Применение диметилэфира (СН3)20 в качестве альтернативного диз ельного топлива

УДК 62.611

ПРИМЕНЕНИЕ ДИМЕТИЛЭФИРА (СН3)2о

в качестве альтернативного диз ельного топлива

Л. В. ДЕНЕЖКО,

кандидат технических наук, доцент, Л. А. НОВОПАШИН, кандидат технических наук, доцент, Ю. В. ПАНКОВ,

кандидат химических наук, доцент,

А. А. САДОВ,

аспирант,

П. В. КОЧЕТКОВ,

аспирант, Уральский государственный аграрный университет

Ключевые слова: дизельное топливо, диметилэфир, добавка, экологичность, смесь, свойства, эффективная мощность, автомобильный и тракторный двигатель.

Рассматривается применение диметилэфира (СН3)2О) как экологического вида топлива, которое снижает вредные выбросы в 2-3 раза при обычной мощности двигателя. Проведенный анализ сравнения физико-химических характеристик дизельного топлива с добавкой диметилэфира показал улучшение процесса смесеобразования и сгорания в рабочей камере двигателя заданного состава ДТ + % (СН3)2О. Среднее эффективное давление в рабочей камере двигателя возрастает. Получены хорошие свойства заданных смесей составов ДТ + (10 %... 20 %... 30 %... 40 % (СН3)2О) соответственно в работе двигателя. Применение модифицированного топлива высоко экологично и дает широкую сырьевую базу для вторичной переработки отходов сельскохозяйственного производства. Представлены результаты теоретических расчетов рабочего цикла при различных порционных добавках (СН3)2О к ДТ с учетом повышения цетанового числа дизельного топлива от действия диметилового эфира. Согласно расчетам с модификацией топлива диметилэфи-ром происходит увеличение мощности двигателя и рост удельного расхода топлива на кВт мощности при повышении процента добавки (СН3)2О к топливной смеси. В частности, при добавке 30 % (СН3)2О мощность дизельного двигателя Д-240 увеличилась на 4,79 %. Максимальная температура горения топливной смеси снижается при добавлении (СН3)2О. Экономические расчеты от применения порций (СН3)2О в модифицированной топливной смеси с дизельным топливом показывают снижение стоимостных расходов на топливо по сравнению со стоимостью смеси углеводородов традиционных нефтяных составов. Сравнительный анализ подтверждает целесообразность применения модифицирующих добавок (СН3)2О к смесям углеводородов традиционного дизельного топлива.

USING DIMETHYL ETHER (CH3)2O AS AN ALTERNATIVE DIESEL FUEL

L. V. DENEJKO,

candidate of technical sciences, associate professor, L. A. NOVOPAsHIN,

candidate of technical sciences, associate professor, Yu. V. PANKOV,

candidate of chemical sciences, associate professor, A. A. sADOV, graduate student, P. V. KOCHETKOV,

graduate student, ural state Agrarian university

Keyword: diesel fuel, dimethyl ether, additive, environmental friendliness, mixture, properties, effective power, automobile and tractor engine.

The use of dimethyl ether (CH3)2O) as an ecological fuel, which reduces harmful emissions in 2-3 times during a normal engine power discusses. The analys2s of the comparison of physical and chemical characteristics of diesel fuel with additive of dimethyl ether has been shown to improve the process of mixture formation and combustion in the working chamber of the engine a given composition DF + % (CH3)2O. Mean effective pressure in the working chamber of the engine increases. We obtain good properties of defined mixtures of compounds of dF + (10 %... 20 %... 30 %... 40 % (CH3)2O) respectively in the engine operation. The application of the modified fuel is highly environmentally friendly and provide s a wide source of raw materials for secondary processing of wastes of agricultural production. The results of theoretical calculations of the working cycle in different portions supplements (CH3)2O DF by taking into account the increase of cetane rating of diesel fuel from the action of dimethyl ether. According to the calculations with modification of fuel dimethyl ether there is an increase in engine power and increase in specific fuel consumption per kW of capacity with increasing percentage of additive (CH3)2O to fuel mixture. In particular, with the addition of 30 % (CH3)2O power of the diesel engine D-240 increased by 4.79 %. The maximum temperature of combustion of the fuel mixture decreases with the addition of (CH3)2O. The economic calculations from the application of portions (CH )2O in a modified fuel mixture with diesel fuel show a decrease in the value of fuel costs compared to the cost of the mixture of3 hydrocarbons conventional oil compositions. The comparative analysis confirms the feasibility of modifying additives (CH3)2O to mixtures of hydrocarbons of conventional diesel fuel.

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

Топливно-энергетические и экологические проблемы при эксплуатации дизельных двигателей автотранспорта и тракторов являются наиболее актуальными. Ископаемые углеводороды в природе не восполняются, поэтому применение альтернативного топлива является важнейшим фактором, определяющим предотвращение топливно-экологического кризиса.

Дизельные двигатели автомобильного транспорта и двигатели тракторов потребляют наиболее значительную долю нефтепродуктов и одновременно являются постоянно действующими устройствами, выбрасывающими в окружающую среду выхлопные газы. Такая ситуация требует от человека принятия мер защиты окружающей среды от экологической катастрофы. Одна из наиболее действенных мер экологической защиты природы - применение экологически более чистых видов моторного топлива.

Из числа видов перспективного топлива для двигателей внутреннего сгорания особого внимания заслуживает химически инертный диметиловый эфир. Диметилэфир (метиловый эфир СН3-О-СН3) - бесцветный газ, который при давлении в 5,32 бар переходит в жидкое состояние и не имеет серы, растворим в этаноле, воде. В настоящее время это единственное синтетическое топливо, которое обеспечит полную замену традиционного дизельного топлива.

Основным сырьем для производства (СН3)2О должно стать возобновляемое природное сырье, синтезирующее природный газ метан (СН4) - биомассы: вещества жизнедеятельности животных, пищевые и агропромышленные отходы. Такое использование природного сырья позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу и утилизировать отходы

Таблица1

Важнейшие химические свойства ДМЭ и ДТ

Table 1

Major chemical properties dimethyl ether and diesel fuel

Характеристика топлива Fuel characteristics

Молярная масса CH 8n Molar mass CnH, 8n 46 190-220

Содержание химических элементов, массовое: The content of chemical elements, mass:

- углерод (carbon) - водород (hydrogen) - кислород (oxygen) 52,2 13 34,8 86,6 13 0,4

Растворимость в воде при 20 0С, кг/м3 Solubility in water at 20 0С, kg/m3 70 -

Таблица 2

Важнейшие физические свойства ДМЭ и ДТ

Table 2

Major physical properties of dimethyl ether and diesel fuel

Характеристика топлива Fuel characteristics

Плотность жидкой фазы при 20 0С, кг/м3 Density of the liquid phase 20 0С, kg/m3 668 831-845

Кинематическая вязкость h (жидкость, 20 0C), мм2/с Kinematical viscosity h (liquid, 20 0С), mm2/s 0,23 3-6

Коэффициент поверхностного натяжения, Н/м The surface tension, Н/m 0,0012 0,028

Давление насыщенных паров при 20 0С, МПа Vapour pressure at 20 0С, MPa 0,53 0,008

Температура кипения (ожижения) при 0,1 МПа, 20 0С The boiling point (liquefying) at 0.1 MPa, 20 0С -24,8 180-371

Критическое давление/температура, МПа/К The critical pressure/temperature, MPa/К 5,37/400 -

Теплота парообразования при 20 0С, кДж/кг The heat of vaporization at 20 0С, kJ/kg 410 210-250

Низшая теплотворная способность, МДж/кг Net calorific value, MJ/kg 28,84 42,5

Цетановое число Cetane number > 55 40-55

Стехиометрическое соотношение l кг/кг The stoichiometric ratio lrf kg/kg 9,0 14,56

Температура самовоспламенения, 0C Selfignition temperature, 0С 235 240-310

Выброс СО2 при полном сгорании, г/МДж CO2 emissions from complete combustion, г/MJ 67,5 74,2

>»— Аграрный вестник Урала № 06 (148), 2016 г. - < —

Технические науки

жизнедеятельности человека в сгорающее без вредных выбросов в атмосферу топливо. Использование в качестве моторного топлива диметилэфира (СН3)2О позволяет уменьшить выбросы в атмосферу окиси углерода (СО/СО2), углеводородов (СН) и окиси азота на 30-70 % по сравнению с обычным жидким углеводородным топливом. Важнейшие физико-химические свойства дизельного топлива (ДТ) и диметилэфира (ДМЭ) представлены в табл.1, 2.

Диметилэфир (СН3)2О имеет более высокое це-тановое число (55), чем дизтопливо, полученное из нефти (38-53), и более низкую температуру самовоспламенения. (СН3)2О не токсичен и не является канцерогеном, а при его сгорании не образуется сажа. Выбросы СО2 снижаются на 95 %.

Характеристика токсичности компонентов по источникам информации в сравнении представлена на рис. 1.

Хранение (СН3)2О гораздо проще, чем сжиженного природного газа (метана) и сжиженного нефтяного газа (пропана). Диметилэфир можно хранить безопасно в обычных стальных емкостях длительное время. Баки для заправки (СН3)2О гораздо легче, что снижает общий вес автомобиля.

Подача (СН3)2О в цилиндры производится в жидком состоянии и требует гораздо меньшего давления впрыска в системе питания. Стандартный дизельный двигатель для работы на ДМЭ требует только переделки системы питания. Смазывающая способность

ДМЭ повышена за счет применения специальной присадки, например Lubrizol.

С учетом более низкой плотности сжиженного вещества (СН3)2О и теплотворной способности его для сохранения мощности дизеля необходима в 1,71,9 раза большая объемная цикловая подача диметилэфира. По этой же причине необходим топливный бак увеличенной емкости.

Исследования диметилэфира (СН3)2О как экологичного и альтернативного вида топлива проводятся в мире уже несколько лет. По итогам испытаний можно утверждать, что вредные выбросы в атмосферу при работе обычной мощности двигателя снижаются в 2-3 раза.

Эксплуатационные испытания опытной партии автомобилей с дизельным двигателем у ЗИЛ-5301 на диметиэфире проведены НИИД. Начаты исследования по адаптации работы дизельного двигателя на диметилэфире машин КамАЗ.

В настоящее время шведская автомобильная фирма Volvo сотрудничает с американской автомобильной компанией Oberon по тестированию тяжелых грузовиков большой мощности, работающих на ДМЭ.

В Уральском ГАУ на кафедре тракторов и автомобилей проведены теоретические исследования влияния добавки (СН3)2О к дизельному топливу на технические показатели работы дизельного двигателя. Результаты расчетов для составов ДТ + (10 %... 20 %... 30 %... 40 %)(СН3)2О представлены в табл. 3, 4.

g/

е«0*1 eCOt вснх » г/

g/

еТЧт г/(кВт-ч), л*

6

5

4

3

2

1 0

1 о

ш

Г*

1

2 3

ю tvi

tn

*

<NI

О

яш

2 m

3 со

0.4

Ц4Г

irt

0,05

/0,05 2/3/

2

О

Ы

о о

о

о

ТГ О

0,4

0,3

0,2

0,1 о

NOx

СО

снх

тч

Рис. 1. Удельные массовые выбросы токсичных компонентов ОГ и эффективный КПД дизеля це, работающего на режимах 13-ступенчатого цикла ЕСЕ К49 (по данным фирмы AVL): 1 - дизельное топливо, нормы EURO - II; 2- метанол; 3 - ДМЭ Fig. 1. The specific mass emissions of toxic exhaust components and an efficient diesel engine efficiency це

operating modes on 13-step cycle ECE K49 (for data of AVL company): 1 - diesel fuel, standards EURO - II; 2 - methanol; 3 - dimethyl ether

Технические науки

Таблица 3

Технические показатели рабочего цикла дизельного двигателя при изменении состава рабочей смеси топлива, теоретический расчет

Table 3

Technical indicators of the working cycle of the diesel engine as the composition of the working mixture of fuel, theoretical calculation

№ Показатели Indicators ДТ DF Рабочие смеси топлива % ДТ+% (СНЛО Working fuel mixture % DF + % (СН)О ДМЭ DME

10 % 20 % 30 % 40 %

1 Теплота сгорания топлива, МДж/кг Heat of combustion, MJ/kg 42,5 41,14 39,78 38,42 37,06 28,9

2 Теоретическое количество воздуха, кмоль/кг The theoretical amount of air, kilomole /kg 0,50 0,4876 0,45774 0,4435 0,3385 0,3131

3 Теоретическое количество воздуха кг/кг топлива The theoretical amount of air kg/kg fuel 14,5 13,94 13,274 12,86 12,32 9,08

4 Теплота сгорания горючей смеси МДж/кг The heat of combustion of the combustible mixture MJ/kg 1,756 1,765 1,789 1,781 1,789 1,861

5 Коэффициент молекулярного изменения The coefficient of molecular changes 1,039 1,027 1,045 1,048 1,08 1,084

6 Температура сгорания, 0К Combustion temperature, 0К 2178 2192 2192 2183 2183 2188

7 Среднее индикаторное давление, МПа действительное The mean indicated pressure, MPa real 1,15 1,157 1,172 1,1872 1,1942 1,256

8 Среднее эффективное давление, МПа Mean effective pressure, MPa 0,95 0,957 0,972 0,9872 0,9942 1,056

9 Индикаторный КПД Efficiency indicator 0,449 0,4475 0,453 0,4536 0,453 0,450

10 Эффективный КПД Efficiency coefficient 0,370 0,370 0,377 0,377 0,377 0,378

Таблица 4

Эксплуатационные показатели работы дизельного двигателя на рабочей смеси % ДТ +% (СН3)2О, теоретический расчет

Table 4

Performance of the diesel engine at a working mix % diesel fuel + % (CH3) 2O, theoretical calculation

№ Показатели Indicators ДТ DF Рабочие смеси топлива Working fuel mixtureum% DF+ % (CHJ20 ДМЭ DME

10 % 20 % 30 % 40 %

1 Эффективный удельный расход топлива, г/кВт Efficient specific fuel consumption, g/kW 228,9 236,5 240 248,5 257,7 329,5

2 Изменение, % Change, % +3,32 +4,85 +8,58 +12,57 100,32

3 Эффективная мощность двигателя, кВт The effective power of the engine, kW 89,5 90,91 92,34 93,78 94,45 100,32

4 Изменение, % Change, % +1,58 +3,17 +4,79 +5,35 +12,1

Теплота сгорания топлива МДж/кг Heat of combustion MJ/kg

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

42.5

41.14

39.78

38.42

37.06

28.9

-  Теплота сгорания топлива МДж/кг Heat of combustion MJ / kg

DF

ДТ 90%ДТ+10% 80%ДТ+20% 709-6ДТ-309-6 60%ДТ+40% (СНЗ)20ДМЭ

DME

Рис. 2. Теплота сгорания топлива, МДж/кг Fig. 2. Fuel heat of combustion, MJ/kg

i—Аграрный вестник Урала № 06 (148), 2016 г. - < ^^^

Технические науки

Теоретическое количество воздуха кмоль/кг The theoretical amount of air kmol/kg

0.6 0.5 0 4 0.3 0.2 0.1 0

0.5

0.4876

0.45774

0.4435

0.3385

0.3131

(Теоретическое количество воздуха км оль/кг The theoretical amount of the air kmol/kg

DF

ДТ 90%ДТ+10% 80%ДТ+20% 70%ДТ-30?Й 60%ДТ+40%

DME

Рис. 3. Теоретическое количество воздуха, кмоль/кг Fig. 3. Theoretical number of air, kmol/kg

20 15 10 5 0

Теоретическое количество воздуха кг/кг топлива The theoretical amount kg / kg fuel air

14.5

13.94

13.274

12.86

12.32

9.08

"Теоретическое количество воздуха кг/кг топлива The theoretical amount

DF

ЦТ

90%дт+ю% 80%дт+20% 70%дт+з0% б0%дт+40% (снз)20дмэ of the air kg/kg fuel

DME

Рис. 4. Теоретическое количество воздуха кг/кг топлива Fig. 4. Theoretical amount of the air kg/kg fuel

1.9 1.85 1.8 1.75 1.7

Теплота сгорания горючей смеси МДж/кг The heat of combustion of the combustible mixture MJ / kg

1 Теплота сгорания горючей смеси МДж/кг

1.765 1.789 1 781 1.789

1.756

DF ДТ

90%ДТ+10% 80%ДТ+20% 70%ДТ+30% 60%ДТ+40%

DME

Рис. 5. Теплота сгорания горючей смеси МДж/кг Fig. S. The heat of combustion of the combustible mixture MJ/kg

2195 2190 2185 2180 2175 2170

2178

Температура сгорания,0К Combustion temperature, °К

2192

2192

2183

2183

2188

—Температура сгорания, 0К Combustion temperature, OK

DF

DME

Рис. 6. Температура сгорания, 0К Fig. 6. Combustion of the temperature, 0K

1.28 1.26 1.24 1.22 1.2 1.18 1.16 1.14 1.12 1.1 1.08

1.15

1.1 1.05 1

0.95 0.9 0.85

0.95

Среднее индикаторное давление, МПа действительное The mean indicated pressure, MPa real

1.256

1.157

1.172

1.1872

1.1942

Среднее индикаторное давление, МПа

_g ей ств ител ь н о е Th е

_mean indicated

—pressure, MPa real

DF ДТ 90%ДТ+Ю% 80%ДТ+20% 70%ДТ+30% б0%ДТ+40% (СНЗ)20ДМЭ

DME

Рис. 7. Среднее индикаторное давление, МПа действительное Fig. 7. Mean indicated pressure, MPa real

Среднее эффективное давление, МПа Mean effective pressure MPa

0.957

0.972

0.9872

0.9942

1.056

Среднее эффективное давление, МПа Mean effective pressure, MPa

DF ДТ 90%ДТ+10% 80%ДТ+20% 70%ДТ+30% й0%ДТ+40% (СНЗ)20ДМЭ

(СНЗ)20(ДМЭ) (СНЗ)20(ДМЭ) (СНЗ)20(ДМЭ) (СНЗ)20(ДМЭ) DME

Рис. 8. Среднее эффективное давление, МПа Fig. 8. Mean effective pressure MPa

0.456 0.454 0.452 0.45 0.448 0.446 0.444

0.449

DF

ДТ

0.38 0.378 0.376 0.374 0.372 0.37 0.368 0.366

0.37

Индикаторный КПД Efficiency indicator

0.453

0.4475

0.4536

0.453

0.45

Индикаторный КПД Efficiency indicator

90%ДТ+10% 80%ДТ+20% 70%ДТ+30% б0%ДТ+40%

Рис. 9. Индикаторный КПД Fig. 9. Efficiency indicator

Эффективный КПД Efficiency coefficient

0.37

0.377

0.377

0.377

0.378

—  Эффективный КПД Efficiency coefficient

DF ДТ 90%ДТ+Ю% 80%ДТ+20% 70%ДТ+30% 60%ДТ+40% (СH3)2О ДМЭ

(СН3120ОТМЭ) (СНЗ)20(ДМЭ) (СНЗ)20(ДМЭ) (СНЗ)20(ДМЭ) DME

Рис. 10. Эффективный КПД Fig. 10. Efficiency coefficient

При анализе проведенных теоретических рас- При этом потребляемое количество воздуха снижа-

четов показателей свойств топливных смесей % ется по мере увеличения концентрации % (СН3)2О

ДТ + % (СН3)2О было выявлено, что уменьшение в рабочей смеси топлива. Однако теплота сгорания

теплоты сгорания на 1360 кДж/кг происходит при горючей смеси существенно не меняется и состав-

увеличении доли (СН3)2О на 10 %, что соответствует ляет 1765-1789 кДж/кг. У дизельного топлива этот

интервалу снижения на 3,2-12,8 % по сравнению с показатель составляет 1756 кДж/кг. Этим можно объ-

дизельным топливом. яснить и относительно одинаковую в расчетах тем-

Количества воздуха, необходимое для сгорания пературу рабочего цикла для всех смесей независимо

смесей % ДТ + % (СН3)2О, требуется согласно рас- от состава компонентов.

четам существенно меньше в связи с большим со- Существенного изменения индикаторного и эф-

держанием кислорода в молекуле диметилэфира фективного КПД двигателя при использовании ис-

по сравнению с дизельным топливом на 3,86-15 %. следуемых смесей рабочего топлива для дизеля не

выявлено.

Литература

1. Азясев А. В., Садаков И. А., Новопашин Л. А. Использование этанола в качестве добавки к топливу для бензиновых двигателей // Вестник науки Костанайского социально-технического университета имени академика З. Алдамжар. 2012. № 1.

2. Денежко Л. В., Новопашин Л. А., Асанбеков К. А. Исследование рапсовых смесей различного состава в тракторном дизеле // Аграрный вестник Урала. 2015. № 1. С. 53-54.

3. Денежко Л. В., Новопашин Л. А., Кочетков П. В. Исследование применения смесевых топлив различного состава в автотракторных дизелях // Вестник науки Костанайского социально-технического университета имени академика З. Алдамжар. 2015. № 1. С. 74-77.

4. Денежко Л. В., Новопашин Л. А. Влияние спирто-рапсовых смесей на показатели работы тракторного дизеля // Аграрный вестник Урала. 2014. № 5. С. 49-51.

5. Новопашин Л. А., Денежко Л. В. Биодизель и физико-химические свойства // Достижения науки - агропромышленному производству : материалы L Междунар. науч.-техн. конф. 2011. С. 64-168.

6. Боровских А. М., Новопашин Л. А., Денежко Л. В. Влияние на показатели двигателя некоторых альтернативных топлив // Транспорт Урала. 2008. № 4. С. 92-93.

7. Бутенко А. Н., Гурина Г. И., Степанова И. И., Резниченко С. В. Бензин с функциональными добавками -альтернативное моторное топливо // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2008. № 1/3.

8. Покусаев М. Н., Курганова Е. А. О расчете процесса горения топлив по обобщенным характеристикам // Вестник астраханского государственного технического университета. Сер. «Морская техника и технология». 2016. № 1.

9. Чанышев Р. Р., Вильданов Ф. Ш., Латыпова Ф. Н. Диметиловый эфир - альтернативный вид нефтегазохи-мического сырья и топлива // Башкирский химический журнал. 2014. № 4. Т. 21.

10. Джихинто Г. А., Дмитриев С. С. Диметиловый эфир - экологически чистое топливо будущего // Вестник Астраханского государственного технического университета. 2007. № 3.

References

1. Azyasev A. V., Sadakov I. A., Novopashin L. A. Use of ethanol as a fuel additive for gasoline engines // Bulletin of Science Kostanai Social Technical University of Z. Aldamzhar. 2012. № 1.

2. Denezhko L. V., Novopashin L. A., Asanbekov K. A. Investigation of rapeseed mixtures of different composition in a tractor diesel // Agrarian Bulletin of the Urals. 2015. № 1. P. 53-54.

3. Denezhko L. V., Novopashin L. А., Kochetkov P. V. Investigation of mixed fuels with different shutter in automotive diesels // Journal of Science of Kostanai Social Technical University of Z. Aldamzhar. 2015. № 1. P. 74-77.

4. Denezhko L. V., Novopashin L. A. Influence of alcohol-rape mixtures indicators of tractor diesel // Agrarian Bulletin of the Urals. 2014. № 5. P. 49-51.

5. Novopashin L. A., Denezhko L. V. Biodiesel and physical and chemical properties // Advances in science -agricultural production materials L International scientific and technical conference. 2011. P. 64-168.

6. Borovskikh A. M., Novopashin L. A., Denezhko L. V. Impact on the engine performance of some alternative fuels // Ural Transport. 2008. № 4. P. 92-93.

7. Butenko A. N., Gurina G. I., Stepanova I. I., Reznichenko S. V. Gasoline with functional additives - an alternative motor fuel // East European Journal of advanced technology. 2008. № 1/3.

8. Pokusaev M. N., Kurganova E. A. On the calculation of process of burning fuel on generalized characteristics // Journal of Astrakhan State Technical University. Series "Marine engineering and technology". 2016. № 1.

9. Chanyshev R. R., Vildanov F. Sh., Latypova F. N. Dimethyl ether is an alternative form of petrochemical raw materials and fuel // Bashkir chemical journal. 2014. № 4. Vol. 21.

10. Dzhihinto G. A., Dmitriev S. S. Dimethyl ether - ecologically clean fuel of the future // Bulletin of the Astrakhan State Technical University. 2007. № 3.

82 www.avu.usaca.ru