Данная обзорная статья об особенностях смесеобразования и сгорания топлива с биодобавками, полезна для написания дипломного проекта. Активная работа по изучению характеристик двигателей при использовании биодизельного топлива проводится во Франции, Германии, Италии, Финляндии, Чехии, Швеции, Австрии, Великобритании и других странах, В этой работе участвуют многие ведущие компании мира: «Форд», «Фиап, «Мерседес Бенц» и др. 

     Однако незначительный объем и противоречивость результатов исследований работоспособности дизельных двигателей на растительных маслах или смесевых топливах не позволяют однозначно судить об оптимальности использования конкретного вида масла или продуктов его переработки в качестве биодобавок. 

      Применение различных видов альтернативных топлив требует определенной организации рабочего процесса в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, при котором обеспечиваются высокие эффективные показатели его работы. Для осуществления этого нужно знать не только физико-химические свойства, но и достоинства, и недостатки биотоплива по сравнению с традиционным дизельным топливом, основные параметры биотоплива, требующие существенной корректировки для превращения его в товарное топливо, оптимальные методы управления этими процессами, Так, например, установлены следующие отличия свойств рапсового масла от дизельного топлива: повышенная вязкость, повышенная и сильно зависящая от температуры плотность, более низкая удельная теплота сгорания, содержание кисло¬рода около 11 % и отсутствие сернистых и ароматических углеводородных соединений.

     При впрыскивании в цилиндр двигателя вязкого рапсового масла угол рассеивания топливной струи и ее боковая поверхность уменьшаются, что приводит к сокращению количества испарившегося топлива за период задержки воспламенения и более «мягкой» работе двигателя. Уменьшение угла рассеивания топливной струи позволит увеличить число сопловых отверстий и интенсифицировать «закрутку» воздушного заряда, что положительно отражается на топливной экономичности двигателя. Для улучшения технико-экономических показателей применения биотоплива необходима интенсификация процессов впрыскивания, смесеобразования и сгорания. Положительное влияние на эти процессы может оказать подогрев до 70-80ºС, что приведет к улучшению его физико-химических показателей. В свою очередь, увеличение давления впрыскивания приведет к уменьшению диаметра распыляемых капель, а интенсификация турбулизации воздушного заряда улучшит процессы испарения и смесеобразования.

         Использование в двигателях неочищенных растительных масел осложняется их высокой вязкостью и образованием отложений и нагара на соплах топливных форсунок и в цилиндрах.

      Установлено, что растительные масла нестабильны и имеют повышенную вязкость и коксуемость. Исследование процессов впрыскивания топлива и смесеобразования показало, что средний диаметр капель при использовании МЭРМ увеличился на 9%, угол раскрытия струи топлива уменьшился на 9%, соответственно дальнобойность струи увеличивается. Изменение этих показателей приводит к тому, что до 79% топлива попадает на стенки камеры сгорания, что уменьшает долю объемного смесеобразования и отрицательно сказывается на процессах смесеобразования и сгорания. В конечном итоге это приводит к ухудшению эффективных показателей двигателя, в частности, объемный эффективный расход топлива увеличивается на 6%.
      Топливная система трактора МТЗ — 80, адаптированная для работы на топливе с биодобавками:

        Анализ исследования влияния добавки рапсового масла и керосина на рабочий процесс и теплообмен двигателя, можно использовать для написания диплома.
        Исследования строятся так, что осуществляется постоянное замещение традиционных топлив альтернативными. В этой последовательности можно выделить три основных этапа:
• применение к традиционному топливу альтернативных в виде присадок;
• частичное замещение традиционных топлив альтернативными;
• применение альтернативных топлив в чистом виде.
      Проблема использования растительного масла в качестве топлива для поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) включает обширный круг вопросов:
- изучение возможности перевода на растительное масло двигателей с внутренним процессом смесеобразования и с внешним с искровым зажиганием;
- исследование параметров рабочего процесса двигателей при работе на водороде;
- определение оптимальных способов регулирования рабочего процесса;
- разработку систем топливоподачи и большой ряд других вопросов.

      Исследования, направленные на использование растительного масла в качестве топлива для ДВС, проводились и проводятся при его использовании в качестве добавки (присадки), частичного замещения традиционных и альтернатив¬ных топлив на базе двигателей с искровым зажиганием, и для двигателей с вос¬пламенением от сжатия. Это исследования многих отечественных и зарубежных авторов.
      Результаты исследований параметров рабочего процесса двигателей с ис¬пользованием растительного масла в качестве топлива для ДВС с внешним процессом смесеобразования, с искровым зажиганием показывают, что при определенных достоинствах имеются трудности организации нормальной работы двигателя, в частности всеми авторами отмечается наличие обратных вспышек в систему впуска, что нарушает нормальную работу двигателя.
    Для кардинального исключения обратных вспышек на впуск, с целью сохранения уровня мощности ДВС, рекомендуется организация рабочего процесса с применением внутреннего процесса смесеобразования характерного для дизелей.
      В ходе экспериментальных исследований работы тракторного дизеля Д-144 с добавками растительного масла двумя способами изучались качественное и количественное изменения протекания внутрицилиндровых процессов, определяющих мощностные, экономические и экологические показатели.
       Добавка рапсового масла и керосина в соотношении 60%-70% привела к резкому снижению концентрации сажи и некоторому уменьшению температуры излучателя. При использовании топливной смеси концентрацией 60%-70% рапсового масла и керосина замечено некоторое увеличение эффективной мощности по некоторым частотам вращения коленчатого вала. Так при испытании двигателя, работающего на рапсовом масле, замечена тенденция к снижению содержания ОГ в выхлопных газах. Практически во всех режимах работы двигателя, содержание в выхлопных газах окиси углерода соответствует уровню Евро-3, несмотря на явно выраженный тренд на увеличение содержания СО в выхлопных газах по мере увеличения концентрации растительного масла в топливной смеси.

     Анализ влияния присадки рапсового масла и керосина на индикаторный КПД показывает, что вместе с интенсификацией процесса сгорания происходит увеличение полноты сгорания. Уменьшается конвективный и радиационный теплообмен, конвективный - за счет снижения температуры газов, радиационный - как следствие уменьшения концентрации сажи, температуры пламени. Все это способствует уменьшению составляющих не использования теплоты в цикле от несвоевременности и неполноты сгорания, теплообмена, изменения температуры и состава РТ, в результате индикаторный КПД несколько увеличивается.
      Результатом увеличения конвективного и уменьшения радиационного тепловых потоков является соответственное изменение суммарного коэффициента не использования теплоты от теплообмена, этот факт является одной из причин увеличения индикаторного КПД дизеля.

      Рапсовое масло. Обладает относительно высокой стойкостью к окислению. Содержание йода (IV) в нем ниже, чем 120 ед., оно удобно для использования в зимних условиях, а рапс дает большие урожаи. Поэтому значительные площади заняты именно этой культурой под сырье для биодизеля.

      Подсолнечное масло. В настоящее время урожаи подсолнечника ниже, чем урожаи рапса, однако он хорошо произрастает в странах с теплым и сухим климатом. Содержание йода (IV) в нем выше, чем 120 (согласно европейскому Стандарту EN 14214 его не должно быть более 120), поэтому его приходится смешивать с другими маслами, содержащими меньшее количество йода.

      Животные жиры и отходы пищевых жиров. Применение этого вида сырья в Европе определяется Стандартом EN 14241. Животные и пищевые жиры содержат повышенное количество полимеров, но они получили распространение в тех странах, где они довольно дешевы и обеспечивают достаточную доходность.

     Соевое масло. Оно получило широкое распространение в США и Аргентине. Масло сои имеет повышенное содержание йода (более 120), однако на него не распространяется действие европейского стандарта EN 14214, а американский стандарт D-6751-02 не содержит подобных ограничений.

      Пальмовое масло. Широко используется в Малайзии с 1987 г. для производства биодизеля. Из-за характерной для пальмового масла температуры снижения жидкотекучести при + 11°C его применение ограничено странами с теплым климатом (может использоваться в них только в смесях с другим сырьем).

      Другие источники. Потенциальные возможности использования других семян масличных культур в качестве сырья для получения биодизеля полностью еще не исследованы. Применение ореховых масел начато в Никарагуа, опыты по использованию хлопкового масла успешно проведены в Греции.

      Семена новых масличных культур. Для получения биодизеля с оптимизированными свойствами могут рассматриваться культуры: с минимальным содержанием полиненасыщенных жирных кислот типа линолевой кислоты (18:3); с максимальным содержанием мононепредельных жирных кислот, типа олеиновой кислоты (18:1), чтобы обеспечить хорошую стабильность в сочетании с удобством зимнего использования; с минимальным уровнем насыщаемых жирных кислот (16:0) и стеариновой кислоты (18:0) для удобства зимнего использования.

      Переэтерификация растительного масла была осуществлена E. Duffy и J. Patick в 1853 году, задолго до создания первого дизеля Рудольфом Дизелем в 1893 г. сам создатель дизеля не раз говорил о ценности растительного масла в качестве горючего для своего двигателя. однако предпочтение было отдано углеводородам.

     Для биодизеля Европейской организацией стандартов разработан стандарт EN14214. Кроме него существуют стандарты EN590 (или EN590:2000) и DIN 51606.
      Экологические аспекты применения и производства
      Биодизель, как показали опыты, при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99 % биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озёр.
     Сокращение выбросов СО2. При сгорании биодизеля выделяется ровно такое же количество углекислого газа, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьём для производства масла, за весь период его жизни. Биодизель в сравнении с обычным дизельным топливом почти не содержит серы. Это хорошо с точки зрения экологии.

     Высокая температура воспламенения. Точка воспламенения для биодизеля превышает 100 °С, что позволяет назвать биотопливо относительно безопасным веществом.
      Достоинства
• Хорошие смазочные характеристики. Минеральное дизтопливо при устранении из него сернистых соединений теряет свои смазочные способности. Биодизель, несмотря на значительно меньшее содержание серы, характеризуется хорошими смазочными свойствами, что продлевает срок жизни двигателя. Это вызвано его химическим составом и содержанием в нём кислорода. Например, грузовик из Германии попал в Книгу рекордов Гиннеса, проехав более 1,25 миллиона километров на биодизельном топливе со своим оригинальным двигателем.

• Более высокое Цетановое число
o Для минерального дизтоплива 42-45,
o Для биодизеля (метиловый эфир) не менее 51.
• Увеличение срока службы двигателя. При работе двигателя на биодизеле одновременно производится смазка его подвижных частей, в результате которой, как показывают испытания, достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60%. Важно отметить, что нет необходимости модернизировать двигатель.
• Высокая температура воспламенения. Точка воспламенения для биодизеля превышает 150°С, что делает биогорючее сравнительно безопасным веществом.

• Побочный продукт производства - глицерин, имеющий широкое применение в промышленности. Очищенный глицерин используют для производства технических моющих средств (например, мыла). После глубокой очистки получают фармакологический глицерин, тонна которого на рынке стоит порядка 1 тыс. евро. При добавлении фосфорной кислоты к глицерину можно получить фосфорные удобрения.
       Недостатки
• В холодное время года необходимо подогревать топливо, идущее из топливного бака в топливный насос, или применять смеси 20 % биодизеля и 80 % солярки марки В20.
• Долго не хранится (около 3 месяцев).

      Биодизель — топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации.

       Для получения биодизельного топлива используются растительные или животные жиры. Сырьём могут быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло, или любого другого масла-сырца, а также отходы пищевой промышленности. Разрабатываются также другие технологии производства биодизеля.
       Биодизель при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99 % биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озёр.

      Сокращение выбросов СО2. При сгорании биодизеля выделяется ровно такое же количество углекислого газа, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьём для производства масла, за весь период его жизни. Биодизель в сравнении с обычным дизельным топливом почти не содержит серы.

       Высокая температура воспламенения. Точка воспламенения для биодизеля превышает 100 градусов Цельсия, что позволяет назвать биогорючее относительно безопасным веществом.
Растительное масло является превосходным горючим. Расчеты, приведенные в таблице, показывают, что значения теплоты сгорания обычного дизельного топлива и растительного масла почти одинаковы.

     Получают растительные масла двумя способами: прессованием (методом от-жимания масла под высоким давлением) и экстрагированием (методом вытесне-ния масла из клеток семян химическими растворителями).

      В зависимости от способа очистки масла делят на нерафинированные, про-шедшие только механическую очистку, гидратированные, подвергнутые еще и гидратации, и рафинированные, прошедшие, кроме механической очистки и гидратации, нейтрализацию (недезодорированное) или нейтрализацию и дезодо-рацию (дезодорированное).

      Схемы фильтраций:

1. Фильтрация (пассивная фильтрация). 3-4% отходы.
2. Центробежная очистка масел. 5-6% отходы.
3. Химическая. В масло добавляют метиловый спирт+NaOH+подогрев до 500С. 10% отходы.
4. Отстой. До 20% отходов при длительности до 1 года.