для двигателя и окружающей среды.
НА НАУЧНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ конференции, которую «Белагросервис» проводил во время нынешней выставки «Белагро», было принято решение опубликовать часть докладов в «Вестнике «Белагросервиса», который выходит в «Белорусской ниве». Сегодня мы предлагаем краткое изложение одного из них — об особенностях эксплуатации дизельных двигателей при использовании биодизельного топлива. Этой темой Виктор ВОЙТОВ, доктор технических наук, профессор, проректор по научной работе Харьковского национального технического университета сельского хозяйства имени Петра Василенко занимается уже не один год. Дело в том, что Украина приняла национальную программу по развитию биотоплива и подписала Киотский протокол о сокращении выбросов вредных веществ в атмосферу. Своими наработками ученый поделился с участниками конференции.
Развитие агропромышленного комплекса формирует предпосылки экономического роста, интенсификацию конкурентоспособности национальной экономики и степень социальной обеспеченности населения. Важнейшим элементом инфраструктуры и неотъемлемым компонентом АПК является машинно-тракторный парк, обеспечивающий развитие ключевых отраслей экономики. Прогрессивность формирования аграрного сектора, активизация процессов интеграции к международным стандартам развития инженерно-транспортной инфраструктуры влечет неизбежный рост численности машин.
Однако данная неизбежная тенденция влечет и негативный аспект, связанный с интенсивным выбросом вредных веществ в атмосферу, загрязнением окружающей среды, нарушением экологического равновесия и нанесением ущерба окружающей среде.
Принимая превентивные меры, международное сообщество планомерно ужесточает требования к токсичности отработавших газов. Регламент выбросов предусмотрен европейским экологическим стандартом (Евро) и Киотским протоколом.
Вместе с тем, агропромышленный комплекс является одним из основных потребителей моторных топлив нефтяного происхождения, запасы которого ограничены. По данным экспертов ресурс нефти в промышленно развитых странах иссякнет в ближайшем будущем, что приведет к неминуемому повышению цен на минеральное топливо. Рост цен предусматривается и увеличением ставок акциза на дизельное топливо.
Биодизель (БД) – топливо дизельных двигателей, допускающее альтернативу минеральному нефтепродукту. Являясь конечным продуктом процесса этерификации (эфиризации) растительных масел и жиров спиртами, он представляет метиловые или этиловые эфиры, свойства которых близки к топливу нефтяного происхождения.
Большинство государств Евросоюза, США, Канада, Бразилия, Австралия активно развивают программу получения и использования БД из растительного сырья. Согласно директиве Европейского союза (ЕС) содержание БД в общем объеме содержимого нефтепродуктов должно составлять не менее 5%. До 2030 года ЕС планирует обеспечить 25% своих потребностей в горючем за счет чистых и эффективных видов биологического сырья.
Для производства топлива растительного происхождения в большинстве случаев применяют рапсовое и подсолнечное масло (Испания, Италия, Греция). Обладателем пальмой первенства в производстве БД является Германия, в которой насчитывается свыше тысячи АЗС по реализации данного вида топлива, потребление которого в данной стране составляет более чем 1 млн. тон в год.
С целью повышения эффективности использования ресурсов в процессе производства БД проведена технико-экономическая оценка себестоимости его изготовления из отмеченных выше сырьевых баз. Установлено, что начальные издержки производства находятся в прямой зависит от урожайности культур. При его среднем показателе расходы ранжируются по степени приоритетности в следующем виде – метиловые эфиры рапсового масла (МЭРМ), метиловые эфиры подсолнечного масла (МЭПМ) и метиловые эфиры соевого масла (МЭСМ). На сегодняшний день при средней урожайности, себестоимость самого выгодного МЭРМ равняется стоимости ДТ.
Обращение к последним публикациям показывает неоднозначность в приоритете использования того или иного типа растительного масла как сырья для альтернативного вида топлива и, следовательно, многосторонность получаемых результатов.
В качестве топлива используют рапсовое, подсолнечное и соевое масло, как в чистом виде, так и в смеси с ДТ.
При работе двигателя на маслах наблюдается уменьшение выбросов оксида углерода (CO) на 30…40%, несгоревших углеводородов (CHx) на 70…80% и повышение концентрации оксида азота (NOx) до 10…20%. Отмечено снижение дымности. Более низкая теплота сгорания масла приводит к повышению удельного эффективного расхода топлива на 10...25%. Однако из-за повышенного нагарообразования в камере сгорания и на распылителе форсунки, применение масел в качестве топлива ограничено.
Наиболее широкое распространение получили их производные в виде метиловых эфиров жирных кислот. Исследования дизеля на метиловом эфире сводятся к снижению дымности на 8...12%, понижению массовых выбросов твердых частей на 42%, увеличению расхода топлива до 10%. Концентрация выбросов CO и NOx при этом изменялась незначительно.
Как показывают исследования, параметры двигателя при их работе на разных видах БД находятся в широких приделах и зависят от конструкции дизеля.
С целью определения технико-эксплуатационных и экологических показателей дизеля были проведены стендовые испытания дизеля СМД-14Н согласно ГОСТ 18509-88. Двигатель устанавливался на электротормозной стенд СТЭ-28-ГОСНИТИ, предназначенный для обкатки и испытания тракторных и комбайновых силовых установок.
Испытания дизеля проводились на следующих видах топлива: ДТ (ДСТУ 3868-99); В5 (95% ДТ и 5% МЭРМ); В10 (90% ДТ и 10% МЭРМ); В20 (80% ДТ и 20% МЭРМ); В30 (70% ДТ и 30% МЭРМ); В50 (50% ДТ и 50% МЭРМ); В70 (30% ДТ и 70% МЭРМ); В100 (100% МЭРМ).
По результатам исследований оптимальный угол опережения впрыскивания топлива корректировке не подлежит.
В ходе испытаний установлено снижение эффективной мощность двигателя на 12% и одновременное увеличение удельного расхода топлива на 10...13% при использовании в качестве топлива В100 (100% МЭРМ). Применение смесевого состава топлива до значений, не превышающих 30% МЭРМ, изменяют мощность и удельный расход топлива незначительно. Величина этих изменений находится в пределах 3…5%.
Снижение эффективной мощности дизельного двигателя объясняется отличием низшей теплоты сгорания ДТ и БД.
Определения токсичности отработавших газов дизеля СМД-14Н проводилось с учетом таких параметров как дымность, содержание оксида углерода (СО) и оксида азота (NOx).
Оценка дымности отработавших газов выполнялась согласно ГОСТ 17.2.2.02-98 и ДСТУ 4276:2004 с помощью прибора «ИНА – 109». Перечисленные стандарты устанавливают показатели дымности и их предельно допустимые значения. В качестве критерия использован натуральный показатель ослабления светового потока К, м-1, который является величиной, обратной толщине слоя отработавших газов, проходя через которые, поток излучения от источника света дымомера уменьшается в е раз. Вторым показателем определен коэффициент ослабления светового потока в результате поглощения и рассеивания света отработавшими газами во время прохождения ими рабочей трубы дымомера N,%.
В результате испытаний установлено, что увеличение в смесевом составе доли биологического топлива приводит к снижению дымность отработавших газов для топлива В5 на 3%, В10 на 5%, В30 на 10%, В100 на 19%.
В то же время, согласно ГОСТ 24585-81, проводились измерения содержимого СО и NOx. с помощью прибора ОПТОГАЗ – 500.1С.
Как показали измерения, уменьшение СО является значительным и находится в пределах 30–40% на 100% МЭРМ. На выше указанных смесевых видах топлива уменьшения СО находится в пределах 10–20%.
Результаты измерения содержимого NOx неоднозначны. В зависимости от оборотов дизеля и приходящейся на него нагрузки зарегистрированы как уменьшение, так и увеличение содержания в отработавших газах оксида азота. Можно констатировать, что среднее значение NOx не изменяется по отношению к эталонному дизельному топливу.
В результате исследований установлено, что оптимальным типом биодизеля может быть смесевой состав, для зимней эксплуатации – не более 10% БД, остальные (90%) ДТ, для летней эксплуатации – не более 30% БД, остальные (70%) ДТ. При таком соотношении снижение эффективной мощности и увеличение удельного расхода топлива будет находиться в пределах 3…5% при существенном снижении содержимого загрязняющих веществ в отработавших газах.
ФИЛЬТР
В процессе летней эксплуатации дизельных двигателей на смесевом виде топлива В30, выявлено снижение сроков эксплуатации бумажных фильтров, обусловленное ухудшением процесса фильтрования топлива через фильтры тонкой очистки. Сроки замены фильтров на тракторах ХТЗ, МТЗ и грузовых автомобилях КАМАЗ при этом были сокращены в 2...3 раза.
В результате исследований установлено, что смесевые топлива и 100% МЭРМ имеют коэффициент фильтрации, значительно превышающий нормированный показатель, значение которого согласно ГОСТ 305-82 равняется 3. Так, для смесевого топлива В10 данный коэффициент равен 10, для В30 – 14, для В100 – 41. На основании полученных значений и зависимостей срок эксплуатации фильтров при использовании 100% МЭРМ уменьшается в 10 раз (до 100 моточасов), при использовании В30 и В10 в 5 раз (до 200...250 моточасов).
Причиной таких высоких значений коэффициента является наличие в МЭРМ фосфолипидов, восковидных веществ, мыла, глицерина, присутствие которых допускается нормами стандартов EN 14214:2003 и ДСТУ 6081:2009.
Для устранения обнаруженных недостатков проводилось отстаивание смесевых видов топлива в течение 25…200 часов с контролем коэффициента через каждых 25 часов. С увеличением времени отстаивания смесевых топлив наблюдался процесс агломерации (укрупнение) частиц примесей и их осаждения в виде желтоватого осада.
В конечном итоге, для эксплуатации фильтров тонкой очистки в пределах сроков, установленных руководством по эксплуатации (ТО-3), рекомендовано, после смешивания топлив осуществлять его отстаивание в течение 75…100 часов с последующим сливанием отстоя и выполнением предварительного фильтрования. Данная технология обеспечит снижение значения коэффициента фильтрации до 2, что будет удовлетворять всем требованиям эксплуатации.
ТОПЛИВНАЯ АППАРАТУРА
Биодизель, несмотря на практически полное отсутствие в нем серы, за счет своего химического состава и повышенного содержания кислорода владеет хорошими трибологическими характеристиками. Для оценки его смазочных свойств и определения степени влияния на ресурс и надежность топливной системы проведен ряд сравнительных лабораторных и стендовых испытание на износостойкость и надежность пар плунжеров топливных насосов высокого давления (ТНВД) и распылителей.
В результате противоизносные и противозадирные свойства МЭРМ (В100) на 20…45% превысили аналогичные свойства ДТ. Данный факт обусловлен присутствием в МЭРМ фосфолипидов, которые при повышении на поверхности трения температуры вступают во взаимодействие с металлом и образуют металлические мыла, выполняющие функции противоизносных и противозадирных присадок.
Такой экспериментальный факт дает основание предполагать об увеличении ресурса плунжерных пар ТНВД при их эксплуатации на МЭРМ или смесевых видов топлива В10 и В30. Для подтверждения предположения проведено физическое моделирование процесса изнашивания пары плунжера с целью определения ресурса в моточасах.
В результате, ресурс плунжерных пар ТНВД составил на дизельном топливе 2500 моточасов, В10 – 2800 моточасов, В30 – 3000 моточасов, В100 – 3500 моточасов. Как следует из полученных расчетных данных, при использовании БД ресурс увеличивается до 40%. Расчетные данные были подтверждены наблюдениями во время эксплуатации тракторов ХТЗ.
Во время полевых испытаний с использованием биологического топлива выявлено разбухание уплотнителей насосных секций, что приводит к попаданию топлива в картер насоса и вызывает выброс масла через сапун топливного насоса.
Во избежание подобного негатива необходимо через каждых 2000 моточасов наработки проверять герметичность уплотнений ТНВД согласно руководству по эксплуатации на двигатель.
Причиной разбухания является повышенное содержание в топливе остаточного метанола, доля которого не должна превышать 0,2%. Метанол, являясь мощным растворителем, вызывает не только разбухание резиновых деталей, но и оказывает агрессивное воздействие на отложения в топливном баке, что приводит к сокращению сроков службы фильтров очистки топлива.
Выявить повышенное содержание метанола можно путем анализа температуры вспышки топлива в закрытом тигле. Стандартом допускается температура вспышки МЭРМ в закрытом тигле не ниже 120°С. При наличии в БД остаточного метанол, температура вспышки снижается и может достигать отметки в 70°С. В данном случае топливо не допускается к эксплуатации и подлежит выбраковыванию.
Эксплуатационными исследованиями в аграрных хозяйствах установлено повышенное закоксовывание распылителей форсунок при их работе на БД, что приводит к повышению расхода топлива, снижению эффективной мощности, ухудшению пусковых свойств и экологических показателей.
Для обеспечения эффективной эксплуатации дизелей на смесевых видах топлива необходимо сократить сроки технического обслуживания распылителей форсунок до 900 моточасов при использовании В10 и 750 моточасов при использовании В30.
МАСЛА
В процессе проведения полевых испытания тракторов ХТЗ 150 К-03 с двигателем СМД-62, ХТЗ 150 К-09 с двигателем ЯМЗ-236, МТЗ 80/82 с двигателем Д-242; и грузовых автомобилей КАМАЗ-5320 с двигателем КАМАЗ-740 рассмотрено влияние содержания в топливе серы на эксплуатационные свойства масла и сроки его замены, что отвечает наработке в 500 моточасов (ТО2).
В основу определения сроков замены положено не только свойство масла, но и качество топлива, использующееся во время эксплуатации. Поскольку в процессе сгорания, находящаяся в топливе сера образует сернистые соединения, что вызывает коррозию гильз цилиндров и поршневых колец, то к механическому изнашиванию добавляется коррозионное, значительно сокращающее ресурс цилиндро-поршневой группы дизеля. В результате использования дизельного топлива с содержимым серы более 0,2% требуется сокращение сроков замены моторного масла вдвое, то есть до 250 моточасов. Многочисленные исследования показали, что при увеличении содержимого серы в топливе с 0,2% к 0,5% износ двигателя увеличивается приблизительно на 25%. Согласно ДСТУ 6081:2009 содержание серы в БД не должно превышать 0,001%, что дает основание утверждать о ее практическом отсутствии. При использовании БД или смесевых видов топлива содержимое серы снижается, что позволит скорректировать сроки замены моторных масел в сторону их увеличения. Так, при использовании В10 время до замены составляет 625 моточасов, В30 – 1000 моточасов.
Такие сроки эксплуатации моторного масла применимы только при условии контроля его вязкости через каждых 250 моточасов. При снижении данного показателя более чем на 10% моторное масло подлежит замене, поскольку дальнейшее снижение вязкости приведет к потере гидродинамического режима смазки в трибосистемах дизеля.
В.А.ВОЙТОВ, доктор технических наук
Н.В.КАРНАУХ, инженер
