Публикации » На тему дня Сможет ли рапс заменить нефть?

30 августа 2008 г.

Чтобы использовать рапсовое масло в качестве топлива, предстоит обратить внимание на технологию его получения и последующую очистку.

Поиски альтернативных, возобнов­ляемых источников энергии привели учёных на поля. Сырьём для топлива может стать биомасса, в частности, рапс и масло из него. Вот только дви­гатели должны соответствовать тако­му топливу. Возможно ли это? Оказы­вается, да.

Все виды моторных топлив можно разделить на две большие группы.

К первой группе относятся топли­ва, получаемые из ископаемого сырья - нефти, природных битумов, каменного и бурого угля, горючих сланцев и природного газа. Однако запасы такого сырья ограниченны.

Ко второй группе относятся альтернативные продукты, получаемые из биомассы: спирты, биогаз и топлива на основе раститель­ных и животных жиров. Их основное преимущество - возможность возоб­новления сырья, которое лимитиру­ется лишь площадью земли, пригод­ной для производства биомассы.

На основе растительных масел производят целый спектр дизельных топлив, называемых биодизельны­ми. Растительные масла получают из семян масличных культур методом отжима и термохимической экстрак­ции с последующей очисткой от при­месей. Для России, исходя из клима­тических условий большинства её аг­рарных районов, наиболее целе­сообразно использовать биотопливо на основе рапсового масла. Кстати, для выращивания рапса выделяются всё большие площади в разных стра­нах. Особенно выросли его сборы в Китае, Индии, Канаде, Франции, Гер­мании, Великобритании.

Использовать растительные мас­ла в качестве топлива можно в чи­стом виде, в смеси с нефтяным дизтопливом и эфира, полученного из масел. По своим физическим свой­ствам масла существенно отличают­ся от дизтоплива: по фракционному составу, плотности и кинематиче­ской вязкости, а эфиры, напротив, очень близки.

Если использовать чистое масло, то необходимо изменить конструк­цию двигателя так, чтобы в нём мож­но было его эффективно сжигать. Для полного испарения масла в про­цессе смесеобразования в цилиндре необходима более высокая темпера­тура, чем для дизельного топлива. А чтобы понизить высокую вязкость масел, нужно их разжижать. Иначе предстоит изменить топливоподающую аппаратуру, чтобы использовать вязкое топливо.

Получить метиловый или этило­вый эфир можно только в этерификационных установках, что усложняет и

удорожает процесс получения то­плива, но при этом не требуется су­щественно изменять конструкцию двигателя. Нужно лишь отрегулиро­вать угол опережения спрыска и уве­личить цикловую подачу без пере­делки двигателей.

Также можно использовать смесь растительного масла и дизтоплива. Но при этом снижается экономич­ность, увеличивается расход топли­ва, могут возникнуть проблемы при эксплуатации топливной аппаратуры при различном составе смесевого топлива и изменении температуры окружающей среды.

Три названных выше способа при­менения топлив на основе рапсового масла исследованы на кафедре «Дви­гатели внутреннего сгорания» нашего университета, которая имеет много­летний опыт изучения альтернатив­ных видов топлив и совершенствова­ния рабочего процесса двигателей.

Проводились исследования в нес­колько этапов. Первый предусматри­вал изучение оптическими методами параметров топливных факелов стандартного дизельного топлива и рапсового масла. Для этого исполь­зовалась специальная компьютерная система У5-СТТ-285/Х/Е-2001/М съёмки быстропротекающих им­пульсных процессов. Полученные изображения осреднялись путём по­слойного наложения десяти сним­ков. Затем определялись границы топливного факела и производился расчёт изменения его геометриче­ских параметров: длины, угла ра­скрытия и скорости распростране­ния фронтальной части.

При равных условиях (положение рейки ТНВД, Скоростной режим дви­гателя - 1750 мин, температура то­плива и т.д.) впрыск рапсового масла начинается на 3 - 3,5 град, поворота коленчатого вала (п.к.в.) позже, чем дизельного топлива. Несмотря на то, что игла распылителя отрывается от седла на 1,5 - 2 град, рань­ше. Очевидно, истечение рапсового масла из сопел форсунки начинается при более высоких значениях суммарного    проходного сечения распылителя, определяемо­го в начальные периоды впрыска по­дъёмом иглы форсунки.

Структура факела рапсового мас­ла обладает более высокой неравно­мерностью в распределении концен­трации капель топлива в поперечном сечении факела. Средний диаметр частиц топлива факела больше, а угол его раскрытия на рапсовом ма­сле на 40 - 100% (в зависимости от сравниваемых сопел) меньше, чем на дизтопливе.

Факел рапсового масла обладает большей дальнобойностью из-за укру­пнения капель топлива по причине бо­лее высоких значений вязкости и по­верхностного натяжения, а также плот­ности по сравнению с дизтопливом.

Поэтому целесообразно исполь­зовать для рапсового масла распы­лители с большим числом отверстий меньшего диаметра - для обеспече­ния мелкодисперсного, более равно­мерного распыления. Произведён расчёт и предложен специальный распылитель для последующих ис­пытаний.

На втором этапе нужно было полу­чить параметры рабочего процесса без каких-либо регулировочных и конструктивных изменений в двига­теле. Для этого использовался одно­цилиндровый отсек двигателя серии Д-440 и Д-460 - дизелей размерно­стью 130/140 производства ОАО ПО АМЗ. Это четырёхтактные быстро­ходные двигатели с объёмно-плёноч­ным смесеобразованием, с камерой сгорания, выполненной в поршне (ти­па ЯМЗ), жидкостного охлаждения.

Как же он работал?

Наблюдалось увеличение макси­мального давления подачи топлива до 20% на номинальном режиме.

Ухудшилась экономичность: умень­шение индикаторного КПД на 5 - 8% и увеличение удельного индикаторного расхода топлива на 40 - 60 г/кВт-ч. Причём более высокие значения ха­рактерны для режимов работы, близ­ких к номинальному.

Увеличились выбросы оксида углерода на номинальном режиме, а на режимах средних и малых нагру­зок существенного изменения не об­наружено.

В отработавших газах уменьши­лось содержание сажи и окислов азота. Уменьшилось максимальное давление газов внутри цилиндра, и понизилась максимальная темпера­тура цикла при незначительном уве­личении температуры отработавших газов.

Третий этап исследований пре­дусматривал изучение работы дизе­ля на чистом рапсовом масле с раз­личными распылителями: штатным 6-А1; специальным для рапсового масла 6А1Р производства АО «Алтай­ский завод прецизионных изделий» и экспериментальным, разработанным в нашем университете. При этом ис­следовано влияние угла опережения впрыска топлива и его температуры, давления начала впрыска топлива, эффективного проходного сечения распылителя и его конструкции.

Исследования показали, что при переходе на рапсовое масло необхо­димо увеличить опережение топливоподачи на 2 - 3 град, п.к.в. Опти­мальным, с точки зрения экономич­ности, является угол 33 град, п.к.в. до в.м.т., при установке в статике.

Для исследования влияния темпе­ратуры топлива на показатели двига­теля снимались регулировочные ха­рактеристики по температуре топли­ва, а также нагрузочные и скоростные характеристики без его подогрева и с подогревом до температуры 90°. Уста­новлено, что с увеличением темпера­туры ухудшаются показатели эконо­мичности, а количество вредных вы­бросов изменяется незначительно. Исходя из анализа, следует рекомен­довать температуру рапсового масла на входе в ТНВД равной 40 - 45°.

Влияние давления начала впрыска топлива на показатели рабочего про­цесса изучались снятием нагрузочных характеристик при регулировках фор­сунки в диапазоне 15 - 22,5 МПа. Ис­следования показали, что давление начала топливоподачи нужно увели­чить до 20 МПа. Более высокое давле­ние желательно, но для этого необхо­димы другие системы топливоподачи.

Распылители с увеличенным эф­фективным проходным сечением (0,313 против 0,237 мм²) обеспечива­ют лучшие показатели экономично­сти и токсичности.

Таким образом, возможно сокра­тить разрыв в показателях экономич­ности работы двигателя на дизто-пливе и рапсовом масле с 8 до 3% -по индикаторному КПД и с 60 до 25 г/кВт- ч по удельному индикаторному расходу топлива.

Следует подчеркнуть, что при этом не исследовались проблемы длительной работы на данном виде топлива, что будет определяющим при эксплуатации.

По результатам проведённых ис­следований замечено, что использо­вание распылителей снижает их за-коксовывание и нагарообразование на стенках камеры сгорания. Однако выводы о возможности долговремен­ной работы двигателя на рапсовом масле можно сделать лишь после со­ответствующих испытаний, что явля­ется планируемой стадией ведущих­ся работ.

Желательным условием перехода на рапсовое масло является исполь­зование современных топливных на­сосов высокого давления с подвес­ными секциями, что позволит обес­печить более высокую энергию впрыска. При эксплуатации следует увеличить диаметр топливопроводов и установить параллельно суще­ствующему дополнительный топлив­ный фильтр тонкой очистки. Абсолют­но необходимо подогревать топлив­ный бак отработавшими газами или охлаждающей жидкостью. Необходи­мо также применение специальных распылителей.

Большое значение имеет техноло­гия получения рапсового масла и по­следующая его очистка. Так, при про­ведении испытаний на одном из об­разцов рапсового масла наблюдалось частое «подвисание» иглы распылите­ля форсунки, которое удалось устра­нить только заменой топлива.

В целом идея использования рап­сового масла имеет хорошие перс­пективы как с точки зрения использо­вания более дешёвого топлива (для сельхозпроизводителей), так и обес­печения удовлетворительных эконо­мических, экологических и эксплуа­тационных качеств.