Биодизельное топливо и его влияние на надежность работы

Двигатели и энергоустановки аэрокосмических летательных аппаратов
175
УДК 504:662.756:621.436
В.Г. СЕМЁНОВ
Национальный технический университет «ХПИ», Украина
БИОДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА НАДЕЖНОСТЬ РАБОТЫ
ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ И ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ
Биодизельное топливо (метиловые эфиры жирных кислот масел и жиров) достаточно хорошо адаптировано к дизельным двигателям. Химическая формула эфиров отличается наличием карбонильной
и метиловой групп, двойными связями, которые определяют повышенную способность к окислению
и биологическому разложению биодизельного топлива. Наличие кислорода в молекуле эфиров
улучшает протекание процесса сгорания в цилиндре двигателя, но в то же время снижает энергетический потенциал биотоплива. Биодизельное топливо, химмотологические показатели которого отвечают европейскому стандарту EN 14214, предопределяет надежную работу дизельного двигателя и
его топливной системы.
дизельный двигатель, плотность, вязкость, теплота сгорания, эффективный КПД, экологические
характеристики
Введение
топливо представляет собой смесь метиловых (этиловых) эфиров насыщенных и ненасыщенных жир-
Экономия энергоносителей нефтяного происхождения, ужесточение норм выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей, а также
ограничение эмиссии диоксида углерода заставляют
большинство стран искать пути снижения опасности
влияния тепловых двигателей на окружающую среду.
В последнее время все более широкое распространение получают альтернативные биотоплива на
ных кислот.
В табл. 1 приведены Европейский стандарт
EN 14214:2003 «Автомобильные топлива. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME) для дизельных
двигателей. Требования и методы испытаний” и национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ
Р 52368-2005 «Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия».
основе масел и животных жиров. Интенсивные работы по переводу дизельных двигателей на биотопливо ведутся как в странах с ограниченными топливно-энергетическими ресурсами, так и в высокоразвитых странах, имеющих возможность приобретения жидких энергоносителей.
1. Формулирование проблемы
2. Решение проблемы
Вкратце рассмотрим влияние некоторых физикохимических показателей биодизельного топлива,
определяемые стандартом EN 14214:2003, на параметры дизеля и его эколого-эксплуатационные характеристики. Повышенные, по сравнению с дизельным топливом, на 10% плотность и кине-
Биодизельное топливо (биодизель, МЭРМ, РМЭ,
матическая вязкость в 1,5 раза способствуют не-
RME, FAME, EMAG, бионафта и др.) – это экологи-
которому увеличению дальнобойности топливного
чески чистый вид биотоплива, получаемый из жиров
факела и диаметра капель распыленного топлива,
растительного и животного происхождения и ис-
что может привести к увеличенному попаданию
пользуемый для замены нефтяного дизельного топ-
биодизельного топлива на стенки камеры сгорания и
лива (ДТ). С химической точки зрения биодизельное
гильзы цилиндра. Меньшие значения коэффициента
 В.Г. Семёнов
АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ, 2007, № 10 (46)
176
Двигатели и энергоустановки аэрокосмических летательных аппаратов
Таблица 1
Физико-химические показатели биодизельного и дизельного ЕВРО топлив
Показатели
1
Содержание эфира
Плотность при температуре
15°С
Кинематическая вязкость при
температуре 40°С
Температура вспышки
Содержание серы
Коксуемость 10% остатка
Европейский стандарт на
метиловые эфиры жирных
кислот для дизельных двигателей EN14214:2003
пределы
Размерность
min
max
2
3
4
% (м/м)
96,5
кг/м3
860
900
мм2/с
3,50
5,0
°С
120
–
мг/кг
–
10,0
% (м/м)
–
0,30
Цетановое число
Зольность
51,0
% (м/м)
–
0,02
Содержание воды
мг/кг
–
500
Содержание механических
примесей
мг/кг
–
24
Испытания на медной пластинке (3 часа при 50°С)
оценка
класс 1
Национальный стандарт Российской Федерации на топливо дизельное ЕВРО
ГОСТ Р 52368-2005 (ЕН 590:2004)
Наименование
показателя
5
Плотность при температуре 15 °С, кг/м3
Кинематическая вязкость
при 40°С, мм2/с
Температура вспышки в
закрытом тигле, °С, выше
Содержание серы, мг/кг,
не более
Коксуемость, 10% остатка разгонки, %(м/м), не
более
Цетановое число, не менее
Зольность, % (м/м), не
более
Содержание воды, мг/кг,
не более
Общее загрязнение,
мг/кг, не более
Коррозия медной пластинки (3 часа при 50
0
С), единицы по шкале
Окислительная стабильность: общее количество
осадка, г/м3, не более
Цетановый индекс, не
менее
Полициклические ароматические углеводороды,
% (м/м), не более
Значение
6
820-845
2,00-4,50
55
l-350; ll-50,0;
lll-10,0
0,30
51,0
0,01
200
24
Класс 1
Окислительная стабильность,
110°С
часов
Кислотное число
мг
КОН/г
0,50
г J2 / 100
г
120
% (м/м)
12,0
% (м/м)
1
При температуре 250 0С,
% (об/об), менее
65
Содержание метанола
% (м/м)
0,20
При температуре 350 0С,
% (об/об), не менее
85
Содержание моноглицеридов
% (м/м)
0,80
Содержание диглицеридов
% (м/м)
0,20
Содержание триглицеридов
% (м/м)
0,20
Йодное число
Метиловый эфир линоленовой кислоты
Полиненасыщенные (>=4
двойных связи) метиловые
эфиры
6,0
–
25
46,0
11
Фракционный состав:
95% (об/об) перегоняеться при температуре, 0С,
не выше
Смазывающая способность:
скорректированный диаметр пятна износа при
60 0С, не более
360
460
Двигатели и энергоустановки аэрокосмических летательных аппаратов
177
Продолжение табл. 1
1
2
3
4
Свободный глицерин
% (м/м)
0,02
Общий глицерин
1-а группа металлов (Na+K)
2- а группа металлов (Ca+Mg)
% (м/м)
мг/кг
мг/кг
0,25
5,0
5,0
Содержание фосфора
мг/кг
10,0
5
Наименование показателя
Предельная температура
фильтруемости, °С, не
выше (топливо для умеренного климата)
6
значение для
марок
A
B
С
5
0
-5
D
-10
E
-15
F
-20
Содержание метиловых
эфиров жирных кислот,
% (об/об), не более
5
Таблица 2
Возможные неисправности дизеля, топливной аппаратуры и его систем при работе
на биодизельном топливе
Составляющие и характеристики топлива
Действие
Неисправность
Метиловые эфиры жирных
кислот
Вызывает высыхание, затвердевание и
разрушение резиновых изделий, попадание в моторное масло
Течь топлива. Более частая
смена моторного масла
Свободный метанол
Коррозия алюминия и цинка
Коррозия топливной аппаратуры. Низкая температура
вспышки в закрытом сосуде.
Свободная вода в топливе
Свободный глицерин
Моно- и диглицериды
Свободные жирные кислоты
Преобразование метиловых эфиров растительного масла в жирные кислоты.
Коррозия. Увеличение электропроводности топлива, развитие микроорганизмов
Коррозия цветных металлов. Образование осадка на движущихся частях и на
лакокрасочном покрытии
Такое же, как и глицерин
Образование электролита и ускорение
коррозии цинка. Образование солей органических кислот. Образование органических соединений
Засорение фильтра. Коррозия
топливной аппаратуры
Засорение фильтров. Засорение
сопел топливных форсунок
Коррозия топливной аппаратуры. Засорение фильтра. Отложение осадка на деталях
Увеличение плотности
топлива
Увеличение давления впрыска
Уменьшение ресурса топливной аппаратуры
Повышенный износ деталей
ТНВД. Ухудшение показателей
впрыска топлива. Необходимость применения депрессорных присадок
Снижение ресурса топливной
аппаратуры
Коррозия топливной аппаратуры
Коррозия топливной аппаратуры. Засорение фильтра. Отложение осадка на деталях
Большая вязкость при низкой температуре
Более жесткие условия работы ТНВД.
Повышенный износ деталей
Твердые частицы
Ухудшение смазочных способностей топлива
Муравьиная и уксусная
кислоты
Коррозия всех металлических частей
Высокомолекулярные органические кислоты
Такое же, как и свободные жирные кислоты
Продукты полимеризации
Отложение осадков, особенно в смесевых
топливах
Засорение фильтра
Фосфор
Отравление нейтрализаторов и катализаторов системы выпуска дизеля
Выход из строя, снижение
уровня экологической безопасности отработавших газов (ОГ)
дизеля
178
Двигатели и энергоустановки аэрокосмических летательных аппаратов
сжимаемости биодизельного топлива приводит к
увеличению
действительного
опережения
дизельном топливе необходимо обратить внимание
впрыскивания топлива и максимального давления в
на следующее (табл. 2). Перед началом эксплуата-
форсунке. Высокое цетановое число биодизельного
ции двигателя на биодизельном топливе необходи-
топлива 51 и более способствует сокращению пе-
мо промыть фильтр грубой и тонкой очистки топли-
риода задержки воспламенения и менее «жесткой»
ва. Из-за повышенной агрессивности такого топлива
работе дизеля. Повышенная почти в 3 раза, темпера-
требуется смена топливных шлангов и прокладок на
тура вспышки биодизельного топлива в закрытом
изготовленные из устойчивого к биотопливу мате-
тигле 120 ºС и более, обеспечивает высокую пожа-
риала, а также тщательное удаление биодизельного
робезопасность. Кислород (~ 10 %) в молекуле ме-
топлива, попавшего на лакокрасочные покрытия. В
тилового эфира действует по следующим направле-
некоторых случаях требуется более частая смена
ниям.
Наличие окислителя непосредственно в
моторного масла из-за возможного разжижения по-
молекуле топлива позволяет интенсифицировать
падающим в него биодизельным топливом. Воз-
процесс сгорания и обеспечить более высокую тем-
можно некоторое увеличение уровня шума и дым-
пературу в цилиндре дизеля, что, с одной стороны,
ности при холодном пуске, при пониженных
способствует повышению индикаторного и эффек-
температурах требуется применение депрессорных
тивного к.п.д. двигателя, а с другой – приводит к
присадок. Необходимо осуществлять контроль со-
некоторому увеличению оксида азота NOx в отрабо-
держания воды в биодизельном топливе (из-за его
тавших
углерода
большой гигроскопичности), чтобы избежать опас-
(~ 77 %) в молекуле биодизельного топлива приво-
ности развития микроорганизмов, образования пе-
дит к уменьшению его низшей теплоты сгорания на
рекисей и коррозионного воздействия воды, в том
газах.
Меньшая
угла
При эксплуатации дизельных двигателей на био-
доля
10 – 12 % и увеличению часового и удельного эф-
числе и на элементы топливной аппаратуры.
фективного расходов топлива. Для сохранения номинальных параметров двигателя при переводе на
биодизельное топливо требуется перерегулировка
Заключение
топливной аппаратуры (упор рейки топливного на-
1. Биодизельное топливо по сравнению с дизель-
соса высокого давления переустанавливают на уве-
ным топливом имеет определенные отличия по мно-
личение цикловой подачи топлива). Применение
гим физико-химическим показателям.
биодизельного топлива позволяет обеспечить сни-
2. Хорошее качество применяемого биодизель-
жение выбросов вредных веществ с отработавшими
ного топлива, которое определяется применением
газами. Для дизельных двигателей с вихревой каме-
высоких технологий его производства, позволяет
рой (предкамерой) и непосредственным впрыском
обеспечить высокие энерго-экологические характе-
снижение соответственно составляет: СО – 12 (10)
ристики дизельных двигателей.
%, СnНm – 35 (10) %, РМ (твердые частицы) – 36 (24)
%, сажа – 50 (52) %. Некоторое увеличение выбро-
Поступила в редакцию 6.06. 2007
сов NOx можно компенсировать рядом мероприятий: уменьшение действительного угла опережения
впрыскивания топлива, рециркуляция отработавших
газов, подача воды на впуске.
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Ф.И. Абрамчук,
Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков.