Топливо на основе растительных масел

Растительные масла в чистом виде были впервые испытаны в двигателе Рудольфа Дизеля в конце ХIХ в. В последующем их вытеснило нефтяное топливо в связи с меньшей стоимостью. Однако после повышения цен на нефть в 1977 г. исследователи вновь вернулись к растительным маслам как альтернативному возобновляемому топливу для дизельных двигателей. Научный поиск при исследовании растительных видов топлива ведется в Европе (Англия, Германия, Польша, Франция, Швеция), в Азии (Япония, Китай, Индия, Индонезия) и США.

В мировой практике сложилось два основных направления по применению топлив из растительных масел: приближение свойств масел к свойствам дизельного топлива и адаптация дизельного двигателя к применяемым топливам. Свойства растительных масел в основном изменяют за счет их переработки в эфиры. Предпринимаются и другие попытки приблизить свойства растительного масла к свойствам нефтяного дизельного топлива.

1. Растительные масла без химической обработки

Очищенное и отбеленное соевое масло подвергли термическому крекингу с применением метода перегонки нефтепродуктов. Полученное топливо назвали TCSBO. В результате такой обработки масла увеличилось его цетановое число с 38 до 43 и снизилась вязкость. Моторные испытания на полученном топливе при сравнении с дизельным топливом показали снижение эффективной мощности и удельного расхода топлива, увеличение максимальной скорости повышения давления в цилиндре при высоких нагрузках, снижение выбросов NO_x с отработавшими газами, но увеличение концентрации C_nH_m.

Проводят также пиролиз растительных масел. При этом из продуктов разложения масел можно выделить фракции, подобные по свойствам дизельному топливу.

В качестве моторного топлива в мировой практике использовались различные растительные масла: арахисовое, хлопковое, соевое, подсолнечное, рапсовое, кокосовое, пальмовое. В Европе наиболее перспективными считают топлива, полученные из рапсового масла, так как рапс относительно зимостоек и неприхотлив при выращивании.

Различие свойств топлив на основе рапсового масла со свойствами дизельного топлива обусловливает и различие в процессах впрыскивания, распыливания и смесеобразования. Основными параметрами процесса впрыскивания являются: дальнобойность распыления топлива, начальная скорость топлива, вероятность разрыва струи, максимальная скорость капель топлива в неподвижной газовой среде, зависимость дальнобойности вершины струи от времени, длина струи до момента ее разрыва и угол распыления топлива. Свойства топлива, влияющие на параметры процесса впрыскивания: вязкость, плотность, сжимаемость, поверхностное натяжение, скорость распространения волн давления и давление паров.

При переводе работы двигателя с дизельного топлива на рапсовое масло впрыск начинается позже на 3…3,5° поворота коленчатого вала (ПКВ) и продолжительность впрыскивания больше на 1,5…2,5° ПКВ, структура факела в поперечном сечении становится более неравномерной, угол раскрытия факела уменьшается, факел становится более дальнобойным. Остаточное давление в топливо-проводе выше для рапсового масла. Для растительных масел время полного подъема иглы более стабильно. Игла садится в седло в течение более длительного промежутка времени. При подаче растительного масла давление впрыска более высокое. При использовании растительного топлива наблюдается более высокая скорость увеличения давления в топливопроводе высокого давления.

При переводе двигателя с дизельным топливом на растительное масло наблюдается увеличение периода задержки воспламенения. Процесс сгорания на растительном масле протекает с меньшими скоростями, чем на дизельном топливе, поэтому на масле двигатель работает менее шумно. При переводе двигателя на смесевые топлива на основе растительного масла наблюдается уменьшение среднего индикаторного давления, максимального давления в цилиндре и максимальной температуры цикла.

По экономичности рабочего процесса растительное масло уступает дизельному топливу. Сгорание масла отличается большей продолжительностью по сравнению со сгоранием дизельного топлива.

Экологические показатели дизелей при использовании топлив с добавлением рапсового масла изменяются разнонаправленно и зависят от конструкции двигателя, его скоростного и нагрузочного режима.

2. Метиловый эфир рапсового масла

Метиловый эфир как топливо по своим характеристикам наиболее близок к дизельному топливу. Метиловый эфир рапсового масла или другой биодизель хорошо смешиваются с дизельным топливом. Биодизель — это эфиры соответствующих масел, которые используются как дизельное топливо.

Метиловый эфир обычно получают методом, известным как трансэтерификация. Молекула глицерольного эфира жирной кислоты расщепляется на молекулы метилового эфира. При этом масла и жиры реагируют со спиртом (обычно с метанолом), а катализатором является натриевый или содовый гидроксид (сода, щелок, поташ или едкий натрий). В результате этой реакции получают метиловый эфир рапсового или другого масла и глицерин. В процессе реакции для получения 1 т метилового эфира расходуется 980 кг масла, 125 кг метилового спирта, 14,2 кг катализатора.

Рассмотрим энергетический баланс производства метилового эфира рапсового масла и смесевого топлива на основе рапсового масла на примере 1 га посева рапса. Затраты на производство рапсовых семян составляют 17,7 ГДж, на извлечение масла — 0,7 ГДж. Из табл. 1 видно, что затраты энергии при производстве метилового эфира рапсового масла выше, чем выход по топливной составляющей. Это связано с необходимостью тратить дополнительную энергию при реакции трансэтерификации. Для растительного масла выход энергии по топливной составляющей выше, чем затраты, и достигает 10,4 ГДж, что эквивалентно 298 л дизельного топлива. Однако при условии рационального использования шрота и соломы по обоим видам топлива наблюдается положительный баланс энергии: 85,4 % для растительного масла и 62,1 % для метилового эфира рапсового масла.

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

Метиловый эфир может подаваться в двигатель как в чистом виде, так и в смеси с дизельным топливом через штатную топливоподающую систему. Необходима лишь замена некоторых уплотнительных материалов, к которым эфир агрессивен. По сравнению с дизельным топливом метиловый эфир рапсового масла имеет ряд достоинств: высокое цетановое число, высокую температуру вспышки, лучшие смазывающие свойства. Однако он имеет и недостатки: низкую стабильность при хранении, отрицательное влияние на моторное масло. Метиловый эфир растворяет лакокрасочные покрытия и резину.

При использовании смесевых топлив на основе эфира рапсового масла изменяются показатели рабочего процесса дизеля. При неизменных регулировках топливной аппаратуры с увеличением содержания эфира жесткость и максимальное давление сгорания растут. Эти изменения заметны при работе дизеля на топливе с содержанием более 10 % метилового эфира рапсового масла.

Присутствие кислорода в метиловом эфире (до 11 %) улучшает процесс сгорания, что приводит к уменьшению выбросов C_nH_m на 10…56 %, СО — на 10…43 %, СО₂ и сажи — на 50…55 %. В метиловом эфире рапсового масла практически полностью отсутствуют сера (10…15 ppm) и ароматические соединения, поэтому в отработавших газах дизеля почти нет оксидов серы и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). При этом наблюдается увеличение эмиссии NO_x на 10 %.

Биодизельное топливо может использоваться в дизельных двигателях вместе со стандартным дизельным топливом:

• B5: смесь 5 % биодизеля и 95 % дизеля;
• B20: смесь 20 % биодизеля и 80 % дизеля;
• B100: чистый биодизель (100 %).

Согласно СТБ 1658–2012 в дизельном топливе, выпускаемом в Республике Беларусь, допускается содержание метиловых эфиров жирных кислот (FAME) в количестве 5 % (объемная доля).

При использовании биодизельного топлива рекомендуется выполнять ряд мероприятий, направленных на повышение надежности эксплуатации дизелей:

• биодизель должен соответствовать спецификациям (EN 14214, ASTM D 6751 или DIN 51606), и поставщик должен поддерживать высокое качество топлива;
• следует приобретать уже готовые биодизельные смеси. При самостоятельном смешивании дизельного топлива с биодизелем можно получить неоднородную смесь, что может привести к неполадкам;
• необходимо следить за тем, чтобы в топливо не попадала вода. Биодизель собирает влагу из атмосферы. Топливные баки нужно держать максимально наполненными, чтобы ограничить проникновение в них воздушных и водных паров. Ежедневно необходимо спускать воду с топливных фильтров двигателя и фильтров предварительной очистки;
• биодизельные смеси не должны содержаться в топливной системе машины более 3 месяцев. Биодизель может снимать со стенок баков ржавчину и частицы, которые обычно оседают на стенках баков и не вызывают никаких проблем. Эти частицы впоследствии попадут в топливные фильтры и приведут к их засорению и сокращению срока службы. При неизбежности долгих периодов хранения техники необходимо, чтобы двигатель предварительно поработал на дизельном топливе в течение 20 ч;
• следует проверять топливные фильтры как минимум раз в неделю и менять при необходимости;
• пролитый биодизель надо немедленно вытирать, иначе он может испортить краску на машине;
• при использовании смеси выше В5 и до В20 включительно рекомендуется переходить на дизель, если температура окружающей среды ниже –9 °С. В таких условиях в баке и топливных трубках образуются твердые отложения, которые, как парафиновые отложения в дизельном топливе, будут собираться в топливном фильтре, что может впоследствии привести к его засорению;
• если на машине установлено устройство для предварительной очистки выхлопных газов, например дизельный сажевый фильтр (DPF) или система снижения токсичности выхлопа (SCR), необходимо проконсультироваться с поставщиком по вопросу совместимости устройства с биодизелем;
• каждые 3 месяца или каждые 150 ч работы необходимо проверять шланги, соединения и прокладки;
• при переходе с биодизеля на дизель топливные фильтры, масло и масляные фильтры следует заменить, даже если это происходит в промежутке между сервисными интервалами.

Несоблюдение условий использования биодизеля может привести к сильному повреждению двигателя и аппаратуры системы впрыска топлива.