Работа тракторного двигателя на биотопливе the operation of the tractor engine on biofuel

УДК 631.354.2

РАБОТА ТРАКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА БИОТОПЛИВЕ THE OPERATION OF THE TRACTOR ENGINE ON BIOFUEL Б. П. Загородских, доктор технических наук, профессор B. P. Zagorodskih

Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова Saratov state agrarian University named after N. I. Vavilov

Представлены данные о использовании биотоплива на основе рапсового и сафлорового масел, обработанных ультразвуком. Установлено, что смесевое биотопливо на основе сафлорового и рапсового масел имеет ряд недостатков, препятствующих его широкому использованию в дизельных двигателях. Показано влияние ультразвуковой обработки на свойства биотоплива и технико-экономические показатели двигателя Д-243 при работе на таких топливах, при этом смесевое биотопливо при его обработке ультразвуком менее склонно к расслоению, повышается износостойкость деталей двигателя за счет повышения содержания олеиновой кислоты. Известно, что эффективная мощность дизеля при работе на биотопливе снижается, тогда, как при обработке ультразвуком приближается к работе на минеральном дизельном топливе, при этом снижается удельный расход топлива. Основным недостатком смесевого биотоплива является повышенная вязкость. Для приближения вязкости биотоплива к вязкости минерального дизельного топлива необходимо производить его нагрев. Также при обработке ультразвуком повышаются мощностные показатели дизельного двигателя. Работа двигателя на биотопливе с использованием сафлорового масла обеспечивает более высокие показатели, по сравнению с биотопливом на основе рапсового масла. Помимо этого, улучшаются экологические показатели при незначительном снижении эффективной мощности и ухудшении топливной экономичности, по сравнению с работой дизеля на минеральном дизельном топливе.

Presents data on the use of biofuels based on rapeseed and safflower oils treated with ultrasound. Found that biofuel mixture on the basis of safflower and rapeseed oils has several disadvantages that prevent its wide use in diesel engines. Shows the effect of ultrasonic treatment on the properties of biofuels and techno-economic parameters of the engine D-243 when operating on such fuel, at the same biofuel mixture when it is processed by the ultrasound is less prone to delamination, increases the durability of engine parts due to the increase of oleic acid content. It is known that the effective power of the diesel engine when operating on biofuel is reduced, whereas when the ultrasound treatment is coming to work on mineral diesel fuel, thus reducing fuel consumption. The main drawback of the spot is biofuel increased viscosity. For the approximation of viscosity of the biofuel to the viscosity of mineral diesel fuel necessary to produce heat. Also, when the ultrasound treatment increase the power characteristics of the diesel engine. Engine running on biofuel with the use of safflower oil ensures a higher performance compared to biofuels based on rapeseed oil. In addition, improved environmental performance with a slight decrease of the effective power and the deterioration in fuel economy compared with the engine's operation on mineral diesel fuel.

Ключевые слова: смесевое биотопливо, обработка ультразвуком, минеральное дизельное топливо, показатели работы двигателя.

Key words: biofuel mixture, ultrasonic treatment, mineral diesel fuel, the performance of the engine

Введение. В последнее время научно-исследовательские центры моторостроительных фирм проводят исследования по замене минерального дизельного топлива биотопливом [2, 10].

К преимуществам использования смесевого биотоплива в агропромышленном комплексе относятся: возобновляемость, экологичность, экономия минерального дизельного топлива, повышение ресурса двигателя, применение биотоплива без конструктивных изменений [1, 6].

Недостатками, сдерживающими использование биотоплива в тракторных двигателях, являются: повышенная вязкость, расслоение на исходные составляющие, снижение мощности двигателя (до 7 %), повышенный удельный расход топлива (на 7-11 %).

Одним из путей улучшения показателей двигателя, работающего на биотопливе, является обработка смесевого биотоплива ультразвуком. При этом происходит улучшение его физико-механических свойств, что способствует повышению мощности и улучшению экологических показателей [4].

Материалы и методы. Целью работы является исследование основных показателей двигателя Д-243 (4411/12,5) с использованием топлива, обработанного ультразвуком. В качестве исследуемых топливных композиций использовались: товарное минеральное дизельное топливо (ДТ), смесевое биотопливо, состоящее на 20 % из рапсового или сафлорового масел и на 80 % из минерального дизельного топлива (топливо В20); смесевое биотопливо, состоящее на 20 % из рапсового или сафлорового масел и на 80 % из минерального дизельного топлива, дополнительно обработанное ультразвуком (топливо В20+УЗ).

Для обработки биотоплива применялось разработанное ультразвуковое устройство, которое встраивалось в систему питания двигателя трактора МТЗ-82 топливом. Для обеспечения работы ультразвукового устройства оно подключалось к электрической системе трактора [5]. Для измерения дымности и концентрации вредных веществ в отработавших газах при работе на каждом виде топлива (В20, В20+УЗ, ДТ) использовался дымомер КИД-2 и газоанализатор «Автотест СО-СН-Д».

Результаты и обсуждение. Сафлор (СагШат^ йпСюпш) является старым культурным растением Средней и Передней Азии. Урожайность сафлора обычно составляет 20...30 ц/га, но бывает до 40 ц/га. Сафлор является теплолюбивым, засухоустойчивым растением, не очень требовательным к азоту в почве, хорошо приспособлен к континентальному климату. Семена сафлора содержат до 47 % масла, содержание жирных кислот в масле: линолевая - 73-79 %; олеиновая - 14-21 %; пальмитиновая - 6-7,5 %; стеариновая - 1,5-4 %; арахиновая - около 0,4 %; миристиновая - до 0,2 %; линолено-вая - около 0,2 %. В последние годы в Южной Европе выращивают сорта сафлора с высоким содержанием олеиновой кислоты (до 75 %). Сафлор является оптимальной масленичной культурой для выращивания в условиях рискованного земледелия [9].

Ультразвуковая обработка биотоплива способствует его активации и изменяет физико-химические свойства, при распространении ультразвуковых колебаний наблюдается эффект, называемый ультразвуковой кавитацией, что увеличивает время расслоения смесевого биотоплива. Экспериментальные исследования показали, что время расслоения при обработке биотоплива ультразвуком увеличивается в 17 раз, по сравнению с топливом, не обработанным ультразвуком.

В биотопливе на основе рапсового и сафлорового масел содержится олеиновая кислота, способствующая образованию на поверхности деталей двигателя поверхностно активных веществ (ПАВ), что приводит к повышению их износостойкости. Обработка топлива ультразвуком повышает содержание в нем олеиновой кислоты с 5 до 9 %, при этом, как показали износные испытания, проведенные на машине трения, износ образцов снизился на 16 % [1, 3].

Улучшение качества биотоплива достигается за счет того, что акустическое ка-витационное воздействие на топливо в диапазоне ультразвуковых частот приводит к целому ряду положительных изменений, улучшающих его калорийность и качество сгорания. Под действием кавитации молекулярные цепочки органических топлив нарушаются, образуя при этом большое количество активных молекул, которые вступают в процесс окисления одновременно и значительно быстрее.

При процессе кавитации происходит разрыв связей самих молекул с образованием радикалов, которые имеют гораздо большую способность к возгоранию, чем замкнутые молекулы. Полимерные цепочки воды, находящиеся в топливе, также разрушаются и вода переходит в мелкодисперсное состояние с образованием свободных радикалов Н и ОН, которые участвуют в процессе горения значительно активнее и образуют нестабильные, легко окисляемые соединения со свободными радикалами органического топлива. Сера и парафины в процессе кавитационного дробления образуют поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые, соединяясь с поверхностью микрочастиц эмульсии, препятствуют их дальнейшей коагуляции [8, 10].

Результаты проведенных моторных исследований дизеля Д-243 по мощностным и топливно-экономическим и экологическим показателям при использовании различных видов топлива в условиях регуляторной характеристики с частотой вращения коленчатого вала от 1400 мин-1 (режим максимального крутящего момента) до 2200 мин-1 (режим максимальной мощности) представлен на рисунке 1 [7].

♦ ДТ

В20 A B20+V3

1400 1600 1800 2000 2200

Частота вращения, мин1

16 т-------------Ж

4

О. IS

О m о

и га Т

11 -I-----

1400 1600 1800 2000 2200

Частота вращения, мин 1

Рисунок 1 - Зависимость мощности и часового расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала двигателя Д-243 в условиях регуляторной характеристики

Установлено, что эффективная мощность при работе на биотопливе, не обработанном ультразвуком, снижается на 1,5-6,5 %, по сравнению с товарным дизельным топливом, тогда как на обработанном ультразвуком топливе снижается только на 0,50,8 %. Часовой расход смесевого биотоплива, не обработанного ультразвуком, возрастает на 1,7-5,7 %; при этом при работе на смесевом биотопливе, обработанном ультразвуком, часовой расход увеличивается только на 1-3 %.

Основным достоинством использования биотоплива в двигателях является снижение вредных выбросов с отработавшими газами. Так, выбросы оксидов азота (NOx) уменьшаются на 15-20 %, сажи - на 30-35 %, окиси углерода (СО) на 10-15 % (рисунок 2).

ИЗВЕСТИЯ'

№ 2 (46), 2017

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Хо лостс >й

у

—*—

♦ ДТ

В20  В20+УЗ

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2330 Частота вращения коленчатого вала, мин 1

го

а

01

Е >

го

ч

и 2£ О

V *

X

га *

а

0)

и

0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04

♦

Хол остой ♦

А

♦—

♦ ДТ  В20  В20+УЗ

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2330 Частота вращения коленчатого вала, мин1

Рисунок 2 - Изменение экологических показателей дизеля Д-243 в условиях характеристики холостого хода при работе на топливах различного состава

Рисунок 3 - Изменение вязкости биотоплива в зависимости от температуры

Как уже отмечалось, к недостаткам биотоплива относится его повышенная вязкость. Вязкость биотоплива на основе рапсового масла выше в среднем на 5 %, чем у биотоплива на основе сафлорового масла (рисунок 3). Поэтому для приближения вязкости

биотоплива к минеральному дизельному топливу необходим его подогрев. Проведенные исследования показали, что цикловая подача при работе на биотопливе при температуре 20-30 °С увеличивается на 8-8,5 %, а при подогреве до 60-70 °С соответствует требуемой.

Заключение. Эксперименты показали, что дымность при работе на смесевом биотопливе с использованием рапсового и сафлорового масел, обработанных ультразвуком, снизилась на 12,0-18,7 %. Также испытания показали, что работа двигателя на смесевом биотопливе на основе сафлорового масла по таким показателям, как эффективная мощность, максимальный крутящий момент, соизмерима с работой на топливе на основе рапсового масла. По удельному же расходу топлива и дымности такое топливо даже превосходит смесевое биотопливо на основе рапсового масла.

Библиографический список

1. Загородских, Б. П. Сафлоровое масло вместо рапсового [Текст] / Б. П. Загородских, А. А. Кожевников, С. А. Фадеев // Сельский механизатор. - 2010. - № 6. - С. 34-35.

2. Митин, С. Г. Биоэнергетика: мировой опыт и прогнозы равития [Текст] / С. Г. Митин, Л. С. Орсик, Н. Т. Сорокин [и др.]. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007. - 204 с.

3. Савельев, Г. С. Биологическое моторное топливо для дизелей на основе рапсового масла [Текст] / Г. С. Савельев, Н. В. Краснощеков // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2005. - № 10. - С. 11-16.

4. Савельев, Г. С. Производство и использование биодизельного топлива из рапса [Текст] / Г. С. Савельев. - М.: ГНУ ВИМ, 2007. - 96 с.

5. Устройство для ультразвуковой обработки биотоплива [Текст] : пат. 88396 Российская Федерация, МПК F02M 27/08. / Загородских Б. П., Фадеев С. А.; заявитель и патентообладатель Саратовский государственный аграрный университет имени Н. И. Вавилова. - № 2009127033/22; заявл. 14.07.2009; опубл. 10.11.2009. Бюл. № 31. - 5 с.

6. Уханов, А. П. Рапсовое биотопливо [Текст]/ А. П. Уханов, В. А. Рачкин, Д. А. Уханов. - Пенза: РИО ПГСХА, 2008. - 229 с.

7. Фадеев, С. А. Улучшение показателей тракторного дизеля при работе на биодите, обработанном ультразвуком [Текст] / С. А. Фадеев, Б. П. Загородских, А. П. Уханов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2009. - № 12. - С. 4-6.

8. Федоренко, В. Ф. Результаты испытаний и перспективы эксплуатации дизелей на биотопливе [Текст] / В. Ф. Федоренко [и др.]. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2008. - 136 с.

9. Шпаар, Д. Возобновляемое растительное сырье [Текст] : учеб.-практ. пособ. по производству и использованию возобновляемого растительного сырья : в 2 кн. / Д. Шпаар [и др.]; под ред. Д. Шпаара. - Кн. 1. - С-Пб., Пушкин: [б. и.], 2006. - 382 с.

10. McDonnel, K. P. Results of engine and venicle testing of semirefined rapeseed oil [Text] / K. P. McDonnel, S. M. Ward, P. B. McNulty, R. Howard-Hildige // Transaction of the ASAE. -St.Joseph(Mich.). - Vol. 43(6). - 2000. - P. 1309-1316.

References

1. Zagorodskih, B. P. Saflorovoe maslo vmesto rapsovogo [Tekst] / B. P. Zagorodskih, A. A. Kozhevnikov, S. A. Fadeev // Sel'skij mehanizator. - 2010. - № 6. - S. 34-35.

2. Mitin, S. G. Biojenergetika: mirovoj opyt i prognozy ravitiya [Tekst] / S. G. Mitin, L. S. Orsik, N. T. Sorokin [i dr.]. - M.: FGNU "Rosinformagroteh", 2007. - 204 s.

3. Savel'ev, G. S. Biologicheskoe motornoe toplivo dlya dizelej na osnove rapsovogo masla [Tekst] / G. S. Savel'ev, N. V. Krasnoschekov // Traktory i sel'skohozyajstvennye mashiny. - 2005. -№ 10. - S. 11-16.

4. Savel'ev, G. S. Proizvodstvo i ispol'zovanie biodizel'nogo topliva iz rapsa [Tekst] / G. S. Savel'ev. - M.: GNU VIM, 2007. - 96 s.

5. Ustrojstvo dlya ul'trazvukovoj obrabotki biotopliva [Tekst] : pat. 88396 Rossijskaya Feder-aciya, MPK F02M 27/08. / Zagorodskih B. P., Fadeev S. A.; zayavitel' i patentoobladatel' Saratovskij gosudarstvennyj agrarnyj universitet imeni N. I. Vavilova. - № 2009127033/22; zayavl. 14.07.2009; opubl. 10.11.2009. Byul. № 31. - 5 s.

6. Uhanov, A. P. Rapsovoe biotoplivo [Tekst]/ A. P. Uhanov, V. A. Rachkin, D. A. Uhanov. -Penza: RIO PGSXA, 2008. - 229 s.

7. Fadeev, S. A. Uluchshenie pokazatelej traktornogo dizelya pri rabote na biodite, obrabotan-nom ul'trazvukom [Tekst] / S. A. Fadeev, B. P. Zagorodskih, A. P. Uhanov // Traktory i sel'sko-hozyajstvennye mashiny. - 2009. - № 12. - S. 4-6.

8. Fedorenko, V. F. Rezul'taty ispytanij i perspektivy jekspluatacii dizelej na biotoplive [Tekst] / V. F. Fedorenko [i dr.]. - M.: FGNU "Rosinformagroteh", 2008. - 136 s.

9. Shpaar, D. Vozobnovlyaemoe rastitel'noe syr'e [Tekst] : ucheb. -- prakt. posob. po pro-izvodstvu i ispol'zovaniyu vozobnovlyaemogo rastitel'nogo syr'ya : v 2 kn. / D. Shpaar [i dr.]; pod red. D. Shpaara. - Kn. 1. - S-Pb., Pushkin: [b. i.], 2006. - 382 s.

10. McDonnel, K. P. Results of engine and venicle testing of semirefined rapeseed oil [Text] / K. P. McDonnel, S. M. Ward, P. B. McNulty, R. Howard-Hildige // Transaction of the ASAE. -St.Joseph (Mich.). - Vol. 43(6). - 2000. - P. 1309-1316.

E-mail: bpz_2010@mail.ru.

УДК 634.93:631.616:528

ФИТОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И ЛЕСОМЕЛИОРАТИВНОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ПЕСЧАНОГО МАССИВА «КАНДАГАШ» ЗАПАДНО-КАЗАХСТАНСКОЙ ОБЛАСТИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

PHYTOECOLOGICAL ASSESSMENT AND FOREST RECLAMATIVE MAPPING OF SAND MASSIVE «KANDAGASH», THE WESTERN KAZAKHSTAN REGION

THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN

В.Ф. Лобойко1, доктор технических наук, профессор

Б.Ж. Есмагулова Н.А. Ткаченко3, кандидат сельскохозяйственных наук

1 Волгоградский государственный аграрный университет 2Западно-Казахстанский аграрно-технический университет им. Жангир хана, г. Уральск

3ФГБНУ «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций

и защитного лесоразведения Российской академии наук»

V.F. Loboiko1, B.Zh. Esmagulova2, N.A. Tkachenko3

1 Volgograd State Agrarian University 2West Kazakhstan agrarian-technical university named Zhangir khan 3Federal State Budget Scientific Institution «Federal Scientific Centre of Agroecology, Complex Melioration and Protective Afforestation of the Russian Academy of Sciences»

Для рационального освоения аридных земель Западно-Казахстанской области, используемых в настоящее время преимущественно в качестве пастбищных угодий, требуется учет и тщательный анализ их фитоэкологических условий. Используя лесомелиоративную классификацию, разработанную во ВНИАЛМИ, на основе применения ландшафтного подхода, данных дистанционного зондирования Земли и геоинформацтонных технологий проведена фитоэкологическая оценка песчаного массива «Кандагаш». Проведено камеральное дешифрирование космических снимков высокого разрешения и экологическое профилирование песчаного массива. Составлены ландшафтно-экологическая и лесомелиоративная карты на территорию исследования. Определено долевое участие различных лесомелиоративных категорий (ЛМК), типов (ЛМТ) и выделов (ЛМВ) песчаного массива. Выделены три категории (ЛМК I, ЛМК II, ЛМК III) и нелесопригодные участки (солончаки и соленые депрессии). Преобладающей категорией является ЛМК II (75,4 %) - слабоза-росшие пески с разобщенными язвами дефляции, а также территории с песчаными пустынными почвами. Участки с доступными грунтовыми водами (ГВ) (ЛМТа) занимают 11,9 % территории, ограниченно доступными ГВ (ЛМТб) - 69,2 %, участки с перераспределенными атмосферными осадками (ЛМТв) занимают 17,6 % от общей площади песчаного массива, остальная территория