Разработка способа и средств оптимального дозирования биодизельного топлива в двигателях автотракторной техники

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, степень ее
разработанности, новизна и практическая значимость, приведены цель и задачи
исследований, дана краткая характеристика работы, а также изложены основные
положения, выносимые на защиту, сведения об апробации работы и степени ее
соответствияпаспорту специальности, публикациях, структуре, объеме
диссертации.
В первой главе проанализировано применение альтернативных топлив
для двигателей транспортных средств, а так же состояния научных направлений
по оценке качества биодизельного топлива.
Ежегодно экологический ущерб от применения различного транспорта в
нашей стране продолжает расти. Каждое транспортное средство поглощает
порядка 4 т кислорода, отдавая при этом множество продуктов распада: 40 кг
окисей азота, 200 кг всевозможных углеводородов, тонну угарного газа. Так, весь
транспорт России ежегодно отдает в атмосферу большое количество
канцерогенных соединений: 175 000 т формальдегидов, 27 000 т бензола, 5 000 т
тяжелых соединений свинца, 27 000 т бензола. А общее количество вредных
химических соединений приравнивается к 20 000 000 т ежегодно. Общие
экологические проблемы, возникающие на фоне применения углеводородного
топлива в современных силовых агрегатах, сохраняют актуальность не только на
территории нашей страны. Многие развивающиеся страны применяют жесткие
меры по повышению экологичности транспорта.
Анализ эксплуатационных показателей показал, что биодизельное топливо
отличается некоторыми недостатками, но может результативно внедряться в
дизельных энергетических агрегатах. Отличается биотопливо целым рядом
преимуществ, поэтому его можно успешно применять в работе транспортных
средств с высокой отдачей, которая сравнима с эксплуатацией двигателей на
дизельном толпливе.
Во второй главе представлено теоретическое обоснование разработки
способа очистки и оптимального дозирования компонентов биодизельного
топлива в двигателях сельскохозяйственной техники
Применение биотоплив приводит к необходимости разработки и
внедрениясредств оперативногоконтроляихкачествавдвигателях
автотранспортных средств.
Одной из главных характеристик биодизельного топлива, которая
оказывает влияние на надежность топливной аппаратуры и работу двигателя,
является содержание воды.
Обладая параметрами разделяемой эмульсии, элементов, технологические
вычисления нужно осуществлять по алгоритму, представленном на рисунке 1.

Рисунок 1 – Алгоритм расчета рациональных конструкционно-режимных
параметров цилиндроконических гидроциклонов
Прирасчетепараметровцилиндроконическогогидроциклона
устанавливаемого в гидравлическую развязку резервуарного парка нефтесклада
или мобильной установки, принимают следующие данные: температура
проведения процесса очистки t; плотность водыв кг/м3; плотность
биодизельного топлива дт кг/м3; динамическая вязкость биодизельного
топлива дт Па∙с; динамическая вязкость воды в Па∙с; межфазное натяжение на

границе фаз  Н/м; концентрация исходной эмульсии Sисх ; производительность
перекачивающего насоса нефтесклада (топливного насоса двигателя) Qобщ м3/ч;

дисперсный состав разделяемой эмульсии или средний объемный размер капель
d ср м.

Качество очистки топлива от эмульсионной воды зависит от критической
скорости входного потока. Величина критической скорости потока в питающем
патрубке VВХКР находится по следующей формуле:
2/3
8l     в  дт  
КР
VВХ (1)
 3 k p  дт  1     dвхдт


гдеk ð – коэффициент пропорциональности, который для системы жидкость –

жидкость равен 0,3; l – высота сепарационной зоны, равной расстоянию между
осью входного питающего патрубка до нижнего разгрузочного отверстия.
1  D  dH
l   D  dвх (2)
2  2tg 
гдеD – диаметр цилиндрической части гидроциклона; d вх – диаметр входного
патрубка; d Í – диаметр нижнего сливного отверстия;  – угол конусной части
гидроциклона;  – коэффициент падения скорости на входе в гидроциклон,
определяемый из выражения.
1,00,32
Ved   L 
 3,1 вх    .(3)
VВХ D  D
При этом для создания одинаковой средней скорости, жидкости в верхнем
сливном отверстии и входном патрубке принимаем d В  1,25dвх , а рациональное
dН
отношение диаметра нижнего слива к верхнему сливу равно 0,3 .
dВ

В третей главе представлена методика экспериментальных исследований
допустимого соотношения компонентов биодизельного топлива на основе рапса.
Планированиеисследованийнизкотемпературныхсвойств
биодизельного топлива. При низких температурах протекают процессы
непосредственного образования и разрастания кристаллического парафина, что
приводит к засорению топливных фильтров и отказу топливной системы
дизельного двигателя. Применение биодизельного топлива на основе рапса
требует проведения исследований по соответствию смесевых топлив с
различным содержанием компонентов требованиям ГОСТ 305-82, ГОСТ Р
52368-2005.
При исследовании проб использовали анализатор низкотемпературных
свойств нефти и нефтепродуктов «ИРЭН 2.3».
Планированиеисследованийцетановогочислабиодизельного
топлива. Исследования по нахождению цетанового числа биодизельного
топлива в зависимости от соотношения его компонентов проходили на установке
ИДТ-90. Всего изучали три образца биодизельного топлива с содержанием в них
рапсового масла в диапазоне от 10 % до 30 % включительно. Исследование
биодизельного топлива проводились по методу «совпадения вспышек». Выбор
данного метода заключается в его соответствии ГОСТ 3122-67. В качестве
регистратора исследуемых параметров был применен индикатор периода
задержки воспламенения (ИПЗВ-2).
Планированиеисследованийтриботехническихсвойств
биодизельноготоплива.Цельюисследованийявлялосьопределение
оптимальногосоотношенияприменяемыхкомпонентовдляполучения
биодизельного топлива, которое сможет в полной мере удовлетворять
триботехническимтребованиям,косвеннохарактеризующимизнос
прецизионных пар топливной аппаратуры дизельных двигателей.При
определении триботехнических свойств для образцов исследуемого биотоплива,
применялсяавтоматическийаппаратдляопределениясмазывающей
способности дизельного топлива HFRR.
В четвертой главепредставлены результаты исследований и
рекомендациипоприменениюоптимальногокомпонентногосостава
биодизельного топлива.
На основании проведенных исследований были определены зависимости
низкотемпературных эксплуатационных свойств биодизельного топлива на
основе рапса от компонентов, входящих в его состав.
Зависимости параметров биодизельного топлива с рапсовым маслом,
определяющих его низкотемпературные свойства, представлены ниже в виде
полиномов, представленные на рисунке 2. При увеличении процентного
соотношения рапсового масла в биодизельном топливе температуры его
помутнения, начала кристаллизации и застывания также повышаются.

Рисунок 2 – Полиноминальная аппроксимация температур помутнения,
начала кристаллизации и застывания биодизельного топлива
По результатампроведенных исследований проб по представленной
методике были получены уравнения, позволяющие осуществить моделирование
оптимального компонентного состава биодизельного топлива в зависимости от
температуры окружающей среды.
Температура помутнения:
y = 0,0115×3 – 0,2154×2 + 2,0837x – 26,656,(4)
где х – процентное содержание рапсового масла в дизельном топливе.
Достоверность аппроксимации R² = 0,9093
Температура начала кристаллизации:
y = -0,0272x + 0,58x – 2,5853x – 25,468.(5)
Достоверность аппроксимации R² = 0,8376.
Температура застывания:
y = 0,0162x – 0,2871x + 2,5983x – 37,338.(6)
Достоверность аппроксимации R² = 0,9039.
Исследования показали, что увеличение содержания рапсового масла в
биодизельном топливе приводит к ухудшению его эксплуатационных свойств
при отрицательной температуре. Однако приемлемые эксплуатационные
свойства моторного топлива можно обеспечить путем контроля за содержанием
рапсового масла в дизельном топливе, которое не должно превышать 30 %.
Исследование цетанового числа биодизельного топлива с содержанием
рапсового масла 10%, 20% и 30% проводилось на одноцилиндровой установке
ИДТ-90.

Рисунок 3 – Полиноминальная аппроксимация цетанового числа
биодизельного топлива в зависимости
Результаты,полученныевходеисследованийцетановогочисла
биодизельного топлива при применении рапса в качестве его компонента,
представлены в виде аппроксимирующей функции:
y = -0,95×2 + 1,85x + 50,(7)
Достоверность аппроксимации R² = 0,9997.
Установленная закономерность свидетельствует о снижении цетанового
числа до 47 единиц при увеличении доли рапсового масла до 30 %, что не
нарушает требований ГОСТ Р 52368-05.
Результаты исследования триботехнических свойств биодизельного
топлива на основе рапсового масла
Вязкость и триботехнические свойства биодизельного топлива отличаются
от дизельного, что оказывает влияние на гидродинамические процессы, износ
прецизионных пар топливных насосов высокого давления, а также надёжность
топливной системы двигателя в целом.
а)б)
а) общий вид аппарата HFRR; б) схема аппарата HFRR
1 – топливный резервуар; 2 – шарик из металла; 3 – прикладываемая нагрузка;
4 – пластина из металла; 5 – нагревательный элемент;
6 – направление движения, имеющее возвратно-поступательный характер
Рисунок 4 – Аппарат HFRR
В целях обеспечения достаточного уровня точности при измерениях,
проводилось по три испытания для каждого образца, а затем полученные
значения усреднялись. Некоррелированный средний диаметр пятна износа
(MWSD), мкм, рассчитывался согласно методике по формуле:
x y
MWSD ,(8)
где x – размер пятна износа, перпендикулярный к направлению движения,
имеющему возвратно-поступательный характер, мкм;
у – размер пятна износа, параллельный к направлению движения, имеющему
возвратно-поступательный характер, мкм.
Таблица 1 – Результаты полученные при испытаниях смесей дизельного топлива
с рапсовым маслом, согласно ГОСТ Р ИСО 12156-1-2006
№ п/пСодержание рапсовогоСкорректированный диаметр пятна износа при 60 °С,
масла в ДТ, % об.мкм
результат 1результат 2результат 3
10375394367
210201200200
320191181182
430183172195
5100188168171
Рисунок 5 – Диаграмма триботехнических параметров биодизельного
топлива, имеющего в своем составе рапсовое масло
В результате проведенных исследований была получена математическая
зависимость триботехнических параметров биодизельного топлива:
y = 5,3194x – 77,917x + 415,85x – 960,25x + 995,67 ,(9)
где х – содержание рапсового масла в дизельном топливе, выраженное в
процентах.
Достоверность аппроксимации составляет R² = 0,999.
Полученная, на основании результатов исследований, закономерность
показывает то, что в случае увеличения процента содержания рапсового масла в
биодизельном топливе в диапазоне от 0 % до 100 % происходит изменение
скорректированного диаметра пятна износа при 60 °С, мкм., который и
характеризует триботехнические свойства. Также важным следствием при этом
является то, что с увеличением концентрации рапсового масла в составе
биодизельного топлива более чем на 10 %, это способно приводить к
незначительному увеличению противоизносных свойств топлива.
Таким образом, предложенная методика по моделированию оптимального
соотношения компонентов биодизельного топлива, в зависимости от его
триботехнических свойств, вполне могут быть применены при различных
разработках технических устройств основанных на смешивании компонентов
биодизельного топлива.
Разработка установки для получения двухкомпонентного смесевого
топлива с системой управления компонентным составом
Сущность предлагаемого технического решения поясняется на рисунке 2
представлен общий вид устройства непрерывного контроля герметичности
нефтепродуктопровода (Патент № 197937 от 31.01.2020г.).

Рисунок 6 – Установка для получения двухкомпонентного смесевого
топлива с системой управления компонентным составом
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью
признаков,являетсяавтоматизацияпроцессаполученияоптимального
процентного соотношения компонентов биодизельного топлива, а также
информирование оператора с помощью блока индикации, на который выводится
информация с датчиков установки.
В пятой главе представлено технико-экономическая оценка внедрения
способа и средств оптимального дозирования биодизельного топлива
Эффективность производства и применения биодизельного топлива
Расчет бюджетной эффективности производства и применения битоплива
в АПК можно выполнить по методике, разработанной ГНУ ВНИИЭиН. Главным
(оценочным)показателембюджетнойэффективностиявляетсяиндекс
бюджетной эффективности, рассчитываемый по формуле:
T

 BCFt
PI В i 1
T
,(10)
 Inv
i 1
ob
где: PIB – индекс бюджетной эффективности, коэффициент; использование
бюджетных средств признается соответствующим критерию бюджетной
эффективности в случае, если подтвержденное значение индекса бюджетной
эффективности превышает 1 (PIB>0); BCFt – дисконтированный бюджетный
денежный поток, генерируемый реализацией Программы за период ее
реализации, тыс. руб.; Invob- годовая сумма государственной поддержки за счет
расходов областного бюджета.
Наиболееоптимальныерезультатыполученыприиспользовании
смесевого топлива (30% рапсового масла и 70% дизельного топлива) при
наличии общей площади не менее 3 тыс. га. В этом случае установка по
производству биотоплива окупается за 1,8 года.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. В процессе планирования экспериментальных исследований по
определению допустимого содержания компонентов биодизельного топлива на
основе рапса были определены критерии оценки его эксплуатационных свойств.
В качестве наиболее значимых были определены низкотемпературные и
триботехнические свойства, а также цетановое число.
2. По результатам исследования низкотемпературных свойств определено,
что биодизельное топливо состоящее из 30% рапсового масла и 70% дизельного
топлива соответствует требованиям ГОСТ Р52368-05 (ЕН 590:2009).
3.Исследованиявоспламеняемостибиодизельноготоплива,
характеризуемой цетановым числом, позволили определить его предельное
содержаниевколичестведо30%.Установленнаязакономерность
свидетельствует о снижении цетанового числа до 47 единиц при увеличении
доли рапсового масла до 30 %. Данное соотношение компонентов не нарушает
требований ГОСТ Р 52368-05 (ЕН 590:2009) определяющего, что цетановое
число не может быть ниже 46.
4. Исследование проб биодизельного топлива с содержанием рапсового
масла 0%, 10%, 20%, 30%, 100% проводились в ФАУ «25 ГОСНИИ
химмотологии Минобороны России» на аппарате HFRR, соответствующего
стандартам: ASTM D7688, ASTM D6079, ЕN 590, ISO 12156, СЕС F-06-A, JPI-
5S-50 и IP 450. Методика испытаний соответствовала ISO 12156-1:1997, ГОСТ Р
ИСО 12156-1-2006.
Результаты исследований позволили определить скорректированный
диаметр пятна износа, характеризующий смазывающую способность проб
биодизельного топлива, который составил от 168…394 мкм., при изменении его
компонентного состава, что свидетельствует об улучшении смазывающей
способности при увеличении содержания рапсового масла. Требуемые
триботехнические свойства биодизельного топлива, улучшаются неравномерно
при увеличении доли рапсового масла. Наибольшее увеличение смазывающей
способности достигается при концентрации рапсового масла в биодизельном
топливе, не превышающей 10%.
5.Полученныерезультатыисследованийнизкотемпературных,
триботехническихсвойствицетановогочислапозволилиполучить
математические зависимости эксплуатационных свойств биодизельного топлива
на основе рапса в виде полиноминальных аппроксимаций с достоверностью R²
от 0,83 до 0,99. Полученные математические зависимости позволяют
моделировать оптимальный компонентный состав биодизельного топлива в
зависимости от температурных условий эксплуатации техники.
Для практической реализации результатов исследований разработана
установка для получения двухкомпонентного смесевого топлива с системой
управления компонентным составом (Патент на полезную модель №197937).
6. Экономическая оценка внедрения биодизельного топлива базировалась
на интегральных социальных затратах при внедрениии новых энергетических
технологий,включающейэнергетическиеинеэнергетическиезатраты,
интегральные ущербы от загрязнения окружающей среды. Внедрение
разработанного способа и средств оптимального дозирования биодизельного
топливавдвигателяхсельскохозяйственнойтехникиэкономически
целесообразно, а срок окупаемости составит 1,8 года.