Замещение минерального дизельного топлива смесевым биотопливом в сельском хозяйстве (на примере дизельной электростанции)

Во введении в опоре на актуальность темы исследования обозначена степень
ее разработанности; сформулированы цель и задачи диссертационной работы, а
также ее объект и предмет; выявлена научная новизна представленных материалов
и их практическая значимость; представлена методология и методы исследования,
научные положения и результаты данных исследований, выносимые на защиту,
степень достоверности и апробация результатов исследований.
В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследования»
рассмотрены преимущества и недостатки использования основных видов
альтернативного топлива и биодобавок к дизельному топливу. Предлагается
использовать дизельное смесевое топливо на основе рицинового масла и биэтанола
в качестве наиболее перспективногоспособа повышенияэкологической
безопасности дизельной электростанции.
Использование ДСТ в качестве топлива для дизельных электростанций
предполагает отсутствие изменений конструкции топливной аппаратуры и
двигателя в целом, что значительно расширяет область применения этого топлива
на дизельных электростанциях различной конструкции и мощности.
Анализ источников показал, что в настоящее время большое количество
ученых занято исследованием способов диверсификации топливных ресурсов и
работают над повышением экологических показателей двигателей внутреннего
сгорания.
Значительный вклад в решение этих проблем внесли отечественные ученые:
А. П. Уханов, Е. А. Григорян, Ю. В. Уханова, И. Ф. Адгамов из ФГБОУ ВО
«Пензенский государственный аграрный университет», В. А. Марков, С. Н.
Девянин из МГТУ им. Н. Э. Баумана и другие ученые Российской Федерации.
Представленные работы имеют большое методологическое, теоретическое и
практическое значение, однако в них не рассматривалось применение дизельного
смесевого топлива на основе рицинового масла и биоэтанола при эксплуатации
дизельной электростанции.
Для обеспечения гомогенизированной структуры, влияющей на срок
хранения и качество сгорания, были рассмотрены способы предварительной
подготовки компонентов и смесей с последующим смешиванием.
Вторая глава «Расчетно-аналитическое обоснование показателей ДЭС при
работе на дизельном смесевом топливе с разными концентрациями рицинового
масла и биоэтанола» посвящена исследованию влияния физико-химических
показателей дизельного смесевого топлива на показатели дизельной
электростанции.
Исследования процессов оценки и оптимизации состава дизельного
смесевого топлива чаще всего рассматривают их только со стороны характеристик
двигателя, уделяя особое внимание составу отработанных газов, расходу топлива и
выходной мощности. При этом не рассматривается комплексная оценка по физико-
химическим свойствам таким как плотность, вязкость, цетановое число, а также не
учитывается входная оценка пригодности исследуемых смесей для будущих
экспериментальных исследований.
В работе предложен коэффициент пригодности п , с интервалом
пригодности п от 1,2 до 0,8, который позволяет исключить непригодные смеси в
дальнейших экспериментальных исследованиях.
Для расчета коэффициента пригодности пвозможно применение
характеристик смеси, ранее выясненных эмпирически, путем ее обработки.
Расчет коэффициента пригодности п можно записать в виде:
пДт
п =,(1)
п

где пДт – аналитический коэффициент пригодности дизельного топлива; п –
аналитический коэффициент пригодности исследуемой смеси.
Коэффициенты пДт и п формируются в виде отношения суммы трех
частных критериев исследуемого топлива к эталонному. В качестве критерия,
характеризующего воспламеняемость цч , принимаем цетановое число, в качестве
критерия вязкостной характеристики – кинематическую вязкость, а в качестве
критерия плотности – плотность вещества с вводом весовых коэффициентов,
характеризующих значимость каждого из слагаемых.
Расчет коэффициента п можно записать в виде:
ЦЧДТ 20 з
п = ЦЧ · ЦЧ + · + · + з = ЦЧ ·+ ·20 + ·+(2)
ЦЧ дт дт в +5

Весовой коэффициент ЦЧ принят равным единице, так как характеризует
такой важный параметр как воспламеняемость, а весовые коэффициенты , , з ,
связанные с вязкостью, плотностью и низкотемпературными свойствами топлива,
определяются в виде отношений действительных показателей исследуемого
топлива ( , , з ) к допустимым параметрам топлива, применяемого на
дизельном двигателе ( пр , пр ), ( в ) и предельной фиксируемой отрицательной
температурой окружающего воздуха в регионе применения.

=(3)
пр

=(4)
пр
з
з =(5)
в +5
Кпт2
y = -0,118ln(x) + 1,0141
1,5R² = 0,9604
ДтСмесь 1Смесь 2
1Смесь 3Смесь 4Смесь 5Смесь 6

0,5
100908070605040
Концентрация дизельного топлива, %

Рисунок 1 – Зависимость изменения коэффициента пригодности от концентрации
дизельного топлива в ДСТ

Из теоретически полученных данных коэффициента пригодности можно
построить логарифмическую зависимость: смеси 1, 2, 3 – пригодны, смесь 4 –
гранично-пригодна, смеси 5, 6 – непригодны к испытаниям.
Проведение теоретических исследований выходных параметров дизельного
двигателя D300HCE дизельной электрической станции ДЭС Champion DG3601E
проводились при вариации долей минерального дизельного топлива, рицинового
масла и биоэтанола с процентным содержанием компонентов:
Смесь 1 – 90 % ДТ + 5 % РицМ + 5 % Сп;
Смесь 2 – 80 % ДТ + 10 % РицМ + 10 % Сп;
Смесь 3 – 70 % ДТ + 15 % РицМ + 15 % Сп;
Смесь 4 – 60 % ДТ + 20 % РицМ + 20 % Сп;
Смесь 5 – 50 % ДТ + 25 % РицМ + 25 % Сп;
Смесь 6 – 40 % ДТ + 30 % РицМ + 30 % Сп.
В работах Б. Льюйса, Г. Эльбе, А. В. Горячкина, В. Р. Ведрученко, К.В.
Трелина и др. установлено, что топливо сгорает, находясь в парообразном
состоянии. Для превращения топлива в пар требуется определенное количество
теплоты (теплота парообразования), которое у различных компонентов смесевого
топлива разное.
Процесс теплообмена между каплями распыленного топлива и горячим
воздухом в камере сгорания можно описать уравнением теплоотдачи (закон
Ньютона).
Для оценки влияния биокомпонентов смесевого топлива на
продолжительность периода задержки воспламенения принимаются следующие
допущения: величина поверхности капель распыленных компонентов,
температуры воздуха и топливного компонента и коэффициент теплоотдачи
одинаковы аналогичным для дизельного топлива.
Запишем уравнение для определения для 3-х компонентного смесевого
топлива ссм и для дизельного топлива сдт :
дт · пдт
сдт=(6)
( − т ) ·
рм прм сп псп
ссм= сдт �1+·+·�,(7)
дт пдт дт пдт
где – период задержки; – концентрация компонента; п – теплота, требуемая
для испарения; – средняя температура воздуха; т – средняя температура
топлива; α – коэффициент теплоотдачи; F – поверхность распыленного топлива.
Данная зависимость характеризует изменение периода задержки
воспламенения от содержания в смесевом топливе биологических компонентов.
В работе определено: при расчете процесса горения сложных смесей
необходимо учитывать химизм протекающих реакций внутри камеры сгорания, а
не только углеводородный состав и теплоту испарения.
При термическом разложении пропорционально увеличению температуры
свежего заряда внутри камеры сгорания возрастает кинетическая энергия молекул
компонентов, а это увеличивает вероятность их разрушения при столкновении.
В составе рицинового масла C3H5(C18H33O3)3 (усредненная формула –
C57H104O9) основным элементом является рицинолевая кислота, до 90% в виде
брутто-формулы (по системе Хилла) C18H34O3. Химическую аппроксимацию
процесса декарбоксилирования и пиролиза реакцией разложения рицинолевой
кислоты рицинового масла можно провести по предложенной формуле:
Константа скорости реакции разложения
18 34 3 �⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯� + 2 + 2 3 6 + 4 2 6 + 4 2 4 + 2 2 + 4

Широко изученный процесс горения биоэтанола в качестве топлива для
дизельных двигателей говорит, что спирт распадается с образованием метана,
монооксида углерода, водорода и воды.
В опоре на работы ученых, в частности на труды В. А. Лиханова, можно
сделать вывод, что образование воды при распаде биоэтанола и рицинового масла
в процессе горения влияет на ускорение процесса окисления окиси углерода.
Поэтому добавка биоэтанола и рицинового масла к дизельному топливу
увеличивает не только продолжительность периода задержки воспламенения, но
при этом и ускоряет процесс горения за счет увеличения кинетической энергии и
увеличения вероятности их разрушения.
Таблица 1 – Мощностные, экономические и показатели рабочего цикла дизельного
двигателя D300HCE при использовании смесей различного состава
СмесьСмесьСмесьСмесь СмесьСмесь
ПоказателиДТ
654321
Теоретическое количество
12,112,512,913,313,614,014,4
воздуха, кг/кг топлива
Коэффициент молекулярного
1,0361,0351,0351,0341,0331,0321,031
изменения
Теплота сгорания топлива,
35,9237,0038,0939,1840,2641,3542,43
МДж/кг
Температура сгорания, К1882,01905,01941,8 1956,0 1970,61982,3 1996,6
Среднее эффективное давление,
0,4500,4660,4920,5010,5100,5160,525
МПа
Эффективный КПД0,3480,3480,3490,3490,3490,3490,349
Удельный эффективный расход
288,00279,20270,71 263,22 256,16249,51 243,21
топлива, г/кВт
Эффективная мощность, кВт3,113,223,403,463,523,573,63
Изменение мощности, %-14-11-6-5-3-20
Изменение удельного расхода
1815118530
топлива, %

На основании изложенного в второй главе диссертации, можно сделать
вывод: использование ДСТ на основе рицинового масла и биоэтанола в дизельной
электростанции изменяет не только процесс самовоспламенения, но и скорость
сгорания топлива. При этом опыт применения трехкомпонентных смесей изучен
недостаточно полно вследствие влияния большого количества факторов,
следовательно, требуются экспериментальные подтверждения полученных
результатов.
В третьей главе «Методика проведения экспериментальных исследований»
представлена методика планирования и проведения экспериментальных
исследований, а также методы обработки результатов измерений.
Экспериментальные исследования проведены в период 2010-2020 гг. на базе
лабораторий Уральского Регионального центра технической экспертизы и
диагностики, топливо-смазочных материалов, двигателей внутреннего сгорания
ФГБОУ ВО Уральского ГАУ.
В соответствии с поставленными задачами, программа исследований была
направлена на проверку теоретических зависимостей, раскрывающих влияние
применения дизельного смесевого топлива с содержанием биологических и
минеральных компонентов при вариации концентрации компонентов, и включала
лабораторные и эксплуатационные исследования.
Для проведения лабораторных исследований была разработана и
смонтирована экспериментальная установка (рисунок 2), позволяющая провести
комплекс экспериментальных исследований работы дизельного двигателя
D300HCE и дизельной электростанции Champion DG3601E при вариации долей
минерального дизельного топлива, рицинового масла и биоэтанола.
Экспериментальная установка на базе дизельной электростанции Champion
DG3601E позволяет снимать следующие параметры: нагрузка на электрогенератор,
доля биокомпонента, температура окружающего воздуха, атмосферное давление,
влажность, сила тока, напряжение, часовой расход топлива, усредненный
показатель дымности, объемная доля углеводородов, объемная доля монооксида
углерода, объемная доля диоксида углерода.

Рисунок 2 – Схема экспериментального стенда по определению
эксплуатационных показателей ДЭС

Экспериментальнаяустановкапредставляетсобойдизельную
электростанцию Champion DG3601E (9), оборудованную мерной емкостью (1) с
весовым механизмом (2) для замера расхода топлива; активным нагрузочным
устройством в виде ламповых реостатов на 4 кВт (3); газоанализатором АВГ-4 (12);
дымомером АВГ-1Д (13); блоком измерительных устройств (4), в том числе
оснащенным анализатором качества электрической энергии (5); блоком
автоматического контроля и управления на базе микроконтроллеров Arduino (7).
Полученные результаты, снятые с экспериментального стенда, обобщены в
виде таблиц и графиков с последующей аппроксимацией уравнениями регрессии в
Microsoft Excel.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» в
процессе лабораторных исследований были определены такие показатели как
стабильность, плотность, вязкость, температура вспышки в закрытом тигле, а также
рассчитан коэффициент пригодности, крутящий момент, эффективная мощность,
часовой и удельный расход, дымность, объемная доля моно- и диоксида углерода
несгоревших углеводородов.
Анализируя результаты исследований стабильности смесей, можно говорить
о непригодности механического и ультразвукового способов смешивания, так как
время, предшествующее расслоению, составляет меньше 180 минут. Термическая
обработка, в результате которой происходит дегидратация рицинолевой кислоты,
позволяет увеличить срок стабильности до двух месяцев для смеси 90 % ДТ + 5 %
РицМ + 5 % Сп; при этом, благодаря дополнительной обработке ультразвуком,
удается достигать более высокой степени дисперсности эмульгируемых продуктов,
ускорять процесс и улучшать качество получаемых эмульсий.
0,86Смесь 6
Смесь 5
ρ,г/см3
0,85
Смесь 4
Смесь 3
Смесь 2
0,84Смесь 1y = 0,004x + 0,83
R² = 1
0,83
0,82
908070605040
Концентрация дизельного топлива, %

Рисунок 3 – Зависимость плотности смесей от концентрации
дизельного топлива в ДСТ
ν , мм2/сСмесь 5Смесь 6
4Смесь 3Смесь 4
Смесь 1Смесь 2
2y = 2,1014e0,1048x
R² = 0,9991
908070605040
Концентрация дизельного топлива, %

Рисунок 4 – Зависимость вязкости смесей от концентрации
дизельного топлива в ДСТ

Концентрация дизельного топлива, %
t °С;0
908070605040

-20y = 1,5714×2 – 12,514x – 22,2
R² = 0,9395
-40
Смесь 1
Смесь 2Смесь 3Смесь 6
-60Смесь 4Смесь 5

Рисунок 5 – Зависимость температуры застывания смесей от концентрации
дизельного топлива в ДСТ
Таблица 2 – Результаты определения температуры вспышки в открытом тигле
основных компонентов
Вид исследуемой жидкостиТемпература вспышки, °С
Спирт (СП)19
Дизельное топливо (ДТ)62
Рициновое масло (РицМ)240

Используя полученные данные кинематической вязкости, плотности,
температуры застывания, были рассчитаны коэффициенты пригодности смесей.
Анализируя рисунок 5, можно сделать вывод, касающийся увеличения доли
рицинового масла и биоэтанола: их содержание свыше 40 % негативно влияет на
пригодность данных смесей в качестве моторного топлива.

Таблица 3 – Изменение физико-химических показателей смесей
Коэффициент
Погрешность расчета
Рассмат-Теоретическийv,зпригодности
, ,коэффициента
риваемаякоэффициентЦЧмм2/согласно
г/см3°Спригодности между
смесьпригодности Кпслабораторного
теоретическим, %
исследования
Смесь 10,93462,340,834-340,921,07
Смесь 20,91442,580,838-400,883,29
Смесь 30,87412,900,842-440,843,44
Смесь 40,82383,170,846-490,811,22
Смесь 50,79353,540,851-460,781,26
Смесь 60,77333,960,854-400,752,59
Кпт
1,5y = -0,123ln(x) + 1,0067
R² = 0,9905
ДТСмесь 1Смесь 2
0,5Смесь 3Смесь 4Смесь 5Смесь 6
100908070605040

Концентрация дизельного топлива, %

Рисунок 6 – Изменение коэффициента пригодности от концентрации дизельного
топлива в ДСТ

По результату экспериментальных исследований были построены
следующие зависимости: крутящего момента, мощности, часового и удельного
расхода топлива.
144,0
ДТ
Mк, НмNe, кВтДТ
13Смесь 13,5
Смесь 1
Смесь 23,0
12Смесь 2
Смесь 3
2,5Смесь 3
11Смесь 4
2,0Смесь 4
1,5
1,0

n,мин-1n,мин-1
а) эффективный крутящий моментб) эффективная мощность
Рисунок 7 – Изменение эффективных показателей двигателя при вариации
концентрации элементов топливной смеси
1,7ДТ600ДТ
ge, г/кВт⋅ч
Gт, кг/чСмесь 1550Смесь 1
1,5
Смесь 2500Смесь 2
1,3Смесь 3
Смесь 3
1,1400Смесь 4
Смесь 4
0,9
0,7250
0,5
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
n,мин-1n,мин-1
а) часовой расход топливаб) удельный эффективный расход топлива
Рисунок 8 – Изменение топливной экономичности двигателя при вариации
концентрации элементов топливной смеси

Для определения влияния на экологические показатели примения ДСТ
различного состава были построены экспериментальные зависимости: дымности,
доли несгоревших углеводородов, объемные доли моно и диоксида углерода.
ДТ
Nср, %Смесь 1
Смесь 2
80Смесь 3
Смесь 4
0750150022503000 Nр, Вт

Рисунок 9 – Изменение показателя дымности при работе на смесях в
зависимости от нагрузки
CO2, %ДТ
Смесь 1
Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
0750150022503000Np, Вт

Рисунок 10 – Изменение объемной доли диоксида углерода при работе на
смесях в зависимости от нагрузки
СО, % 1ДТ
0,9Смесь 1
0,8Смесь 2
Смесь 3
0,7
Смесь 4
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0750150022503000Np, Вт

Рисунок 11 – Изменение объемной доли монооксида углерода при работе на
смесях в зависимости от нагрузки
0,40ДТ
CH, млн-1Смесь 1
0,30Смесь 2
Смесь 3
Смесь 4
0,20

0,10

0,00
0750150022503000Np, Вт

Рисунок 12 – Изменение объемной доли несгоревших углеводородов при
работе на смесях в зависимости от нагрузки

Нами было определено влияние доли компонентов на содержание объемной
доли моно- и диоксида оксида углерода, несгоревших углеводородов и дымности
отработанных газов ДЭС. Добавка рицинового масла и биоэтанола к дизельному
топливу позволяет снизить следующие показатели: выбросы монооксида углерода
до 50%, диоксида углерода до 40%, несгоревших углеводородов до 30% и
показателя дымности до 60% Данные результаты позволяют говорить о
пригодности смесей 1-3 в качестве топлива для улучшения экологических
безопасности и соответствия современным евростандартам.

Смесь 1Смесь 2

Смесь 3Смесь 4
Рисунок 13 – Универсальная характеристика дизельной электростанции Champion
DG3601E при работе на смесях

Из построенных графиков универсальной характеристики дизельной
электростанции видно, что наиболее экономичным режимом работы дизельной
электростанции является диапазон частоты вращения коленчатого вала от 1500 до
2500 мин–1 со значениями нагрузки в 1500-2250 Вт, но режим работы генераторной
установки не позволяет выдавать требуемую вольтамперную характеристику
вследствие чего требуется частота вращения коленчатого вала двигателя в
диапазоне 2700-3200 мин –1.
При проведении экономической оценки использования ДСТ при
эксплуатации ДЭС в сельском хозяйстве были рассчитаны стоимость и затраты
топлива.
Таблица 4 – Стоимость 1 л смеси при производстве биокомпонентов
№Испытуемый образецСтоимость 1 л
1ДТ50,70
2Смесь 1, 10% замещения ДТ47,58
3Смесь 2, 20% замещения ДТ44,46
4Смесь 3, 30% замещения ДТ41,34
5Смесь 4, 40% замещения ДТ38,22

Таблица 5 – Затраты на топливо для одной дизельной электростанции за год при
производстве биокомпонентов
Затраты наЗатраты наЗатраты на
Разница в
Испытуемый образецтопливо за 1топливо за сменутопливо за
затратах, %
час, руб.(8 ч), руб.год, руб.
ДТ59,9478,9118767,5–
Смесь 1, 10% замещения ДТ59,9479,2118847,3+ 0,1
Смесь 2, 20% замещения ДТ59,4475,4117892,2- 0,7
Смесь 3, 30% замещения ДТ58,4467,4115917,0- 2,4
Смесь 4, 40% замещения ДТ58,7469,8116521,3- 1,9

На основании представленных данных можно сделать вывод, что применение
смесей на основе рицинового масла и биоэтанола в качестве топлива позволяет
снизить затраты предприятий агропромышленного комплекса на топливо до 2,4%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании результатов проведенных исследований можно сделать
следующие выводы:
1.Исследования физико-химических показателей смесей показали
изменение плотности по линейной зависимости, от 0,834 г/см3 при 20 °С для смеси
с 10% замещения ДТ, до 0,854 г/см3 для смеси с 60% замещения ДТ. Отмечен
экспоненциальный рост кинематической вязкости при увеличении доли
биокомпонента для смеси с 10% замещения ДТ составила 2,34 мм2/с, при 20 °С а
для смеси с 60% замещения ДТ 3,96 мм2/с. Температура застывания топливных
смесей в значительной степени зависит от доли биоэтанола и рицинового масла. В
частности, температура застывания для смеси с 10% замещения ДТ составила –34
°С смеси с 40% замещения ДТ –49 °С а смеси с 60% замещения ДТ –40 °С.
Полученные данные с 95 %-ной степенью доверительной вероятности могут быть
описаны полиномом второго порядка. Применение термической обработки с
последующей обработкой ультразвуком, позволяет обеспечить высокую степень
дисперсности эмульгируемых продуктов, увеличить срок хранения топливной
смеси, снизить вязкость и понизить температуру ее застывания до –30 °С. Данные
факты свидетельствуют о пригодности смесей в качестве топлива для зон с
умеренно континентальным климатом, в частности, для Среднего и Южного
Урала.
2.Применение предложенной методики по оценке и оптимизации
физико-химических свойств смесей позволило исключить из исследований
непригодные смеси с долей замещения ДТ 50…60% и выделить смеси с
содержанием компонентов 90 % ДТ + 5 % РицМ + 5 % Сп (Смесь 1), 80 % ДТ +
10 % РицМ + 10 % Сп (Смесь 2) как наиболее пригодные по физико-химическим
свойствам и обеспечивающие минимальные потери мощности двигателя (до 3%).
3.Разработанный экспериментальный стенд на базе станции ДЭС
Champion DG3601E позволил провести комплекс экспериментальных
исследований работы дизельного двигателя при вариации долей минерального
дизельного топлива, рицинового масла и биоэтанола. Экспериментальные
исследования показали, что увеличение доли биокомпонента влияет на
уменьшение мощности двигателя на 3–7 %, увеличение эффективного удельного
расхода топливной смеси на 3-5 %, снижение выбросов монооксида углерода до
50%, диоксида углерода до 40%, несгоревших углеводородов до 30% и показателя
дымности до 60%. Увеличение доли биокомпонентов более 30% нивелирует
экологический эффект до показателей схожих с дизельным топливом. Смеси с
составом 90 % ДТ + 5 % РицМ + 5 % Сп и 80 % ДТ + 10 % РицМ + 10% Сп
являются оптимальными для работы дизельной электростанции, так как падение
генерируемой мощности и вредные выбросы с отработавшими газами при этих
соотношениях минимальны, а увеличение расхода топлива незначительно.
4.Экономически наиболее целесообразными являются ДСТ с
содержанием биологических элементов в диапазоне от 10 % до 30 %, что позволяет
повысить экологическую безопасность и снизить потребление дизельного топлива.
Для дизельного двигателя D300HCE в агрегате с дизельной электростанцией
Champion DG3601E применение ДСТ позволит сократить затраты на закупку
дизельного топлива до 2,4%.

Рекомендации производству
Дизельное смесевое топливо на основе рицинового масла и биоэтанола может
быть использовано в качестве топлива для дизельных электростанций на
предприятиях агропромышленного комплекса с целью снижения доли закупаемого
дизельного топлива.

Перспективы дальнейшей разработки
Дальнейшие исследования будут направлены на изучение закономерностей
изменения характеристик двигателей внутреннего сгорания от состава
применяемого дизельного смесевого топлива.