топлива в камере сгорания дизеля, а также методы математического изучения кинетических особенностей процессов горения топливной смеси дизельного топлива и пальмового масла с участием активирующих средств - промоторов (пероксидов). Проверка достоверности расчетно-теоретических исследований проводилась на основе сравнения данных расчета и результатов испытаний дизеля, работающего в штатном и опытном вариантах организации рабочего процесса.

Глава 1.

БИОМАССА КАК ПЕРСПЕКТИВНЫЙ СЫРЬЕВОЙ РЕСУРС ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МОТОРНОГО ТОПЛИВА

1.1. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭНЕРГОНОСИТЕЛИ КАК СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ В СФЕРЕ

ДИЗЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ НИГЕРИИ

Массовое производство моторных топлив из нефтяных ресурсов в последние десятилетия привело к тому, что значительная часть мировых запасов нефти уже исчерпана. К началу текущего столетия, по приблизительной оценке, добыто и потреблено около 800 млрд. баррелей нефти (рис. 1.1) [1].

млрд баррелей

900 800 700 600 500 400 300 200 100

- 794 99 1

- 487

-

Потреблено Резервы Неразведанные

запасы

Рис. 1.1. Мировые запасы нефти.

Разведанные нефтяные месторождения оцениваются в 1000 млрд. баррелей. Предполагается, что неразведанные запасы содержат еще около 500 млрд. баррелей нефти. Это свидетельствует о том, что данный сырьевой ресурс может быть использован для широкомасштабного выпуска моторных топлив лишь в краткосрочной перспективе.

Ограниченность природных источников органического топлива и возрастающая проблема экологической безопасности являются началом наблюдаемого во всем мире нового периода в области развития транспортной энергетике. Наиболее характерными чертами этого периода являются окончание эры дешевой нефти, проведение активной политики сбережения органиче-

ских источников энергии, возрастание сферы альтернативного энергопотребления.

В этих условиях многократно возрастает роль биоэнергетики, основными преимуществами которой являются ее неисчерпаемость и экологическая чистота, что принципиально отличает ее от традиционной энергетики. При этом развитие биоэнергетики повсеместно считается наиболее перспективным путём решения проблем энергообеспечения, как в сфере постоянно растущего энергопотребления в целом, так и в направлении перспективного развития энергетики в частных секторах экономики, в том числе и в транспортной и стационарной технике с ДВС [1-4]. Энергетический потенциал ежегодно произрастающей биомассы значительно превышает суммарную энергию годового потребления всех видов углеводородного сырья. Современные технологии производства биотоплив позволяют потенциально удовлетворить энергетические потребности, используя лишь незначительные площади поверхности планеты [3].

Если проанализировать биоэнергетику как относительно молодую сферу деятельности, то можно с уверенностью сказать, что она как нельзя лучше способствует решению проблемы энергообеспечения при сохранении устойчивости биосферных процессов поскольку:

- способствует сокращению потребления органических не возобновляемых ресурсов;

- создаёт устойчивые предпосылки для оздоровления окружающей среды;

- позволяет привлекать внеземной ресурс для своего развития, так как основана на стратегии аккумулирования солнечной энергии;

- не требует значительных материальных и финансовых затрат для своей крупномасштабной реализации;

- решает задачи энергообеспечения, как на региональном, так и местном уровнях.

О заметном возрастании интереса к моторным топливам растительного происхождения в последнее время свидетельствует тот факт, что в ряде зару-

бежных стран приняты национальные программы и реализуются крупные проекты по развитию альтернативной биоэнергетики [5].

Основными условиями широкомасштабного энергетического применения биомассы являются наличие соответствующей базы для её выращивания и производства из неё топлива с экономически оправданной стоимостью.

Безусловно, что необходимость поиска приемлемых альтернативных сырьевых ресурсов для моторного топлива ДВС неизбежно возникает в первую очередь для развивающихся стран, не имеющих собственных сырьевых ресурсов органического топлива. Понятно, что для Нигерии в силу своего существующего экономического и технологического состояния эта необходимость является насущной проблемой сегодняшнего времени.

Другая важнейшая проблема повсеместного применения промышленных и транспортных средств с ДВС - экологическая безопасность [6-8]. Исторически сложилось, что энергетика этих средств, использующая ископаемое сырье, все время работает как фактор, забирающий из окружающей среды кислород воздуха и минеральное сырье, и выбрасывающий соответствующие им по массе газообразные продукты, в т.ч. и токсичные продукты сгорания.

На современном этапе развития энергетики особую значимость приобретает проблема сокращения выбросов в окружающую среду углекислого газа СО2 [9-11] Это объясняется заметным повышением его концентрации в атмосфере (рис. 1.2), вызванным быстрым ростом промышленного производства и резким увеличением количества энергоустановок с ДВС.

В настоящее время в атмосферу ежегодно выбрасывается более 25 млн. тонн углекислого газа, а к 2020 году ежегодные выбросы СО2 в атмосферу достигнут 35 млн. тонн [12]. Углекислый газ не оказывает токсического действия на организм человека, но при его повышенном содержании в атмосфере создается парниковый эффект, приводящий к так называемому тепловому загрязнению окружающей среды.

По существующей гипотезе это явление приводит к повышению температуры воздуха в нижних слоях атмосферы, происходит глобальное потепле-

ние, наблюдаются также различные аномалии атмосферы, например, образование озоновых дыр, повышается отрицательное воздействие жесткого ультрафиолетового излучения на организм человека. По экспертным оценкам за последние 50-80 лет произошло удвоение концентрации СО2 в атмосфере земли. К 2100 году температура воздуха атмосферы может повыситься на 1-3,50С [12].

Ссо2. РРт 500

450

400

350-

300

1950

1975

2000

2025 Годы

Рис. 1.2. Динамика и прогноз изменения содержания СО2 в атмосфере по регионам: 1 - США и Канада; 2 - бывший Советский Союз и восточная Европа; 3 - Западная Европа; 4 -Китай и соседние страны; 5 - Дальний восток; 6 - Австралия и Новая Зеландия; 7 - Ближний восток; 8 - Центральная и Южная Америка; 9 - Африка; 10 - Южная Азия

Постоянно растущий выброс парникового газа СО2 и его концентрации в атмосфере (рис.1.2) привел к подписанию Киотского протокола по ограничению (национальному квотированию) этого выброса и разработке мер по его сокращению [13].

Использование биологического топлива позволяет сохранить баланс углекислого газа в атмосфере, так как выбросы при его сжигании сопоставимы с количеством углекислого газа, поглощаемым при выращивании растительного сырья в процессе фотосинтеза.

Особенно важно и то, что использование растительных источников энергии, не изменяя энергетического баланса планеты, позволяет решить три глобальные задачи человечества: энергетика, экология, продовольствие. Этим объясняется бурное развитие мировой биоэнергетики и оптимистиче-

ские прогнозы ее дальнейшего развития. Например, В 2010 году странами ЕС осуществлено 6% замещения углеводородных моторных топлив биологическими видами [14].

Европейский опыт применения топлив растительного происхождения является наиболее актуальной перспективой в решении аналогичных национальных проблем и для Нигерии, как для страны с ограниченным энергетическим потенциалом и неблагоприятных экологическим состоянием атмосферы в ряде крупных городов страны.

К настоящему времени исследовано большое количество различных видов биологических энергоносителей и способы их применения в энергоустановках.

Здесь следует отметить, что в странах ЕС принято стандартное толкование и определение биологических видов топлив [5]. Подобное определения биологических видов топлива нашло отражение и в российском законодательстве [15].

Под биомассой понимается биологически разлагаемые компоненты продуктов и отходов сельского хозяйства (как растительного, так и животного происхождения), лесного хозяйства и связанных с ним производств, а также биологически разлагаемые компоненты промышленных и бытовых отходов.

При этом считают, что любой вид биологического топлива для транспорта может рассматриваться как перспективный с учетом ряда обязательных условий.

Первое - наличие и доступность сырьевых ресурсов.

Второе - технология и оборудование для производства топлива в коммерческих объемах должны обеспечивать максимально низкую его стоимость, в том числе и в процессе его транспортировки, хранения и распределения.

Третье - топлива должны обеспечить высокие потребительские качества, и в частности обеспечение мощностных и экономических параметров энергоустановки.

Четвертое - топлива должны быть экологически безопасны как при производстве, транспортировке, хранении и заправке, так и при сгорании в двигателях.

Чтобы объективно определить наиболее экологически безопасное и экономически выгодное биологическое топливо для дизельных энергоустановок нельзя опираться только на информацию о свойствах топлив. Для обоснованного выбора необходима уточненная оценка по эколого-экономическим качествам дизельной установки, работающей на данном топливе.

1.2. РАСТИТЕЛЬНОЕ МАСЛО КАК ТОПЛИВО ДЛЯ ДИЗЕЛЕЙ

Из всех имеющихся в распоряжении человечества биологических, «солнечных» энергетических источников наиболее эффективным является масличное растение. Оно на биологическом уровне эффективно решает проблему аккумулирования энергии в содержащих масло зернах. В энергетический оборот большинства секторов энергопотребления могут быть вовлечены многие виды масличных культур [16-19].

Основным компонентом растительных масел (РМ) являются жирные кислоты, которые представляют собой высокомолекулярные кислородсодержащие соединения с углеводородным основанием. Поэтому все РМ являются горючими и могут применяться в качестве моторных топлив. Молекулы жирных кислот по своей структуре отличаются содержанием атомов углерода и уровнем насыщения кислоты. Поэтому свойства этих масел определяются, в основном, содержанием и составом жирных кислот [20-24].

При нормальных условиях РМ представляют собой маслянистые жидкости с повышенной по сравнению с дизельным топливом плотностью и вязкостью и сравнительно невысокой температурой самовоспламенения (табл.

1.3). Низкая испаряемость и высокая вязкость растительных масел исключают их использование в бензиновых ДВС. Но они могут успешно применяться в качестве топлива для дизелей. Этому способствуют сравнительно невысокая термическая стабильность растительных масел и приемлемая температура их самовоспламенения [25].

Таблица 1.3.

Физико-химические свойства растительных масел:

Физико-химические свойства Масла

рапсовое арахисовое подсолнечное соевое пальмовое оливковое хлопковое касторовое

Плотность при 20оС, кг/м3 916 917 923 924 918 914 919 1069

Вязкость кинемати-

ческая, мм2/с при:

20оС 75 81,5 65,2 - 81,2 - - -

40оС 31 36,5 30,7 32,0 - - - -

100оС 8,1 8,3 7,4 7,7 8,6 8,4 7,7 19,9

Цетановое число 36 37 33 50 36 - - -

Количество воздуха,

необходимое для сгорания 1 кг веще- 12,6 11,2 11,1 - - - - -

ства, кг

Теплота сгорания низшая, Ни, МДж/кг 37,3 37,0 37,0 36-39 37,1 - - -

Температура самовоспламенения, 0С 318 - 320 318 315 285 316 296

Температура застывания, о С -20 - -16 -12 [phone]

Содержание серы, % (масс.) 0,002 - - - - - - -

Содержание, % по

массе

С 78,0 78,0 77,6 77,5 76,6 - 77,1 -

Н 10,0 12,3 11,5 11,5 12,0 - 11,7 -

О 12,0 9,4 10,9 11,0 11,4 - 11,2 -

Кислотность, мг

КОН / 100 мл топ- 4,66 - 2,14 0,03 0,17 5,90 0,23 0,19

лива

Коксуемость 10 %-

ного остатка, %, не 0,40 - 0,51 0,44 - 0,20 0,23 -

более

Все РМ имеют достаточно близкий элементный состав (табл. 1.4) и любое из них может служить моторным топливом или компонентом смесевого топлива [26-33].

Таким образом, каждый потенциальный разработчик биологического топлива для дизелей имеет возможность выбрать соответствующую сырье-

вую базу, однако, для условий Нигерии наиболее благоприятной масличной культурой является пальмовое масло.

Таблица 1.4.

_Элементный состав (% мас.) растительных масел и нефтяных топлив:_

Масло, топливо Углерод Водород Кислород Азот Сера

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Адегбенро Симеон Адедожа, 2019 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Биоэнергетика: Мировой опыт и прогнозы развития / Л.С. Орсик, Н.Т. Сорокин, В.Ф. Федоренко и др. Под ред. В.Ф. Федоренко. М.: ФГНУ «Росин-формагротех», 2008. 404 с.

2. Барковский Б.М., Кузьминов В.А. Плантации горючего//Энергия. 1994. №6. С.70-80.

3. Бендик М.М., Фомин В.М. Биомасса - источник энергии для силовых установок сельскохозяйственной техники//Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Сельскохозяйственные науки. 2002. №8. С.93-97.

5. Распоряжение Европейского парламента и Совета Европейского союза от 8 мая 2003 г. № 30 «О мерах по стимулированию использования биологического топлива и других видов возобновляемого топлива в транспортном секторе». Официальный бюллетень Европейского союза.

6. Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. М.: Изд-во МАДИ (ТУ), 2000. 311 с.

7. Альтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания / А.А. Александров, И.А. Архаров, В.А. Марков и др. Под ред. А.А. Александрова, В.А. Маркова. М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2012. 791с.

8. Терентьев Г.А., Тюков В.М., Смаль Ф.В. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов. М.: Химия, 1989. 272 с.

9. Кульчицкий А.Р., Эфрос В.В. Транспорт и парниковые газы // Автомобильная промышленность. 2005. № 6. С. 5-8.

10. Парниковый эффект и проблематика СО2. Экологические проблемы на транспорте // Экспресс-информация, 1990. № 45. Реф. 276. С. 2-5.

11. Morgan M.G., Dowlatabadi H. Energy Technology R@D Essential to Curb Global Warming // Environmental Science & Technology. 1997. Vol. 31. № 12. P. 574-579.

12. Альтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания / А.А. Александров, И.А. Архаров, В.А. Марков и др. Под ред. A.A. Александрова, В.А. Маркова. М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2G12. 791 с.

13. Васильев И.П. Влияние топлив растительного происхождения на экологические и экономические показатели дизеля. Луганск: Изд-во Восточно украинского университета им. В. Даля, 2GG9. 24G с.

14. Cigizoglu B.K., Ozaktas T., Karaosmanoglu F. Used Sunflower Oil as an Alternative Fuel for Diesel Engines//Energy Sources. 1997. Vol. 19. № б. P. 559-5бб.

15. Концепция развития автомобильной промышленности в России. Утверждена распоряжением Правительства РФ от 1б июля 2GG2 г. № 978.

16. Девянин С.Н., Марков В.А., Семенов В.Г. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей. М.: Издательский центр ФГОУ ВПО МГАУ, 2GG8. 34G с.

17. Cigizoglu B.K., Ozaktas T., Karaosmanoglu F. Used Sunflower Oil as an Alternative Fuel for Diesel Engines // Energy Sources. 1997. Vol. 19. № б. P. 559-5бб.

18. Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях / В.А. Марков, С.Н. Девянин, В.Г. Семенов и др. М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2G11. 53б с.

19. Гусаков С.В. Перспективы применения в дизелях альтернативных топлив из возобновляемых источников. М.: РУДН, 2GG8. 318 с.

2G. Паронян В.Х. Технология жиров и жирозаменителей. М.: Изд-во «ДеЛи принт», 2GG6. 76g с.

21. Химия жиров / Б.Н. Тютюнников, З.И. Бухштаб, Ф.Ф. Гладкий и др. М.: Колос, 1992. 448 с.

22. Семенов В.Г., Зинченко A.A. Альтернативные топлива растительного происхождения. Определение фракционного и химического составов // Химия и технология топлив и масел. 2GG5. № 1. С. 29-34.

23. Молекулярный и жирнокислотный состав биодизельных топлив, получаемых из растительных масел / В.А. Марков, С.Н. Девянин, Л.И. Быковская и др. // Грузовик. 2011. № 10. С. 31-38.

24. Кулиев Р.Ш., Ширинов Ф.Р., Кулиев Ф.А. Физико-химические свойства некоторых растительных масел // Химия и технология топлив и масел. 2000. № 4. С. 36-39.

25. Гуреев А.А., Азев В.С., Камфер Г.М. Топливо для дизелей. Свойства и применение. М.: Химия, 1993. 336 с.

26. Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях / В.А. Марков, С.Н. Девянин, В.Г. Семенов и др. М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2011. 536 с.

27. Марков В.А., Девянин С.Н., Быковская Л.И. Использование в дизелях многокомпонентных смесевых биотоплив // Грузовик. 2010. № 5. С. 41-47.

28. Марков В.А., Девянин С.Н., Шустер А.Ю. Работа транспортного дизеля на многокомпонентных биотопливах//Автомобильная промышленность. 2010. № 4. С. 12-15.

29. Фомин В.М., Атраш Рами. Разработка бинарных топлив для энергетических установок транспортных средств // Транспорт на альтернативном топливе. 2012. №4 (28). С.28-31.

30. Фомин В.М., Атраш Рами. Улучшение показателей работы дизеля на бинарном биоуглеводородном топливе // Транспорт на альтернативном топливе. 2012. №5 (29). С.36-40.

31. Фомин В.М., Атраш Рами. Совершенствование показателей работы тракторного дизеля на смесевом биодизельном топливе // Тракторы и сельхозмашины. 2013. № 5. С.5-10.

32. Фомин В.М., Апелинский Д.В., Хергеледжи М.В. Применение биотопливных композиций как альтернатива повышения экологической и топливно-энергетической безопасности на транспорте//Известия МГТУ «МАМИ». 2013. № 1 (15). Т.1. С.212-218.

33. Фомин В.М., Абу-Ниджим Р.Х. К проблеме эффективного использования биоуглеводородных топливных композиций в сфере энергетического комплекса АПК//Тракторы и сельхозмашины. 2017. №10. С.3-12.

34. Murphy M.J. Safety and Occupational Hygiene Results - Clean Fleet Alternative Fuels Project // SAE Technical Paper Series. 1995. № 950397. P. 1-13.

35. Марков В.А., Стремяков А.В., Девянин С.Н. Работа дизелей на смесях дизельного топлива и рапсового масла // Транспорт на альтернативном топливе. 2009. № 5. С. 22-28.

36. Марков В.А., Стремяков А.В., Девянин С.Н. Работа транспортного дизеля на смесях дизельного топлива и рапсового масла // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2010. № 1. С. 87-100.

37. Hamasaki K., Tanaka Y., Kurogi F. Performance and Emission Characteristics of a Small Diesel Engine with Emulsified Rapeseed Oil Fuels // Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers. Ser. B. 1992. Vol. 58. № 549. P. 15511556.

38. Ikilic C., Yucesu H. Investigation of the Effect of Sunflower Oil Methyl Ester on the Performance of a Diesel Engine // Energy Sources. 2006. Vol. 27. № 13. P. 1225-1234.

39. Kinoshita E., Hamasaki K., Jaqin C. Diesel Combustion of Single Compositions of Palm Oil Methyl Ester // SAE Technical Paper Series. 2003. № 2003-011929. P. 1-10.

40. Фомин В.М. Анализ технологий химического преобразования альтернативных источников энергии в моторное топливо// Тракторы и сельхозмашины. 2014. №10. С.3-6.

41. Spessert B.M., Arendt I., Schlelcher A. Influence of RME and Vegetable Oils on Exhaust Gas and Noise Emissions of Small Industrial Diesel Engines // SAE Technical Paper Series. 2004. № 2004-32-0070. P. 1-15.

42. Camobreco V., Sheehan J., Duffield J. et al. Understanding the Life-Cycle Costs and Environmental Profile of Biodiesel and Petroleum Diesel Fuel // SAE Technical Paper Series. -2000. - № 2000-01-1487. - P. 1-6.

43. Braun F. Biodiesel: Ein Nutzer Erzahlt // KFZ Anzeiger.-1996.- Jg. 49. - № 2. -S. 12-15.

44. Schroder O., Krahl J., Munack A. Environmental and Health Effects Caused by the Use of Biodiesel // SAE Technical Paper Series. - 1999. - № 1999-01-3561. -P. 1-11.

45. Каргиев В. Законодательные инициативы Европейского Союза по стимулированию применения альтернативных видов топлива для транспорта и энергоснабжения // Автогазозаправочный комплекс + альтернативное топливо. -2005. - № 5. - С. 56-59.

46. Семенов Н.Н. Развитие теории цепных реакций и теплового воспламенения. - М.: Знание, 1969. - 94 с.

47. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. - М.: Изд-во Академии наук СССР, 1947. - 147 с.

48. Фомин В.М., Ермолович И.В., Сатер Х.А. Использование рапсового масла в качестве моторного топлива для дизелей // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1997. № 5. С. 11-12.

49. Фомин В.М., Халиль А.С. Использование рапсового масла в качестве моторного топлива для дизелей // Тракторы и сельскохозяйственные машины.-1997. №5. С.11-12.

50. Вальехо П. Р. Применение раздельной подачи топлива растительного происхождения в малоразмерный дизель с целью улучшения его экологических показателей: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук. - М.: Российский университет дружбы народов, 2000. - 16 с.

51. Когарко С.М., Басевич В.Н. Промотирование горения распыленного топлива //Физика горения и взрыва.1977. Т.13. № 2. С.275-237.

52. Фомин В.М. Системы химического воздействия на параметры рабочего процесса дизеля // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2003. №10. С.11-15.

53. Тавгер М.Д., Груздев В.Н., Талантов А.В. Влияние активных частиц на процессы горения // Электрофизика горения.-1979.-С.45-48.

54. Лушпа А.И. Основы химической термодинамики и кинетики химических реакций. - М.: Машиностроение, 1991. -240 с.

55. Фомин В.М., Атраш Рами, Хергеледжи М.В. Совершенствование экологических качеств транспортного дизеля применением средств физико-химического воздействия на процессы рабочего цикла //Известия МГТУ «МАМИ».- 2012.- № 2 (14).- т.1.-С.397-402.

56. С.А. Карпов, В.М. Капустин, А.К. Старков «Автомобильные топлива с биоэтанолом. Москва: «КолосС», 2007. 343 с.

57. D. Kabasin, K. Hoyer, R. Lamers. Heated Injectors for Ethanol Cold Starts// SAE Technical paper.- Series № 2009-01-0615. 2009. P. 56-63.

58. Антоновский В. Л., Хурсан С. Л. Физическая химия органических перок-сидов. М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. 391 с.

59. Карножицкий Н.В. Органические перекиси. М.: Издательство иностранной литературы, 1961. 155 с.

60. Mosarof Н. et al., Implementation of Palm biodiesel based on economic aspects, performance, emission, and wear characteristics//Energy conversion and Management-2015. - № 105. - С. 617-629.

61. Kalam M.A., Masjuki H.H. Emissions and Deposit Characteristics of a Small Diesel Engine When Operated on Preheated Crude Palm Oil // SAE Technical Paper Series. 2005. № 2005-01-3697. P. 1-7.

62. Чибанда Э. К., Славуцкий В. М., Курапин А. В. и др. Анализ возможностей использования пальмового масла как возобновляемого энергоресурса в качестве топлива для дизелей, 2016. - Волгоград, Волгоградский государственный технический университет с. 51-56.

63. Sanjid A. et al. Impact of palm, mustard, waste cooking oil and calophyllum inophyllumbiofuels on performance and emission of CI engine //Renewable and sustainable energy reviews. - 2013. - № 27. - С. 664-682.

64. M. M. Rashid et al. Performance and emission characteristics of a diesel engine fueled with palm, jatropha and moringa oil methyl ester//Industrial crops and products. - 2016. - № 79. - C. 70-75.

65. Интернет-ресурс «АПК-Информ»: apk-inform.com.

66. Интернет-ресурс «Информационно - аналитический портал»: oilworld.ru.

67. Интернет-ресурс «Масложировая ассоциация Евразийского экономического союза»: apmpts.ru.

68. Терещук Л.В., Мамонтов А.С., Старовойтова К.В. Продукты фракционирования пальмового масла в производстве спредов // Техника и технология пищевых производств. - 2014 - №3. - С. 79-83.

69. О'Брайен Р. Жиры и масла. Производство, состав, свойства и применение Пер. с англ. СПб.: Профессия, 2007. 752 с.

70. Двигатели внутреннего сгорания: Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей / А.С. Орлин, Д.Н. Вырубов, В.И. Ивин и др. Под ред. А.С. Орлина. М.: Машиностроение, 1971. 400 с.

71. Лышевский А.С. Процессы распыливания топлива дизельными форсунками. - М.: Машгиз, 1963. - 180 с.

72. Гершман И.И. Воспламенение и горение дизельного топлива в зависимости от качества его распыливания //Сгорание и смесеобразование в дизелях. М., Изд.-во АН СССР.-1990.-С.67-72.

73. Мухамеджанов С.Г. Исследование взаимодействия топливного факела с твердой стенкой применительно к объемно-пленочному смесеобразованию в камере сгорания ЦНИДИ: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. — Ленинград, 2000. 15 с.

74. Работа дизелей на нетрадиционных топливах: Учебное пособие/ В.А. Марков, А.И. Гайворонский, Л.В. Грехов, Н.А. Иващенко. М.: Изд-во «Легион-Автодата», 2008. 464 с.

75. Парсаданов И.В. Повышение качества и конкурентоспособности дизелей на основе топливно-экологического критерия. - Харьков: Изд. центр НТУ «ХПИ», 2003. - 244 с.

76. Оценка возможности применения промоторов горения в углеводородных топливах для перспективных реактивных двигателей./ Н.В. Петрухин, С. М.,

Сергеев, О.А. Прокопенко, М.О. Грек. М.: Изд-во ФАУ «25 ГосНИИхиммо-тологии Минобороны России», 2013. 264 с.

77. ГОСТ 18509-88. Государственный стандарт. Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний. Введ. 1990-01-01. - М.: Изд-во стандартов. - 1988. - 70 с.

78. ГОСТ 14846-81. Межгосударственный стандарт. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. Введ. 1982-01-01. - М.: ИПК Изд-во стандартов. - 1981. - 41 с.

79. ГОСТ 15150-69. Межгосударственный стандарт. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды (с изменениями N 1, 2, 3, 4). Введ. 1971-01-01. Переизд. - М.: Стандартинформ. - 2006. - 57 с.

80. ГОСТ 17.2.2.05-97. Межгосударственный стандарт. Охрана природы: Атмосфера. Нормы и методы определения вредных веществ с отработавшими газами дизелей, тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин. Введ. 1999-07-01. - М.: ИПК Изд-во стандартов. - 1998. - 11 с.

81. ГОСТ 17.2.2.02-98. Межгосударственный стандарт. Охрана природы: Атмосфера. Нормы и методы определения дымности отработавших газов дизелей, тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин. Введ. 1999-0701. - М.: ИПК Изд-во стандартов. - 1999. - 15 с.

82. ГОСТ 305-2013. Межгосударственный стандарт. Топливо дизельное. Технические условия. Введ. 2015-01-01. - М.: Стандартинформ, 2014. - 15 с.

83. ГОСТ 18509-88. Государственный стандарт. Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний. Введ. 1990-01-01. - М.: Изд-во стандартов. - 1988. - 70 с.

84. ГОСТ 8.401-80 Государственная система обеспечения единства измерений. Классы точности средств измерений. Общие требования. Введ. 1981-0701. - М.: Издательство стандартов, 1986. - 13 с.

85. ГОСТ Р 41.24-2003. Единообразные предписания, касающиеся: Сертификации двигателей с воспламенением от сжатия в отношении дымности; Сертификации автотранспортных средств в отношении установки на них двигателей с воспламенением от сжатия, сертифицированных по типу конструкции; Сертификации автотранспортных средств с двигателями с воспламенением от сжатия в отношении дымности; Измерения мощности двигателей. Введ. 2005-01-01. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. - 36 с.

86. РМГ 29-2013. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения. Введ. 2015-01-01. - М.: ФГУП «Стандартинформ», 2014. - 60 с.