Двигатель на рапсовом масле

       Главное достоинство топлив, получаемых из растительного масла, — практически полная биоразлагаемость. Содержащиеся в них 10—12 % масс, кислорода позволяют заметно уменьшить выбросы в атмосферу таких вредных веществ, как углеводород и сажа, а также оксидов азота — из-за снижения температур сгорания. Кроме того, растительное масло в действительности не содержит соединении серы; в нем нет и полициклических ароматических углеводородов — канцерогенов, обычно содержащихся в отработавших газах дизелей.

     Таблица 1.1 - Показатели топлива на основе растительного и нефтяного сырья

     Одним из способов устранения указанных выше недостатков растительных масел  является их химическая переработка - переэтерификация (производство биодизельного  топлива). Последняя позволяет получать продукты со свойствами, полностью  отличными от исходного сырья.

       Процесс производства биодизельного топлива  из растительных маслел несложен. В очищенное от механических примесей масло добавляют метиловый спирт и щелочь, которая служит катализатором реакции переэтерификации. Смесь нагревают до температуры 50°С. После отстоя и охлаждения жидкость расслаивается на две фракции - легкую и тяжелую. Легкая фракция представляет собой метиловый эфир, или биодизель, тяжелая - глицерин. По своему молекулярному составу биодизель близок к дизельному топливу. Считается, что из 1 тонны семян рапса можно получить 300 кг (30%) рапсового масла, а из этого количества масла — около 270 кг биодизельного топлива. Выход глицерина при этом составляет около 10%. Из него, в свою очередь, производят моющие средства, жидкое мыло и фосфорные удобрения.

       Исходя  из стоимости, доступности и физико-химических характеристик, наиболее подходящим для  производства топлива является рапсовое масло, которое может быть использовано в качестве основы или компонента топлива.

3. Обоснование перевода судового дизеля на рапсовое масло

       Рапс - культура больших потенциальных  возможностей, хорошо приспособленная к условиям умеренного климата, так как в отличие от других масличных культур вызревает в северных районах.

       Рапсовое  масло представляет собой смесь  моно-, ди- и триацилглицеринов, которые содержат в своем составе молекулы различных жирных кислот , т. е. высокомолекулярных кислородсодержащих соединений с углеводородным основанием, связанных с молекулой глицерина.

       Рапсовое  масло используется в качестве моторного топлива в двух вариантах:

• смесевое топливо, состоящее из смеси рапсового масла с дизельным топливом;
• в виде метилового эфира рапсового масла (МЭРМ), получаемого при метанолизе рапсового масла.

       Перспективным считается, как и в случае других масел, не само рапсовое масло, а получаемый из него метиловый эфир: в ряде стран Европы его уже используют в качестве самостоятельного топлива или добавки к дизельному топливу нефтяного происхождения. Например, в Германии действуют более 90 заводов по производству рапсового масла, а топливо "биодизель" (соотношение 43:8) на базе метилового эфира рапсового масла выпускают восемь предприятий.

       Данный  эфир представляет собой смесь метиловых  эфиров жирных кислот. Получают его путем прямой переэтерификации ацилглицеринов рапсового масла с метиловым спиртом при температуре 353—363 К (80—90 °С) в присутствии едкого калия. По своим физико-химическим свойствам он близок к стандартным дизельным топливам, т. е. от самого масла отличается меньшими плотностью, вязкостью и температурой воспламенения, более высоким цетановым числом, поэтому может, что очень важно, подаваться в цилиндры двигателя штатной топливоподающей аппаратурой. Главное же, при работе на ней дизель становится экологически чище.

       Правда, при всех циклах расход метилэфира оказывается несколько (на -12 %) больше расхода дизельного топлива. Это связано с меньшей, чем у последнего (37,8 против 42,5 МДж/кг), теплотворной способностью. При работе на метилэфире увеличивается и эмиссия альдегидов. Но в целом дизель, работающий на таком топливе, отличается более низкой суммарной токсичностью отработавших газов.

       К сожалению, метилэфир рапсового  масла — химически активная (агрессивная) жидкость. Поэтому при его использовании в качестве добавок к дизельному топливу баки, трубопроводы и другие элементы конструкции топливной системы, контактирующие с ним, должны иметь защитное покрытие. Кроме того, его производство нельзя отнести к числу экологически чистых. Наконец, он дороже дизельного топлива. Поэтому рапсовое масло, казалось бы, все-таки предпочтительнее. Однако при работе дизеля на нем тоже возникает ряд проблем. В частности, многие специалисты отмечают, что через 100—200 ч работы дизеля на нем наблюдаются повышенные количество углеродистых отложений на поверхности камеры сгорания и закоксовывание сопловых отверстий распылителей форсунок. Что вполне правомерно: в данном масле много смолистых веществ, поэтому его коксуемость (0,4 %) выше коксуемости дизельного топлива (0,2 %). Тем не менее, если учесть, что ГОСТ 305—82 ограничивает последнюю величиной 0,3 %, то совершенно очевидно: подобрать смеси дизельного топлива и рапсового масла, удовлетворяющие требованиям ГОСТа, особого труда не представляет.

       Еще одна проблема, возникающая при работе дизеля на рапсовом масле, -  повышенная вязкость последнего: при нормальной (293 К, или 20 °С) температуре она на порядок выше, чем у стандартного дизельного топлива (соответственно 75 и 3,8 мм2/с). Однако при повышении температуры эта разница уменьшается. Например, при 313 К (40 °С) вязкость рапсового масла — 36 мм2/с, т. е. уменьшается вдвое, а при 343 К (70 °С) — до 17,5 мм2/с, или еще более чем вдвое. Но главное в том, что существенно меньшей вязкостью обладают смеси рапсового масла с дизельным топливом. Так, вязкость смеси, содержащей (по объему) 80 % дизельного топлива и 20 % рапсового масла, при температуре 292 К (20 °С) составляет 9 мм2/с, а при 313 К (40 °С), характерной для условий систем топливоподачи дизелей, — 5 мм2/с. Иначе говоря, становится соизмеримой с вязкостью чистого дизельного топлива (норматив: 3—6 мм2/с).

       Таким образом, поскольку рапсовое масло  по своим физико-химическим свойствам  отличается от стандартного дизельного топлива, его целесообразно применять  в смеси с последним. Тем более, что эти компоненты хорошо смешиваются, а смеси имеют свойства, позволяющие сжигать их в дизеле без внесения изменений в его конструкцию.

       Исследования  по применению альтернативных топлив на основе рапсового масла проводились  в лаборатории кафедры ДВС  Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова на экспериментальной установке с одноцилиндровым отсеком тракторного двигателя серии размерностью 130/140 производства ОАО ПОАМЗ (двигатели семейств Д-440, Д-460).

       Целью испытаний было получение параметров рабочего процесса, уровня вредных выбросов при работе дизеля на смесях дизельного топлива и рапсового масла.

       В основу методики исследований был положен  сравнительный метод. Испытания предусматривали определение оптимальных регулировок, получения эффективных и индикаторных показателей, данных по токсичности и дымности отработавших газов и специальные измерения параметров топливоподачи и внутрицилиндровых процессов.

       На  каждом режиме проводились замеры эффективного крутящего момента, расхода дизельного или альтернативного топлива, частоты вращения, расхода воздуха, температуры выхлопных газов, топлива, охлаждающей воды и смазки. Одновременно проводилась запись осциллограмм внутрицилиндрового давления, давления топлива и подъема иглы форсунки. Для каждого режима производилось измерение содержание окислов азота, окиси углерода и сажи в отработавших газах.

       При проведении испытаний были исследованы  следующие топлива:

       - 100% рапсового масла (РМ);

       - 100% дизельного топлива. (ДТ);

       - 25% ДТ + 75% РМ;

       - 50% ДТ + 50% РМ;

       - 75% ДТ + 25% РМ.

       Основные физико-химические показатели испытанных топлив приведены в таблице 1.2.

       Таблица 1.2 - Физико-химические показатели смесевых топлив

       Плотность, вязкость и поверхностное натяжение  являются важными показателями дизельных топлив, определяющими качество смесеобразования в цилиндре дизеля. Чем ниже вязкость и плотность топлива, тем будет более однородным и мелкодисперсным строение топливного факела, что в свою очередь способствует лучшему испарению, смесеобразованию и сгоранию. При повышении вязкости топлива ухудшается микро и макроструктура топливного факела, возрастает количество топлива в центральной части факела и уменьшается на периферийной. Вследствие этого уменьшается угол раскрытия, увеличивается дальнобойность топливной струи и, как следствие этого, увеличивается доля топлива попавшего на стенку камеры сгорания двигателя.

       Вязкость  также определяет текучесть топлива  через элементы системы топливоподачи: трубопроводы, насосы, фильтрующие  элементы и форсунки. Топлива с  небольшой вязкостью, замерзающие при низких температурах позволяют эксплуатировать технику в холодных условиях без переоснащения ее, в то время, как топлива с повышенной вязкостью, замерзающие при более высоких температурах, требуют установки систем подогрева.

       Плотность топлива, также существенно влияет на характеристику впрыска топлива. По мере увеличения плотности уменьшается  сжимаемость топлива и увеличивается  скорость распространения возмущений в нем. Так как плотность рапсового  масла больше плотности нефтяного дизтоплива следует ожидать увеличение максимального давления топливоподачи и частичного уменьшения продолжительности топливоподачи.

       В сравнении с нефтяным дизельным  топливом рапсовое масло обладает меньшей  склонностью к самовоспламенению, цетановое число рапсового масла равно 40, тогда как для нефтяного дизельного топлива оно составляет около 45 единиц. По мере возрастания доли рапсового масла происходит увеличение периода задержки самовоспламенения, что будет негативно влиять на показатели рабочего процесса. Для компенсации необходимо увеличивать угол опережения впрыска по мере увеличения доли рапсового масла.

       При сгорании топлива в цилиндре двигателя  происходят сложные химические процессы с образованием промежуточных продуктов, но в целом, основными продуктами сгорания углеводородного топлива являются углекислый газ СО2 и водяной пар H2O. При этом углерод и водород топлива реагируют с кислородом воздуха. Если топливо, участвующее в реакции, является кислородсодержащим, как в случае с рапсовым маслом, то атомарный кислород топлива также участвует в образовании промежуточных и конечных продуктов реакций горения.