Растительные масла и биодизель: перспективы применения в дизельных двигателях

Энергетическая зависимость от ископаемых видов топлива остаётся одной из ключевых проблем современной экономики. Рост цен на нефть, ужесточение экологических требований и необходимость сокращения выбросов парниковых газов стимулируют поиск альтернативных источников энергии. Одним из наиболее перспективных направлений считается использование растительных масел и их производных в качестве топлива для дизельных двигателей.

Растительные масла могут применяться как в чистом виде, так и после химической переработки — например, в форме метиловых эфиров жирных кислот, известных как биодизель. Исследования, проводимые в Европе, Азии и США, подтверждают: при правильной адаптации двигателя и соблюдении технологий переработки масла способны стать эффективным и экологически чистым заменителем традиционного дизельного топлива.

Растительные масла впервые были применены в качестве топлива самим Рудольфом Дизелем в конце XIX века, когда он проводил опыты с созданным им двигателем. Изначально идея использования натуральных масел выглядела перспективной, однако промышленная эксплуатация была быстро вытеснена более дешёвым нефтяным топливом. Доступность и низкая себестоимость продуктов переработки нефти сделали дизельное топливо практически безальтернативным. Тем не менее, после резкого повышения мировых цен на нефть в 1977 году исследовательские группы в разных странах вновь вернулись к вопросу применения возобновляемых топлив, в том числе растительных масел. Сегодня интерес к этому направлению только усиливается, что объясняется необходимостью снижения зависимости от нефти и повышением экологических требований к транспорту и энергетике.

География научных исследований охватывает практически весь мир: активные разработки ведутся в Европе (Англия, Германия, Франция, Польша, Швеция), Азии (Китай, Япония, Индия, Индонезия), а также в США. Каждое направление вносит вклад в создание технологий переработки растительных масел и в совершенствование дизельных двигателей для работы на биотопливе.

В мировой практике выделяют два основных подхода к использованию растительных масел в качестве топлива:

• Модификация самих масел с целью придания им свойств, максимально близких к дизельному топливу.
• Техническая адаптация конструкции дизельного двигателя под специфические характеристики растительных топлив.

Наиболее распространённым методом изменения свойств масел является их химическая переработка в метиловые и этиловые эфиры жирных кислот. Однако ведутся и другие работы по улучшению свойств масел, включая термическую обработку и пиролиз.

1. Растительные масла без химической обработки

В качестве примера можно привести эксперименты с соевым маслом. Его подвергали термическому крекингу с использованием метода перегонки нефтепродуктов, в результате чего было получено топливо, известное как TCSBO. После обработки удалось повысить цетановое число с 38 до 43, а также снизить вязкость. Испытания показали, что двигатель на таком топливе демонстрировал несколько меньшую эффективную мощность и увеличенный удельный расход топлива по сравнению с традиционным дизельным топливом. Вместе с тем, наблюдалось снижение выбросов оксидов азота (NO_x), что является положительным экологическим фактором, но одновременно фиксировался рост концентрации углеводородов (C_nH_m) в отработавших газах.

Другим направлением стала переработка масел методом пиролиза. В этом случае из продуктов термического разложения удавалось выделить фракции, близкие по своим физико-химическим характеристикам к дизельному топливу, что расширяло возможности их дальнейшего применения в двигателях.

Исторически в разных странах в качестве моторного топлива испытывались разнообразные виды масел:

• арахисовое,
• хлопковое,
• соевое,
• подсолнечное,
• рапсовое,
• кокосовое,
• пальмовое.

Наибольший интерес в Европе вызывает именно рапсовое масло. Это объясняется тем, что культура рапса обладает высокой урожайностью, устойчива к низким температурам и неприхотлива к условиям выращивания. Кроме того, химический состав масла обеспечивает относительно стабильные характеристики при переработке.

Сравнение свойств рапсового масла и традиционного дизельного топлива показывает значительные различия в процессах впрыска, распыливания и смесеобразования. Важнейшими параметрами являются: начальная скорость топлива, угол раскрытия факела, вероятность разрыва струи, максимальная скорость капель, дальнобойность распыления, длина струи до момента разрушения и зависимость этих величин от времени. На все эти процессы существенно влияют вязкость, плотность, поверхностное натяжение и упругость паров топлива.

При переводе двигателя на работу с рапсовым маслом впрыск топлива начинается позже на 3…3,5° поворота коленчатого вала (ПКВ), а его продолжительность увеличивается на 1,5…2,5° ПКВ. Факел при этом становится более вытянутым, с меньшим углом раскрытия, но более выраженной дальнобойностью. В системе наблюдается повышенное остаточное давление, а игла форсунки дольше садится в седло, что связано с повышенной вязкостью масла. Давление впрыска при использовании растительных масел также выше, чем при работе на стандартном дизельном топливе.

Характер сгорания на растительном масле отличается от дизельного. Период задержки воспламенения увеличивается, а сам процесс горения протекает более плавно и менее интенсивно, благодаря чему двигатель работает с меньшей шумностью. При использовании смесевых топлив на основе растительных масел снижается среднее индикаторное давление, максимальное давление в цилиндре и температура цикла, что подтверждено стендовыми испытаниями.

С точки зрения экономичности рабочий процесс при использовании растительного масла менее эффективен: удельный расход выше, а процесс сгорания занимает больше времени по сравнению с традиционным дизельным топливом.

Экологические показатели неоднозначны. С одной стороны, фиксируется снижение выбросов NO_x, с другой — рост выбросов углеводородов и сажи. Итоговые характеристики зависят от конкретной модели двигателя, его нагрузки и скоростного режима. В отдельных случаях такие показатели регулируются конструктивными доработками топливной аппаратуры и системой рециркуляции отработавших газов.

Таким образом, растительные масла без химической переработки могут использоваться в качестве альтернативного топлива, но они требуют либо адаптации двигателя, либо доработки самого топлива для улучшения его характеристик.

2. Метиловый эфир рапсового масла

Среди альтернативных видов биотоплива именно метиловый эфир рапсового масла (часто называемый биодизелем) наиболее близок по своим физико-химическим характеристикам к традиционному дизельному топливу. Его можно применять как самостоятельно, так и в смеси с нефтяным дизелем, причём получаемые смеси отличаются высокой однородностью и стабильностью при эксплуатации. Биодизель, по сути, представляет собой метиловые или этиловые эфиры жирных кислот растительных масел, которые после переработки становятся полноценным топливом для дизельных двигателей.

Технология его получения основана на реакции трансэтерификации. В процессе химического взаимодействия масла и жиров с низкомолекулярным спиртом (чаще всего метанолом) при участии щелочного катализатора (NaOH, KOH или их производных) молекула глицеридов расщепляется на глицерин и метиловые эфиры жирных кислот. Для получения 1 тонны метилового эфира требуется в среднем 980 кг растительного масла, 125 кг метилового спирта и около 14,2 кг катализатора. Продуктом побочной реакции является глицерин, который может использоваться в химической и фармацевтической промышленности.

С энергетической точки зрения метиловый эфир рапсового масла уступает самому растительному маслу из-за дополнительных затрат энергии на химическую переработку. Так, при расчёте на 1 га посева рапса:

• затраты на производство семян составляют 17,7 ГДж, на извлечение масла — 0,7 ГДж;
• суммарные энергозатраты на производство метилового эфира — 47,7 ГДж;
• выход энергии по топливной составляющей — 28,0 ГДж.

Для растительного масла этот показатель составляет 10,4 ГДж (эквивалент 298 л дизеля) при меньших затратах. Однако при условии рационального использования побочных продуктов — шрота и соломы — оба вида топлива обеспечивают положительный энергетический баланс: 85,4 % для масла и 62,1 % для метилового эфира.

Таблица 1. Энергетический баланс альтернативных видов топлива, ГДж/га

Метиловый эфир может подаваться в двигатель через стандартную систему питания, однако требуется замена уплотнительных материалов, так как эфир обладает агрессивным воздействием на резину и некоторые полимеры. Среди его преимуществ — высокое цетановое число (улучшает воспламеняемость), высокая температура вспышки (повышает пожарную безопасность), а также хорошие смазывающие свойства, уменьшающие износ плунжерных пар топливной аппаратуры. Недостатками являются ограниченный срок хранения, склонность к окислению и разложению, а также агрессивное воздействие на лакокрасочные покрытия и моторные масла.

Испытания показывают, что при работе двигателя на смесях с содержанием метилового эфира свыше 10 % возрастает жесткость процесса сгорания и увеличивается максимальное давление в цилиндре. Это требует корректировки регулировок топливной аппаратуры для обеспечения оптимального режима работы.

С точки зрения экологии, метиловый эфир имеет существенные преимущества перед нефтяным дизельным топливом. Присутствие кислорода в молекуле (до 11 %) улучшает процесс окисления, что снижает выбросы углеводородов (C_nH_m) на 10…56 %, оксида углерода (CO) — на 10…43 %, сажи — на 50…55 %. Практически полное отсутствие серы (10…15 ppm) и ароматических соединений делает биодизель экологически чистым топливом: в отработавших газах отсутствуют оксиды серы и полициклические ароматические углеводороды. Однако одновременно фиксируется увеличение эмиссии NO_x примерно на 10 %.

На практике биодизель используют в различных пропорциях с дизельным топливом:

• B5 — 5 % биодизеля и 95 % дизельного топлива,
• B20 — 20 % биодизеля и 80 % дизельного топлива,
• B100 — чистый биодизель (100 %).

Согласно ГОСТ Р 53605-2009 в составе дизельного топлива допускается до 5 % (об.) метиловых эфиров жирных кислот (FAME). При этом эксплуатация техники на биодизеле требует соблюдения дополнительных правил:

• топливо должно соответствовать международным стандартам EN 14214, ASTM D6751 или DIN 51606, а поставщик обязан гарантировать стабильное качество;
• лучше использовать уже готовые смеси, так как самостоятельное приготовление может привести к неоднородности и проблемам в работе двигателя;
• биодизель гигроскопичен, поэтому важно исключать попадание воды, регулярно сливать конденсат из фильтров и держать баки максимально заполненными;
• срок хранения смесей в топливной системе не должен превышать 3 месяцев; при длительном хранении рекомендуется прогонять двигатель на чистом дизеле;
• фильтры топлива нужно проверять не реже одного раза в неделю и своевременно менять;
• при низких температурах (ниже –9 °С) необходимо переходить на стандартное дизельное топливо или использовать присадки против парафинообразования;
• биодизель способен растворять отложения и ржавчину в баках, что повышает риск засорения фильтров — требуется регулярная профилактика;
• важно контролировать состояние резиновых шлангов и уплотнений каждые 3 месяца или каждые 150 моточасов;
• при переходе обратно на дизель следует заменить топливные фильтры, моторное масло и масляный фильтр, даже если срок их замены ещё не подошёл.

Несоблюдение этих условий может привести к повреждению топливной аппаратуры и сокращению ресурса двигателя.

Таким образом, метиловый эфир рапсового масла является одним из наиболее перспективных направлений в области биотоплива: он сочетает экологическую безопасность с высокой совместимостью с существующими дизельными системами, но требует тщательного соблюдения норм эксплуатации и хранения.

3. Сравнение дизельного топлива, растительного масла и метилового эфира рапсового масла

Таблица 2. Сравнительные характеристики дизельного топлива, растительного масла и метилового эфира рапсового масла

Заключение

Изучение применения растительных масел и метилового эфира рапса показывает, что у этих видов топлива есть как преимущества, так и ограничения. Растительные масла без переработки обеспечивают положительный энергетический баланс, но требуют доработки топливной аппаратуры и уступают по экономичности. Метиловый эфир рапсового масла, напротив, ближе по характеристикам к дизелю и обеспечивает значительное снижение вредных выбросов, однако его производство энергозатратно, а хранение требует особых условий.

Современные стандарты (EN 14214, ASTM D6751, DIN 51606, ГОСТ Р 53605-2009) регламентируют качество биодизеля и смеси с дизельным топливом. Опыт мировой практики подтверждает: при рациональном использовании побочных продуктов (шрота, соломы, глицерина) и правильной организации эксплуатации биодизель способен стать частью устойчивой энергетики будущего.

Таким образом, переход к альтернативным видам топлива на основе растительных масел является не только шагом в сторону снижения зависимости от нефти, но и вкладом в экологическую безопасность и энергетическую устойчивость.

• Об авторе
• Недавние публикации

Алексей Громов

Ведущий специалист-консультант в НПФ 'Современные технологии производства'

Старший инженер по обслуживанию транспорта

Алексей Громов недавно публиковал (посмотреть все)

• Грузовые автомобили: виды, типы, назначение и особенности - 07.02.2023
• Арамидные волокна — кевлар и композиты на их основе: свойства, производство, применение - 16.07.2022
• Компоновочные схемы автобусов: виды, преимущества и недостатки - 08.11.2021