АЛЬТЕРНАТИВНОЕ ТОПЛИВО ДЛЯ АВТОТРАНСПОРТА НИГЕРИИ НА ОСНОВЕ ПАЛЬМОВОГО МАСЛА

Полный текст

Существенный вклад в загрязнении атмосферы промышленно развитых городов Нигерии вредными веществами и в невосполнимое потребление традиционного топлива на органической основе вносят мобильные средства с дизельными приборами. Экономия нефтяного топлива и защита от загрязнений окружающей среды обусловливают необходимость поиска альтернативных мер по совершенствованию эколого-экономических качеств двигателей транспортных средств. В рамках поиска таких мер в последнее время все более широкое распространение получает развитие исследований [1-4] по замене традиционного топлива на биологические виды топлива, в частности, на основе растительных масел. Из всех имеющихся в распоряжении человечества «солнечных энергетических источников» наиболее эффективно масличное растение. Оно на биологическом уровне эффективно решает проблему аккумулирования энергии Солнца в содержащих масло плодах. В энергетический оборот могут быть вовлечены многие виды масличных культур. В африканских странах с жарким климатом к таким культурам в первую очередь следует отнести пальму. В отличие от нефтепродуктов, растительное (пальмовое) масло не токсично, не имеет неприятного запаха, не содержит сернистых соединений, являющихся причиной кислотных дождей. В химический состав пальмового масла входят жирные кислоты, которые представляют собой высокомолекулярное кислородсодержащее соединение с углеводородным основанием. Поэтому пальмовое масло, как и множество других растительных масел, может полностью растворяться в традиционных нефтяных моторных топливах [5]. Таблица 1 Физико-химические свойства растительных масел [Physicochemical properties of palm oil] Физико-химические свойства Масла рапсовое арахисовое подсолнечное соевое пальмовое оливковое хлопковое касторовое Плотность при 20 °С, кг/м 3 916 917 923 924 918 914 919 1069 Вязкость кинематическая, мм 2 /с при: 20 °С 40 °С 100 °С 75,0 36,0 8,1 81,5 36,5 8,3 65,2 30,7 7,4 - 32,0 7,7 - - 8,6 - - 8,4 - - 7,7 - - 19,9 Цетановое число 36 37 33 50 49 - - - Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 12,6 11,2 11,1 - - - - - Теплота сгорания низшая H u , МДж/кг 37,3 37,0 37,0 36-39 37,1 - - - Температура самовоспламенения, °С 318 - 320 318 315 285 316 296 Температура застывания, °С -20 - -16 -12 +30 -12 -18 -27 Содержание серы, % (масс.) 0,002 - - - - - - - Содержание, % по массе С Н О 78,0 10,0 12,0 78,0 12,3 9,4 77,6 11,5 10,9 77,5 11,5 11,0 76,6 12,0 11,4 0 - - 77,1 11,7 11,2 0 - - Кислотность, мг КОН / 100 мл топлива 4,66 - 2,14 0,03 0,17 5,90 0,23 0,19 Коксуемость 10%-ного остатка, %, не более 0,40 - 0,51 0,44 - 0,20 0,23 - Примечание: Знак «-» означает, что свойства не определялись. Низкая испаряемость и высокая вязкость пальмового масла исключают его использование в традиционных бензиновых двигателях. Но оно может успешно применяться в качестве топлива для дизельных двигателей. Этому способствуют сравнительно невысокая термическая стабильность пальмового масла и приемлемая температура его самовоспламенения, лишь немного превышающая температуру самовоспламенения дизельных топлив (табл. 2) [6]. Таблица 2 Требования к топливу [Requirements for fuel] Наименование показателя Значение для марки ЛЕ З А Цетановое число, не менее 45 Фракционный состав: 50% перегоняется при температуре, °C, не выше 280 280 280 255 95% (по объему) перегоняется при температуре, °С, не выше 360 360 360 360 Кинематическая вязкость при 20 °С, мм 2 /с (сСт) 3,0-6,0 3,0-6,0 1,8-5,0 1,5-4,0 Температура вспышки, определяемая в закрытом тигле, °С, не ниже: для тепловозных и судовых дизелей и газовых турбин 62 62 40 35 для дизелей общего назначения 40 40 30 30 Массовая доля серы, мг/кг, не более 2000 Массовая доля меркаптановой серы, %, не более 0,01 Массовая доля сероводорода Отсутствие Испытание на медной пластинке Выдерживает. Класс 1 Содержание водорастворимых кислот и щелочей Отсутствие Кислотность, мг KОН/100 см 3 топлива, не более 5 Йодное число, г йода/100 г топлива, не более 6 Зольность, %, не более 0,01 Коксуемость, 10%-ного остатка, %, не более 0,20 Общее загрязнение, мг/кг, не более 24 Содержание воды, мг/кг, не более 200 Плотность при 15 °С, кг/м, не более 863,4 863,4 843,4 833,5 Предельная температура фильтруемости, °С, не выше Минус 5 Минус 15 Минус 25 Минус 45 - - Минус 35 С точки зрения возможностей использования в транспортных дизелях топлива на основе пальмового масла, положительным фактором служит то, что оно в сравнении с другими альтернативными энергоносителями обладает химмотологическими свойствами (теплота сгорания, стехиометрическое соотношение, цетановое число и др.), которые по основным эксплуатационным требованиям близки к традиционному (дизельному) топливу (табл. 2). Тем не менее, по ряду физических свойств пальмовое масло имеет ряд отличий от нефтяного топлива, что может оказать негативное влияние на эффективные и экологические показатели двигателя. В этих условиях становится очевидной необходимость в принятии специальных мер, которые позволили бы в наибольшей степени приблизить моторные свойства пальмового масла к стандартным свойствам дизельного топлива. В качестве одной из таких мер является использование двухкомпонентных топлив [7], состоящих из смеси дизельного топлива и пальмового масла. При варьировании составом такого топлива возможно достижение наиболее приемлемых его физико-химических свойств. Для выработки средств и метода совершенствования показателей работы дизеля на добавках пальмового масла появляется необходимость в предварительном изучении проблемных вопросов, связанных с использование данного вида топлива с новыми физико-химическими свойствами, для разработки адекватных средств и метода их решения. Одним из ключевых вопросов стоит проблема качества смесеобразования и ее влияние на процесс сгорания. Анализ процесса смесеобразования с учетом отличия физических свойств пальмового масла от характеристик дизельного топлива проводился на основе математического исследования. При этом имелось в виду, что большинство из математических методов исследования параметров смесеобразования основаны на использовании критериальных зависимостей, которые обладают наибольшей универсальностью (общностью), и поэтому повсеместно применяются в современной исследовательской практике. В этих зависимостях присутствуют такие физические параметры топлива как плотность топлива ρ т , динамическая вязкость μ т и поверхностное натяжение σ т , которые в основном и обусловливают принципиальные отличия пальмового масла от углеводородного дизельного топлива. Анализируя математическую структуру используемых критериальных зависимостей, априори можно отметить, что при неизменных режимных, конструктивных и регулировочных параметрах двигателя характеристики впрыскивания и распыливания для дизельного топлива (дальнобойность l т и угол раскрытия топливной струи γ т , мелкость распыливания d т ) могут претерпевать существенные изменения в случае применения пальмового масла. Для расчета показателей качества распыленного топлива были использованы следующие основные критерии: - критерий Вебера, характеризующий соотношение сил поверхностного натяжения и инерции: где U 0 - средняя скорость за время впрыскивания цикловой порции топлива, м/с; d с - диаметр распыливающего отверстия форсунки, м; - критерий М, характеризующий соотношение сил поверхностного натяжения, инерции и вязкости: С использованием этих критериев авторами проведено предварительное математическое изучение (с применением программного комплекса MathCAD) влияния физических свойств биологического топлива на характеристики смесеобразования. При этом в качестве базовых были использованы известные показатели физических свойств (плотности, динамической вязкости, поверхностного натяжения) пальмового масла. Было получено: изменение (в сторону увеличения) плотности пальмового масла (М) относительно дизельного топлива, что практически не влияет на границу между начальным и основным участками развития струи (показатель степени -0,05). Более высокое значение поверхностного натяжения для биологического топлива без изменения прочих условий распыла приводит к приближению к распылителю границы участков. Основной фактор, влияющий на расположение границы между участками, - значение динамической вязкости топлива, так как оно для дизельного топлива и пальмового масла (биотоплива) отличается практически в 2 раза. Установлено, что вследствие повышенных показателей плотности, поверхностного натяжения и вязкости для пальмового масла средний диаметр капель увеличивается (по сравнению с дизельным топливом), что должно отразиться на возрастании не только периода задержки воспламенения, но и его температурной чувствительности к процессу воспламенения. При этом угол рассеивания (раскрытия) топливной струи и ее боковая поверхность уменьшаются, что приведет к снижению количества испарившегося топлива за период задержки воспламенения. Более высокие значения плотности и динамической вязкости пальмового масла приводят к возрастанию дальнобойности топливной струи, увеличению доли менее активного пленочного смесеобразования и более медленному изменению давления в цилиндре двигателя в фазе диффузионного сгорания, что сказывается на увеличении длительности процесса сгорания в цикле и соответствующем снижении его эффективности. Из приведенных данных становится очевидным, что для сохранения эффективности рабочего цикла дизеля при переводе его на питание пальмовым маслом, на уровне исходного варианта (работа на дизельном топливе) необходимо предусмотреть ряд радикальных мер по внесению серьезных изменений в его конструкцию и систему топливоподачи. Все эти меры, очевидно, сопряженные с большими финансовыми и техническими затратами. В качестве альтернативного варианта решения ряда отмеченных проблемных вопросов предлагается новый метод, не требующий изменений базовой конструкции дизеля, что служит наиболее важным фактором для условий Нигерии, не имеющей собственной отрасли двигателестроения. Формулирование концепции предлагаемого метода Анализ и обобщения результатов проведенных исследований позволяют наметить ряд положений, которые могут быть положены в основу разработки концепции комплексного метода по совершенствованию показателей работы дизеля. Концепция в своей основе базируется на трех основных положениях, которые в общем виде могут быть сформулированы следующим образом. 1. Учитывая, что проблема создания высокоэффективного рабочего цикла дизеля при переводе его на питание пальмовым маслом сопряжена с необходимостью реализации целого ряда технических решений, требует внесения изменений базовой конструкции двигателя и его топливной аппаратуры, предлагается частичная замена дизельного топлива на биологический компонент. При применении пальмового масла в составе смесевого топлива (при сохранении базовой комплектации двигателя) частично решаются задачи, связанные с отличием физикохимических свойств пальмового масла от традиционного нефтяного топлива. 2. Учитывая сложный (в ряде случаев неоднозначный) характер влияния доли биологической составляющей в составе смесевого топливе на экологические и топливно-экономические показатели двигателя, выбор рационального компонентного состава смесевого топлива осуществляется на основе обобщенного критерия оптимальности, который позволяет интегрально оценить оптимальную величину этой доли. При этом прогнозируется достижение предельно возможного улучшения указанных показателей дизеля. 3. Одной из ключевых сопутствующих проблем, возникающей при использовании биологических добавок к углеводородному топливу, является вопрос снижения скорости сгорания смесевого топлива и повышения эмиссии оксидов азота, без успешного разрешения которого разработка конкурентоспособного дизеля остается проблематичной. Для решения этой проблемы в состав рабочего тела двигателя вводится строго дозированная порция химически активного реагента. Благодаря применению реагента дополнительно прогнозируется также повышение полноты сгорания, и как следствие, эффективности использования энергии смесевого топлива. Таким образом, понятие «комплексный метод» предопределяет скоординированное, совокупное воздействие на показатели работы двигателя одновременно двух физико-химических факторов, один из которых привнесен оптимизацией компонентного состава смесевого топлива, а другой - применением химического реагента. В качестве биологической добавки к дизельному топливу предлагается использовать пальмовое масло, а в качестве небольшой дозы химического реагента - органическую перекись, как наиболее дешевую, хорошо растворимую в дизельном топливе жидкость. Детальный механизм воздействия органической перекиси как химического реагента на процессы окисления (сгорания) смесевых биоуглеводородных топлив до настоящего времени остается еще малоисследованным. Однако уже сейчас, опираясь на известные положения теории химической кинетики и катализа, которые с той или иной степенью достоверности описывают ее, в рамках рабочей гипотезы можно указать на ряд характерных свойств данного химического реагента, влияющих на протекание процессов горения углеводородных и биологических компонентов смесевого топлива. Очевидно, что характер и эффективность любого активирующего средства будет определяться его реакционной способностью. В случае применения органической перекиси наибольший реакционный эффект следует ожидать от радикалов - продуктов разложения перекиси. Известно, что основной отличительной особенностью перекиси является то, что в реальных условиях процесса сгорания в дизеле присутствующая в зоне реагирования (окисления) углеводородов топлива перекись обнаруживает способность генерировать активные частицы (радикалы) - центры зарождения цепных реакций, обладающие уникальной способностью инициировать акты химического реагирования (окисления) компонентов смесевого топлива. В целом, результаты проведенного анализа дают основание предположить, что реагент в виде перекиси будет эффективным «реакционно-химическим инструментом», способным активно воздействовать на процессы выгорания частиц углеводородных и биологических компонентов топлива, повышая полноту сгорания смесевого топлива в целом. Приведенный краткий анализ характера воздействия химического реагента на процессы выгорания компонентов смесевого топлива в дизеле, безусловно, не исчерпывающий и не исключает другие виды воздействия реагента на сложный механизм рабочего цикла. Тем не менее, предварительный анализ позволяет в первом приближении прогнозировать качественные изменения в процессах рабочего цикла дизеля, работающего с добавкой пальмового масла к дизельному топливу, благодаря реакционному влиянию химического реагента - органической перекиси. С учетом данных проведенного исследования можно утверждать, что предлагаемая стратегия подобного комплексного подхода не только позволит оперативно решать экологические проблемные вопросы дизельного транспорта Нигерии, но и способствует решению проблемы сбережения баланса дорогостоящего нефтяного топлива, что, безусловно, важный национальный приоритет в финансовой сфере страны. Вывод Необходимость решения задач по социально важным проблемам энергосбережения и экологической безопасности на транспорте Нигерии, а также, принимая во внимание тенденцию к постоянному повышению загрязнения атмосферы городов страны вредными веществами транспорта, разработка и внедрение предлагаемого метода в транспортный комплекс Нигерии представляется достаточно перспективным и экономически целесообразным. Применение, в рамках предлагаемой концепции, технически простых и мало затратных средств и метода может быть успешно осуществлено в условиях даже небольших авторемонтных предприятий Нигерии.

Об авторах

П П Ощепков

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: oshchepkov_pp@rudn.university

Ощепков Пётр Платонович, кандидат технических наук, доцент департамента машиностроения и приборостроения инженерной академии Российского университета дружбы народов. Область научных интересов: системы автоматизированного проектирования, эксплуатация двигателей внутреннего сгорания, альтернативные топлива.

ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198

Симеон Адедожа Адегбенро

Российский университет дружбы народов

Email: simeonadegbenro@gmail.com

Симеон Адедожа Адегбенро (Нигерия), аспирант департамента машиностроения и приборостроения инженерной академии академии Российского университета дружбы народов. Область научных интересов: эксплуатация двигателей внутреннего сгорания, альтернативные топлива, теоретические и практические вопросы эксплуатации транспортных средств.

ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198

Список литературы