Получение и исследования свойств биодизеля в качестве топлива для тракторов в условиях Урала

Инженерия

УДК [62-61\65+621.89]

ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ БИОДИЗЕЛЯ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ТРАКТОРОВ В УСЛОВИЯХ УРАЛА

Л. А. НОВОПАШИН,

кандидат технических наук, доцент,

Л. В. ДЕНЕЖКО,

кандидат технических наук, доцент, Уральский государственный аграрный университет

Ключевые слова: дизельное топливо, рапсовое масло, растительное масло, вязкость, спирт, кавитатор-актива-тор, мощность, крутящий момент, удельный расход топлива, часовой расход топлива, токсичность, кристаллизация, помутнение, расслоение.

Работа посвящена исследованию альтернативных видов топлива из возобновляемых источников энергии. Вопрос разработки альтернативных возобновляемых источников энергии является наиболее актуальным, поскольку топливо из нефти сильно дорожает, а запасы нефти в недалеком будущем будут исчерпаны. Разработана методика получения смесевого топлива из рапсового масла и спирта с помощью кавитатора-активатора с добавкой щелочи. Определены показатели смеси различного состава: температуры помутнения и кристаллизации и устойчивость смеси на предмет расслоения. Представлены результаты стендовых испытаний спирто-рапсовых смесей на тракторном дизеле Д-144, установленном на электротормозном стенде КИ-1363В со снятием скоростной характеристики. Представлены зависимости крутящего момента Мк, эффективной мощности № часового Gт и удельного расхода ge топлива от частоты вращения двигателя при использовании спирто-рапсовых смесей и дизельного топлива. Описана методика определения токсичности выхлопных газов при работе трактора МТЗ-80 на этих смесях. Представлены зависимости токсичности, содержания оксида азота и температуры отработанных газов Тг °С на различных скоростных режимах и различном составе смеси. По результатам исследований выявлен оптимальный состав спирто-рапсовой смеси с учетом сезона эксплуатации трактора (20-30 % спирта). Устойчивость к расслоению смеси, полученной на кавитаторе-активаторе, составляет 1 год. Отмечено снижение эффективной мощности № и крутящего момента Мк на 5-6 % и увеличение расхода топлива. Индекс токсичности Р1 снизился в 2,3 раза, а содержание окиси азота N0 снизилось в 4 раза.

BIODIESEL PRODUCTION AND STUDY OF THE PROPERTIES OF BIODIESEL AS FUEL FOR TRACTORS UNDER CONDITIONS OF THE URALS

L. A. NOVOPASHIN,

candidate of technical sciences, associate professor, L. V. DENEZHKO,

candidate of technical sciences, associate professor, Ural stare agrarian university

Keywords: diesel fuel, rapeseed oil, vegetable oil, viscosity, alcohol, cavitator-activator, power, torsion torque, specific fuel consumption, hourly fuel consumption, toxicity, crystallization, turbidity, exfoliation.

Relying on the fact that the fuel produced on the basis of oil constantly increasing in price, and oil resources will be over in the short run, the issue of alternative renewable sources of energy is the most topical one. This work is devoted to the study of alternative types of fuel made of renewable sources of energy. The method of production of mixed fuel from rapeseed oil and alcohol with the help of cavitator-activator doped with alkali was worked out. Indicators of mixed fuel of various composition are defined: temperature of turbidity and crystallization and resistance of the mixed fuel to exfoliation. Here are represented the results of bench tests of mixed alcohol-rapeseed-based fuel on the tractor diesel D-144 installed on the Electrobrake Stand KI1363B with the removal of speed characteristics. Dependence of torsion torque Mk and effective power Ne of hourly Gt and specific ge consumption on engine speed with the use of mixed alcohol-rapeseed-based fuel and diesel fuel is presented here. A method of identifying toxicity of exhaust gases in the operation of the tractor MT3-80 using these mixtures is described. Interdependence of toxicity, the content of nitric oxide and temperature of discharge gases Tr °C under different speed rates and various composition of mixed fuel is represented. According to the results of the research the optimal composition of the alcohol-rapeseed mixture (20-30 % of alcohol) was defined with regard to a season of a tractor exploitation. Resistance of the mixture produced with the use of cavitator-activator to exfoliation is one year. Decrease of effective power Ne and torsion torque Mk by 5-6 % and increase of fuel consumption are observed. Toxicity index Pl reduced by 2.3 times, and the content of nitric oxide No decreased by 4 times.

Положительная рецензия представлена Е. Е. Баженовым, доктором технических наук, профессором, директором Института автомобильного транспорта и технологических систем Уральского государственного лесотехнического университета.

Вопрос разработки альтернативных возобновляемых источников энергии является наиболее актуальным, поскольку топливо из нефти сильно дорожает, а запасы нефти в недалеком будущем будут исчерпаны.

Цели нашей работы:

1) разработать методику смешивания рапсового масла со спиртом;

2) проверка устойчивости смеси на расслоение;

3) определение температуры начала помутнения и кристаллизации;

4) определение мощностных и эксплуатационных показателей;

5) определение токсичности выхлопных газов.

1. Методика смешивания рапсового масла со спиртом.

В емкость заливаем очищенное рапсовое масло

80 и 20 % этилового спирта, затем в эту же емкость добавляется щелочь 5 % от общей массы смеси. Смешивание происходит в кавитаторе-активаторе в течение 17-20 мин (рис. 1).

2. Проверка устойчивости смеси на расслоение (рис. 2).

Левая пробирка. Смешивание рапсового масла со спиртом механическим путем, наблюдается расслоение [1].

Правая пробирка. Смешивание рапсового масла со спиртом с катализатором, расслоение не наблюдается в течение 1 года.

3. Определение температуры начала помутнения и кристаллизации.

Испытания проводились в холодильной установке. Температура помутнения оказалась -2 °С, а кристаллизация при -7 °С при содержании спирта 15 %. При процентном содержании спирта 20 % температура кристаллизации составила -10 °С.

Вывод: температура помутнения и кристаллизации зависит от процентного содержания спирта в смеси.

4. Определение мощностных и эксплуатационных показателей при различных концентрациях сме-севых топлив на двигателе Д-144, установленном на электротормозном стенде КИ-1363В (рис. 3-6).

Приборы для замера расхода топлива — весы, секундомер, устройство для замера расхода воздуха — датчик массового расхода, прибор для замера частоты вращения коленчатого вала — тахометр.

5. Определение токсичности выхлопных газов на тракторе МТЗ-80 в УрГАУ по известной методике.

Методика испытаний [1]: емкость с 3 л смеси крепится к стойке кабины трактора и соединяется топливопроводом с фильтром грубой очистки. Удаляется топливо из фильтра грубой и тонкой очистки и закачивается ручной помпой смесь рапсового масла со спиртом (Биодизель) в систему питания.

Для снятия и замера характеристик двигатель прогревается до 80 °С.

Газоанализатор Quintox использовался для анализа отходящих выхлопных газов.

С помощью газоанализатора были определены следующие компоненты и параметры:

— содержание оксида азота;

— температура отходящих газов;

— температура окружающего воздуха;

— индекс токсичности.

Цель данного этапа была проведением замеров токсичности отработанных газов (рис. 7-12).

Выводы.

1. Наиболее предпочтительной смесью биотоплива для применения в летний период является содержание 20 % спирта, а в весенне-осенний период — 30 % спирта.

2. Длительность хранения смеси 20-30 % спирта при смешивании их на активаторе составляет более 1 года.

3. Результаты замеров:

а) снижение оксида азота выхлопных газов при концентрации спирта 30 % наблюдается в 2,4 раза меньше, чем на стандартном топливе;

б) температура отработавших газов практически не изменилась;

в) индекс токсичности снизился в 2,3 раза;

г) содержание окиси азота снизилось в 4 раза.

Рисунок 1 Кавитатор-активатор

Рисунок 2

Устойчивость смеси на расслоение

Рисунок 3

Крутящий момент относительно частоты вращения

Таблица 1

Крутящий момент относительно частоты вращения

Обозначение Дата Частота вращения

1910 1870 1780 1680 1600 1480 1400 1300 1170 1100

Мк Диз. топливо — чистое Р-73 мм рт. ст. 29.01 0,00 108,8 174,7 181,1 182,52 182,52 189,54 189,54 197,2 189,54

Мк Масло — 90 % Спирт — 10 % Р-731 мм рт. ст. 29.01 0,00 108,1 181,1 182,54 188,1 189,54 189,54 190,9 189,54 189,54

Мк Масло — 85 % Спирт — 15 % Р-744 мм рт. ст. 31.01 0,00 89,8 180,4 182,52 183,9 191,6 192,3 195,1 184,6 182,52

Мк Чистое топливо Р-744 мм рт. ст. 31.01 0,00 96,8 183,9 188,1 189,54 197,96 198,66 203,5 200 197,96

Таблица 2

Эффективная мощность относительно частоты вращения

Обозначение Дата Частота вращения

1910 1870 1780 1680 1600 1480 1400 1300 1170 1100

№ Диз. топливо — чистое Р-73 мм рт. ст. 29.01 0,00 21,8 32,5 31,8 30,5 28,3 27,7 25,7 24,1 21,8

№ Масло — 90 % Спирт — 10 % Р-731 мм рт. ст. 29.01 0,00 21,16 34 32,4 31,5 30,1 28,08 26,28 23,8 21,8

№ Масло — 85 % Спирт —15 % Р-744 мм рт. ст. 31.01 0,00 17,5 34 32,1 30,8 30,09 28,19 26,5 22,8 20,8

№ Чистое топливо Р-744 мм рт. ст. 31.01 0,00 18,9 34,3 33,6 31,7 30,8 29,1 27,4 25,1 22,5

Таблица 3

Часовой расход топлива относительно частоты вращения

Обозначение Дата Частота вращения

1910 1870 1780 1680 1600 1480 1400 1300 1170 1100

Gт Диз. топливо — чистое Р-73 мм рт. ст. 29.01 3,1 7,35 9,6 9,04 8,6 8,2 8,1 7,3 6,9 6,4

Gт Масло — 90 % Спирт — 10 % Р-731 мм рт. ст. 29.01 3,2 7,03 10,1 9,7 9,1 8,6 8,2 7,94 8,17 7,48

Gт Масло —85 % Спирт —15 % Р-744 мм рт. ст. 31.01 3 5,84 10 9,7 8,88 8 8,1 7,6 7,65 6,5

Gт Чистое топливо Р-744 мм рт. ст. 31.01 3,2 6,13 9,85 9,23 8,71 8,24 7,8 7,46 7 6,75

Рисунок 4

Эффективная мощность относительно частоты вращения

Рисунок 5

Часовой расход топлива относительно частоты вращения

Рисунок 6

Удельный расход топлива относительно частоты вращения

Инженерия

Таблица 4

Удельный расход топлива относительно частоты вращения

Обозначение Дата Частота вращения

1910 1870 1780 1680 1600 1480 1400 1300 1170 1100

ge Диз. топливо — чистое Р-73 мм рт. ст. 29.01 0,00 345 295,3 284,2 281,9 289,7 292,4 284 286,3 293,5

ge Масло —90 % Спирт —10 % Р-731 мм рт. ст. 29.01 0,00 332,2 305,8 299,8 288,8 285,7 292 302,1 343,2 343,1

ge Масло — 85 % Спирт —15 % Р-744 мм рт. ст. 31.01 0,00 333,7 295,5 301,8 288,3 268,2 287,6 289 335,5 312

ge Чистое топливо Р-744 мм рт. ст. 31.01 0,00 324,3 286,3 274,7 247,7 267,5 267,3 272,2 280,4 300

Рисунок 7

График изменения температуры отработавших газов

Рисунок 8

Диаграмма изменения температуры отработавших газов

Таблица 5

Температура отработавших газов

Температура ОГ, °С

Топливо Частота вращения

600 об.\мин холостой ход 2000 об.\мин

Чистое топливо 70 109,3

РМ (70 %) + спирт (30 %) 59 94,3

РМ (80 %) + спирт (20 %) 60 101,3

РМ (100 %) акт 68 100,3

Таблица 6 Индекс токсичности Pi

Индекс токсичности Р1, %

Топливо Частота вращения

600 об.\мин холостой ход 2000 об.\мин

Чистое топливо 13,25 3,4

РМ (70 %) + спирт (30 %) 12,66 6,7

РМ (80 %) + спирт (20 %) 13,3 6

РМ (100 %) акт 13,7 7,9

Щк/н'

Рисунок 9

График изменения индекса токсичности Pi

Рисунок 10

Диаграмма изменения индекса токсичности Pi

___ НКЯРе ИШвЬ

— -сщт Ж • РН%% -ешж-тж

,—" ------

- ч. \Ч ч 1

1 *

и \ V \ \ и

\ \ V \ \\

\ 1

' ]

щ 1 Я I ь \ Ю 1 20 Ь т 00 % 20 а % Ь *> 70 П 00 ¿60 Й X йЬ п

Рисунок 11

График изменения содержание оксида азота NO, мг\м3

Рисунок 12

Диаграмма изменения содержание оксида азота NO, мг\м3

Инженерия

Таблица 7

Содержание оксида азота NO, мг\м3

Содержание NO, мг\м3

Топливо Частота вращения

600 об.\мин холостой ход 2000 об.\мин

Чистое топливо 13,25 3,4

РМ (70 %) + спирт (30 %) 12,66 6,7

РМ (80 %) + спирт (20 %) 13,3 6

РМ (100 %) акт 13,7 7,9

Выявлено снижение токсичности отработанных газов, что позволяет широко применять смесь при работе тракторов на закрытых грунтах и в помещениях.

4. Мощностные характеристики: при концентрации спирта в 10-20 % и 90-80 % рапсового масла наблюдается уменьшение крутящего момента и эффективной мощности на 5-6 %, но небольшие потери

мощности и расхода топлива компенсируется меньшей себестоимостью.

Для справки: себестоимость рапсового масла в с. Килачевское Ирбитского р-на составляет 1618 руб. литр. Себестоимость спирта, полученного из отходов сельского хозяйства (навоз, сахарная свекла, дрожжевая закваска), — около 10 руб. [2].

Литература

1. Новопашин Л. А., Садаков И. А., Коротаев А. А. Исследование показателей качества топливных композиций на основе растительных масел // Достижения науки — агропромышленному производству : материалы междунар. науч.-технич. конф. ЧГАА, 2011. Ч. IV. С. 159-163.

2. Щеклеин С. Е., Данилов Н. И., Немихин Ю. Е., Новопашин Л. А. Использование спиртобензиновых и маслодизель-ных топливных композиций для двигателей внутреннего сгорания : учеб. пособие. Екатеринбург : УПИ, 2005. 78 с.

References

1. Novopashin L. A., Sadakov I. A., Korotaev A. A. Study of quality fuel compositions based on vegetable oils // Advances in science — agro-industry : materials of international scientific conference scientific-agricultural production. ChGAA, 2011. Vol. IV. P. 159-163.

2. Sheklein S. E., Danilov N. I., Nemihin U. E., Novopashin L. A. Using alcohol gasoline and diesel oil fuel compositions for internal combustion engines. Ekaterinburg : UPI, 2005. 78 p.