CC BY
19
УДК 621.436
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СУРЕПНО-МИНЕРАЛЬНОГО ТОПЛИВА В ТРАКТОРНОМ ДИЗЕЛЕ
А. П. Уханов, доктор техн. наук, профессор; Д. А. Уханов, доктор техн. наук, профессор; А. А. Черняков, канд. техн. наук, доцент; В. В. Крюков, аспирант
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», е-таИ: [email protected]
Приведены результаты исследований сурепного масла, используемого в качестве компонента дизельного смесевого топлива (ДСТ). Предложена двухтопливная система питания, обеспечивающая приготовление ДСТ в процессе работы тракторного дизеля путем смешивания сурепного масла и минерального дизельного топлива.
Ключевые слова: дизельное смесевое топливо, сурепно-минеральное топливо, двухтопливная система питания дизеля, дозаторы, смеситель.
Ежегодный рост потребления моторных минеральных топлив и повышение цен на нефтепродукты предопределяет необходимость замещения их альтернативными видами топлив. К таким видам топлив можно отнести биотопливо, производимое из семян масличных культур.
По прогнозным оценкам мировое производство биотоплива увеличится с 20 млн. тонн до 92...147 млн. тонн к 2030 году, что составит 4.6 % от общего объема моторного минерального топлива [1-4].
В сложившейся ситуации для России возникает дополнительная возможность реализовать свой земельный потенциал с целью увеличения объемов возделывания масличных культур и последующего производства из них биотоплива.
Развитие альтернативой энергетики в АПК РФ на основе растительных возобновляемых источников сырья позволит в значительной степени нивелировать отрицательное воздействие негативной динамики роста цен на нефтепродукты, улучшить плодородие почвы путем оптимизации структуры севооборота с учетом наращивания посевов масличных культур, повысить высокобелковую кормовую базу для ускорения развития животноводства за счет получения из маслосемян кормовых добавок [5].
В качестве растительных источников на сегодня наиболее изучен и широко внедрен в производство рапс. К его основным достоинствам можно отнести относительно высокую урожайность - 1,4.3,3 т/га и высокий выход масла (масличность) - до 48 %. Рапс имеет весьма широкий ареал ввиду его неприхотливости к почвенно-климати-ческим условиям - Северная и Центральная Европа, Россия, Канада, Индия, Азия и т. д. Спектр содержащихся в нем жирных кислот позволяет использовать рапсовое масло как в пищевой промышленности, так и в технических целях [6].
Несмотря на достоинства этого биологического источника энергии, не следует исключать возможность использования растительных масел и других масличных культур. К таким культурам можно отнести сурепицу. Это растение по своим ботаническим характеристикам и биологическим особенностям очень схоже с рапсом.
Сурепица относится к семейству капустных. Культурная форма сурепицы получена непосредственно из сорного растения. Сурепица характеризуется стержневым корнем, проникающим в почву на меньшую глубину (до 2 м), чем корень рапса. У корневой шейки стержень более мясистый, разветвляется мощнее, боковые корни сосредоточиваются главным обра-
Относительное содержание ВЖК, %, по результатам хроматографического анализа натуральных сурепного масла и смесевого минерально-сурепного топлива
№ п/п Жирная кислота Хим. формула Доля масла в смеси, %
100 90 75 50 25
1 Миристиновая С14Н28О2 0,040 0,037 0,035 0,035 0,032
2 Пентадекановая С15Н30О2 0,013 0,013 0,012 0,012 0,011
3 Пальмитиновая С 16Н 32О 2 3,356 3,299 3,294 3,290 3,284
4 Пальмитоолеиновая С 16Н 30О 2 0,135 0,133 0,133 0,130 0,115
5 Стеариновая С 18Н 36О 2 1,551 1,561 1,568 1,599 1,659
6 Олеиновая С 18Н 34О 2 43,448 43,489 43,493 43,946 44,134
7 Линолевая С 18Н 32О 2 27,016 26,937 26,894 26,819 26,463
8 Y-линоленовая С18Н30О2 0,004 0,004 0,006 0,007 0,007
9 а-линоленовая С18Н30О2 11,515 11,487 1 1 ,464 11,398 11,318
10 Арахиновая С20Н40О2 0,444 0,450 0,450 0,453 0,454
11 Гондоиновая С 20Н 38О 2 3,020 3,057 3,079 3,144 3,263
12 Эйкозадиеновая С 20Н 36О 2 0,186 0,183 0,181 0,166 0,164
13 Арахидоновая С20Н32О2 0,049 0,047 0,044 0,042 0,036
14 Бегеновая С22Н44О2 0,325 0,336 0,338 0,339 0,353
15 Эруковая С22Н42О2 8,144 8,243 8,260 8,289 8,314
16 Докозадиеновая С22Н40О2 0,022 0,021 0,020 0,020 0,019
17 Докозатриеновая С22Н38О2 0,036 0,036 0,035 0,035 0,025
18 Лигноцериновая С24Н48О2 0,219 0,212 0,210 0,210 0,207
19 Нервоновая С24Н46О2 0,512 0,510 0,504 0,474 0,432
зом в пахотном слое почвы. Соцветие у сурепицы - кисть, на центральной части которой образуется 25... 55 цветков, более мелких, чем у рапса. Лепестки золотисто-желтые, длиной 6.9 мм. В отличие от рапса цветение начинается с верхней части соцветий. Семена почти шаровидные, более мелкие, чем у рапса, с мелкосетчатой оболочкой. Окраска красновато-коричневая, у отдельных сортов желтая. Урожайность сурепицы составляет 3,3.4,2 т/га, масличность семян - 46.49 % [7].
Сурепное масло (СурМ) применяется в химической, фармацевтической и пищевой промышленности. Для оценки целесообразности использования его в технических целях, например в качестве компонента дизельного смесевого топлива (ДСТ) для автотракторной техники, исследованы жир-нокислотный состав и физические свойства СурМ и ДСТ на основе СурМ и минерального дизельного топлива (ДТ) [8]. Хромато-графический анализ проводили на хроматографе «Кристалл 5000.1» в Пензенском НИИСХ Россельхозакадемии.
Результаты хроматографического анализа СурМ и ДСТ приведены в таблице 1.
Анализ данных таблицы 1 показывает, что при повышении в смесевом топливе доли минерального ДТ до 75 % содержание стеариновой (на 7 %), бегеновой (на 8,6 %), эруковой (на 2,8 %) и арахиновой (на 2,3 %) кислот увеличивается. Также отмечено небольшое снижение процентного содержания эйкозадиеновой кислоты (на
10,2 %) и других кислот по отношению к СурМ без добавления ДТ.
Для повышения качества смешивания СурМ с ДТ был использован метод ультразвуковой обработки. В качестве источника ультразвукового воздействия использовался диспергатор УЗДН-2Т [9].
При прохождении интенсивной ультразвуковой волны через смесь в последней образуются последовательно области сжатия и разряжения, в результате чего в отдельных участках возникают газовые или паронаполненные пузырьки и пустые полости. Такое явление называется кавитацией.
Кавитация в смеси сопровождается различными эффектами:
- ускорением одних химических реакций и инициированием других;
- интенсивными микропотоками и ударными волнами, способными перемешивать слои жидкости;
- ультразвуковым свечением, а также различными биологическими эффектами.
Вследствие концентрирования энергии в очень малых объемах ультразвук может вызвать такие явления, как разрыв химических связей макромолекул, инициирование химических реакций [10-11].
Обработка СурМ и смесевых топлив ультразвуком привела к изменению в них содержания того или иного вида высшей жирной кислоты (ВЖК) (табл. 2).
Так, при обработке СурМ ультразвуком произошло увеличение процентного со-
Нива Поволжья № 2 (23) май 2012 71
Относительное содержание ВЖК, %, по результатам хроматографического анализа сурепного масла и смесевого минерально-сурепного топлива, обработанных ультразвуком 44 кГц
№ п/п Жирная кислота Хим. формула Доля масла в смеси, %
100 90 75 50 25
1 Миристиновая С14Н28О2 0,040 0,038 0,037 0,035 0,033
2 Пентадекановая С15Н30О2 0,012 0,013 0,013 0,013 0,015
3 Пальмитиновая С 16Н 32О 2 3,326 3,328 3,334 3,353 3,385
4 Пальмитоолеиновая С 16Н 30О 2 0,135 0,137 0,139 0,147 0,149
5 Стеариновая С 18Н 360 2 1,554 1,563 1,576 1,577 1,581
6 Олеиновая С 18Н 340 2 43,474 43,495 43,503 43,524 43,566
7 Линолевая С 18Н 32О 2 26,803 26,841 26,970 27,003 27,130
8 у-линоленовая С18Н30О2 0,003 0,004 0,004 0,005 0,009
9 а-линоленовая С18Н30О2 11,477 11,477 11,461 11,461 11,453
10 Арахиновая С20Н40°2 0,457 0,444 0,430 0,425 0,420
11 Гондоиновая С 20Н 380 2 3,075 3,071 3,064 3,057 3,050
12 Эйкозадиеновая С 20Н 360 2 0,184 0,175 0,171 0,166 0,155
13 Арахидоновая С20Н32О2 0,045 0,044 0,038 0,036 0,031
14 Бегеновая С22Н4402 0,333 0,333 0,333 0,336 0,241
15 Эруковая С22Н42О2 8,269 8,295 8,347 8,351 8,368
16 Докозадиеновая С22Н40О2 0,024 0,024 0,023 0,023 0,022
17 Докозатриеновая С22Н38О2 0,036 0,036 0,036 0,034 0,033
18 Лигноцериновая С24Н4802 0,221 0,224 0,226 0,230 0,234
19 Нервоновая С24Н4602 0,535 0,529 0,525 0,518 0,494
держания эруковой (на 1,5 %) и олеиновой (на 0,6 %) кислот при уменьшении содержания пальмитиновой (на 0,9 %) и линоле-вой (на 0,8 %) кислот по сравнению с натуральным (не обработанным ультразвуком) маслом. Аналогичная динамика наблюдается и при обработке ультразвуком ДСТ.
Низшую теплоту сгорания (Ни) СурМ и ДСТ рассчитывали по известной формуле Д. И. Менделеева [12], плотность и кинематическую вязкость определяли экспериментальным путем с помощью ареометра и вискозиметра при температуре 20 °С (табл. 3).
Таблица 3
Различия в свойствах исследуемых видов топлива
Из таблицы 3 следует, что низшая теплота сгорания и плотность сурепного масла в 1,1 раза меньше, а кинематическая
вязкость масла в 18 раз больше соответствующих показателей минерального ДТ. По мере увеличения доли минерального ДТ в ДСТ разница показателей существенно уменьшается.
Для оценки мощностных и топливно-эко-номических показателей тракторного дизеля Д-243 (4Ч 11/12,5) при работе на ДСТ проведены моторные исследования на тормозной установке, включающей динамометрическую машину КБ-56/4 со штатными контрольно-измерительными приборами (весовое устройство тормоза, тахометр) и измерительно-регистрирующие приборы (измерители температуры окружающего воздуха, охлаждающей жидкости, топлива в расходомере, моторного масла в поддоне картера, расходомеры топлива и воздуха, датчики ВМТ, отметок зубьев маховика и давления газов в цилиндре, прибор ИМД-ЦМ, аналого-цифровой преобразователь 1А-2иЭВ, стабилизированный блок питания) [13, 14].
Эксперименты выполняли при атмосферном давлении 750.760 мм рт. ст., температуре воздуха 30.37 °С. Дизель исследовали в условиях регуляторной характеристики на двух нагрузочных режимах (нагрузка на тормозе установки 100 % и 80 % от номинальной) и холостом ходу при работе на товарном минеральном топливе Л-0,2-62 (100 % ДТ) и смесевых топливах 25 %СурМ+75 %Дт, 50 %СурМ+50 %ДТ, 75 %СурМ+25 %ДТ.
Вид топлива Элементарный состав Низшая теплота сгорания, МДж/кг Плотность, кг/м3 Вязкость, мм2/с
С Н О
100%ДТ 0,870 0,126 0,004 42,44 826 4,2
100%СурМ 0,772 0,124 0,111 37,06 930 77,2
25%СурМ+75%ДТ 0,846 0,124 0,028 41,19 878 22,7
50%СурМ+50%ДТ 0,821 0,121 0,056 39,81 895 40,9
75%СурМ+25%ДТ 0,797 0,119 0,084 38,43 913 59,1
Ч
'/Я
% Г/
//# -- 5
УУ
т г ^ з
ж
у - -4
1400
1600 1800 2000 2200 Частота вращения к. в., мин 1 а) эффективная мощность, кВт
Рис. 1. Изменение показателей дизеля Д-243 (4Ч 11/12,5) в условиях регуляторной характеристики при работе на топливах различного состава: 1 - 100 %ДТ; 2 - 25 %СурМ+75 %ДТ; 3 - 50 %СурМ+50 %ДТ; 4 - 75 %СурМ+25 %ДТ; 5 - 50 %СурМ+50 %ДТ (УЗ)
На номинальной частоте вращения к. в. 2200 мин-1 (рис. 1) максимальное снижение мощности и увеличение часового расхода топлива отмечено при работе на ДСТ 75 %СурМ+25 %ДТ. При этом мощность дизеля упала на 5,8 % (с 56,1 кВт до 52,8 кВт), часовой расход топлива возрос на 7,7 % (с 14,3 кг/ч до 15,4 кг/ч) по сравнению с работой на минеральном ДТ. На частоте вращения к. в. 1400 мин-1, соответствующей режиму максимального крутящего момента, эти показатели изменились соответственно на 5,2 % (с 40,1 кВт до 38,0 кВт) и на 10,3 % (с 10,7 кг/ч до 11,8 кг/ч).
Результаты исследований показывают, что в условиях регуляторной характеристи-
ки на всех частотах вращения к. в. эффективная мощность дизеля при работе на ДСТ снижается, а расход топлива растет по сравнению с работой дизеля на минеральном ДТ. Причем по мере увеличения процентного содержания СурМ в ДСТ до 75 % это различие возрастает, но не превышает по мощности 6 %, по часовому расходу топлива 8 %.
Наиболее простым способом приготовления ДСТ непосредственно на «борту» автотракторной техники является модернизация штатной топливной системы дизеля (рис. 2).
Предлагаемая двухтопливная система питания дизеля содержит бак минераль-
4 13
Рис. 2. Двухтопливная система питания дизеля
Нива Поволжья № 2 (23) май 2012 73
1
3
6
Выход смесевого топлива
Вход раст.гЕпьного масла
Вход минерального топлива
а)
б)
Рис. 3. Смеситель растительного и минерального компонентов ДСТ:
а) общий вид; б) схема
ного топлива 1, бак растительного топлива 2, топливные фильтры 3, 4, 5, топливопод-качивающий насос 6, электрический насос 7, топливный насос высокого давления (ТНВД) 8, форсунки 9, топливопроводы 10 и смеситель 11, имеющий два входных 12, 13 и один выходной 14 каналы. При этом во входных каналах 12, 13 смесителя установлены дозаторы 15, 16 с приводом от шаговых (или линейных) электродвигателей 17, 18, электрически соединенных с электронным блоком управления 19 и датчиками нагрузочного 20, скоростного 21 и температурного 22 режимов дизеля.
Основное назначение смесителя (рис. 3 а) минерального и растительного компонентов заключается в качественном перемешивании и дозировании полученной смеси.
Смеситель состоит из корпуса 1 (рис. 3 б) с двумя диаметрально расположенными входными каналами 12 и 13, стакана 2, внутри которого расположена пустотелая ось 3 с двумя радиальными отверстиями 4 и 5, выходного канала 14, сливной пробки 6, успокоителя 7 и фильтрующего элемента 8. Фильтрующий элемент 8 представляет собой втулку 9 с сетчатой набивкой 10 и многодырчатую шайбу 11.
Смеситель работает следующим образом.
Смешиваемые компоненты через входные каналы 12 и 13 поступают во внутреннюю полость стакана 2, в которой происходит предварительное их перемешивание. Под действием разряжения, создаваемого топливоподкачивающим насосом системы питания, часть полученной смеси, резко изменяя направление движения, проходит через многодырчатую шайбу 11 и набивку 10 фильтрующего элемента 8. При прохождении смеси через набивку 8 вектор её скорости многократно изменяется. Благодаря этому растительный и минеральный компоненты интенсивно перемешиваются, после чего образовавшаяся смесь - ДСТ проходит через два радиальных отверстия оси 4 и 5 и поступает к выходному каналу 14. Другая часть смеси продолжает по инерции двигаться вдоль стенок стакана 2 вниз. Механические частицы и капли воды, обладающие большим удельным весом, стремятся сохранить прямолинейное движение и следуют вниз вместе с потоком смеси. Проходя через кольцевой зазор между успокоителем 7 и стаканом 2, они попадают в зону отстоя. Конусный успокоитель 7, обращенный меньшим основанием в сторону фильтрующего элемента 8, отделяет зону отстоя от зоны циркуляции смеси. Отстой
сливают через закрываемое пробкой 6 отверстие в нижней части стакана 2.
Таким образом, результаты исследований позволяют сделать следующие выводы:
1. По своим физическим и теплотворным свойствам СурМ близко к рапсовому маслу.
2. По эффективным показателям дизеля ДСТ на основе СурМ не хуже ДСТ на основе рапсового масла, а значит, может быть альтернативным компонентом ДСТ.
3. Предлагаемая двухтопливная система питания дизеля позволит обеспечить требуемое процентное соотношение минерального и растительного топлив в смеси в зависимости от нагрузочного и скоростного режимов дизеля. Достоинством смесителя минеральных и растительных композиций является качественное перемешивание и дозирование смеси, а также простота конструкции.
Литература
1. Федоренко, В. Ф. Состояние и развитие производства биотоплива: науч.-аналит. обзор / В. Ф. Федоренко, Ю. Л. Кол-чинский, Е. П. Шилова. - М.: ФГНУ «Ро-синформагротех», 2007. - 130 с.
2. Tickell, Joshua. From the fryer to the fuel tank. The complete guide to using vegetable oil as an alternative fuel / Joshua Tickell // Media Productions. - New Orleans, Louisiana, 2003. - 162 p.
3. Pahl, Greg. Biodiesel: growing a new energy economy. Chelsea Green Publishing Company, White River Junction, Vermont, 2005. - 281 р.
4. Девянин, С. Н. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей / С. Н. Девянин, В. А. Марков, В. Г. Семенов. - М.: Изд-во МГАУ им. В. П. Го-рячкина, 2007. - 400 с.
5. Уханов, А. П. Биодиты - альтернативный вид моторного топлива для тракторных дизелей / А. П. Уханов, В. А. Рач-кин, Д. А. Уханов, В. А. Иванов // Нива Поволжья. - 2009. - № 2 (11). - С. 71-76.
6. Использование рапсового биотоплива на автотракторной технике / А. П. Уханов, В. А. Рачкин, Д. А. Уханов и др. // Организация и развитие информационного
обеспечения органов управления, научных и образовательных учреждений АПК: материалы науч.-практ. конф. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007. - С. 163-173.
7. Милащенко, Н. З. Технология выращивания и использования рапса и сурепицы / Н. З. Милащенко, В. Ф. Абрамов. - М.: Агропромиздат, 1989. - 223 с.
8. Химия жиров / Б. Н. Тютюнников, З. И. Бухштаб, Ф. Ф. Гладкий и др. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1992. -448 с.
9. Влияние ультразвуковой обработки биотоплива на показатели работы тракторного дизеля / Д. А. Уханов, В. А. Рачкин,
B. А. Иванов, Л. М. Благодарина // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: сб. материалов Всероссийской НПК. - Пенза: РИО ПГСХА, 2009. -
C. 11-13.
10. Фридман, В. М. Ультразвук / В. М. Фридман. - М.: Энергия, 1960. - 204 с.
11. Фридман, В. М. Ультразвуковая химическая аппаратура / В. М. Фридман. - Л.: Машиностроение, 1957. - 320 с.
12. Уханов, А. П. Расчет теплоты сгорания биотоплива МЭРМ и его смесевых композиций / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, М. В. Рыблов // Повышение технико-экономических и экологических показателей двигателей, тракторов, автомобилей в сельскохозяйственном производстве: материалы 17 науч.-практ. конф. - Н. Новгород: НГСХА, 2007. - С. 188-193.
13. Биотопливо из рыжика / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, В. А. Рачкин и др. // Тракторы и сельхозмашины. - 2011. - № 2. -С. 8-11.
14. Ерыганов, М. М. Сурепное масло -перспективный биологический компонент к дизельному смесевому топливу / М. М. Еры-ганов, В. В. Крюков // Инновационные идеи молодых исследователей для АПК России: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. Том 1. -Пенза: РИО ПГСХА, 2011. - С. 274-275.
15. Уханов, А. П. Устройство для приготовления растительно-минерального топлива / А. П. Уханов, В. А. Чугунов, В. А. Голубев // Нива Поволжья. - 2010. - № 4 (17). - С. 63-67.
Нива Поволжья № 2 (23) май 2012 75
