Статья: Альтернативное топливо для автотранспорта Нигерии на основе пальмового масла

Альтернативное топливо для автотранспорта Нигерии на основе пальмового масла

П.П. Ощепков, Симеон Адедожа Адегбенро

Российский университет дружбы народов ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198

В работе представлены результаты анализа применения растительных масел в качестве топлива для дизельных двигателей. Рассмотрена возможность использования пальмового масла как альтернативного топлива. Приводятся физико-химические свойства растительных масел и требования к дизельному топливу. Исследуется изменение физико-химических параметров смесевого топлива. Предлагается использовать в качестве биологической добавки к дизельному топливу пальмовое масло, в качестве реагента -- органическую перекись. Представлены результаты анализа процесса смесеобразования с учетом отличия физических свойств пальмового масла от характеристик дизельного топлива. Анализ проведен на основе математического исследования. Изучено влияние физических свойств (плотность, динамическая вязкость, поверхностное натяжение) пальмового масла на характеристики смесеобразования. Было получено изменение плотности пальмового масла, более высокое значение поверхностного натяжения, динамической вязкости. Установлено, что вследствие повышенных показателей плотности, поверхностного натяжения и вязкости для пальмового масла средний диаметр капель увеличивается, что должно отразиться на возрастании не только периода задержки воспламенения, но и его температурной чувствительности к процессу воспламенения. При этом угол рассеивания (раскрытия) топливной струи и ее боковая поверхность уменьшаются. Сделан вывод, что становится очевидным, что для сохранения эффективности рабочего цикла дизеля при переводе его на питание пальмовым маслом, необходимо предусмотреть ряд радикальных мер по внесению серьезных изменений в его конструкцию и систему топливо- подачи. Предлагается использовать пальмовое масло в качестве добавки к дизельному топливу и перекись водорода, как химический окислитель.

Ключевые слова: дизельный двигатель, растительные масла, пальмовое масло, двухкомпонентные топлива, смесевое топливо, химический реагент, органическая перекись

PALM OIL AS ALTERNATIVE FUEL FOR AUTO-TRANSPORT IN NIGERIA

P.P. Oshchepkov, Simeon Adedoja Adegbenro

Peoples' Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198

The paper presents the results of the analysis on using vegetable oils as fuel for diesel engines. Possibility of using palm oil as alternative fuel is considered. Physicochemical properties of plant oil and the requirements for diesel fuel are given. Changes in physicochemical parameters of composite fuel are investigated. Palm oil is proposed to be used as a biological additive to diesel fuel and organic peroxide -- as a reagent. The results of mixing process analysis, taking into account the differences between physical properties of palm oil and diesel fuel characteristics, are presented. The analysis was based on mathematical investigation. The effect of physical properties (density, dynamic viscosity, surface tension) of palm oil on the characteristics of mixing process has been examined. Changes in palm oil density, higher values of surface tension and dynamic viscosity have been observed. It was established that with increased density, surface tension and viscosity of palm oil, the average diameter of the drops increases, which should increase not only the ignition delay period, but also temperature sensitivity to the ignition process. With that the fuel jet dispersion angle and side surface decrease. A conclusion was made that in order to maintain the effectiveness of the diesel engine working cycle when switching to palm oil fuel, there is an obvious need for radical measures to substantially change its structure and fuel feed system. Palm oil is proposed to be used as an additive to diesel fuel and organic peroxide -- as a reagent.

Key words: Diesel engine, plant oil, palm oil, two-component fuel, composite fuel, chemical reagent, organic peroxide

Существенный вклад в загрязнении атмосферы промышленно развитых городов Нигерии вредными веществами и в невосполнимое потребление традиционного топлива на органической основе вносят мобильные средства с дизельными приборами. Экономия нефтяного топлива и защита от загрязнений окружающей среды обусловливают необходимость поиска альтернативных мер по совершенствованию эколого-экономических качеств двигателей транспортных средств.

В рамках поиска таких мер в последнее время все более широкое распространение получает развитие исследований [1--4] по замене традиционного топлива на биологические виды топлива, в частности, на основе растительных масел.

Из всех имеющихся в распоряжении человечества «солнечных энергетических источников» наиболее эффективно масличное растение. Оно на биологическом уровне эффективно решает проблему аккумулирования энергии Солнца в содержащих масло плодах. В энергетический оборот могут быть вовлечены многие виды масличных культур. В африканских странах с жарким климатом к таким культурам в первую очередь следует отнести пальму. В отличие от нефтепродуктов, растительное (пальмовое) масло не токсично, не имеет неприятного запаха, не содержит сернистых соединений, являющихся причиной кислотных дождей.

В химический состав пальмового масла входят жирные кислоты, которые представляют собой высокомолекулярное кислородсодержащее соединение с углеводородным основанием. Поэтому пальмовое масло, как и множество других растительных масел, может полностью растворяться в традиционных нефтяных моторных топливах [5].

Таблица 1. Физико-химические свойства растительных масел

Примечание: Знак «--» означает, что свойства не определялись.

Низкая испаряемость и высокая вязкость пальмового масла исключают его использование в традиционных бензиновых двигателях. Но оно может успешно применяться в качестве топлива для дизельных двигателей. Этому способствуют сравнительно невысокая термическая стабильность пальмового масла и приемлемая температура его самовоспламенения, лишь немного превышающая температуру самовоспламенения дизельных топлив (табл. 2) [6].

двигатель пальмовый масло транспортный

Таблица 2. Требования к топливу

С точки зрения возможностей использования в транспортных дизелях топлива на основе пальмового масла, положительным фактором служит то, что оно в сравнении с другими альтернативными энергоносителями обладает химмотологическими свойствами (теплота сгорания, стехиометрическое соотношение, цетановое число и др.), которые по основным эксплуатационным требованиям близки к традиционному (дизельному) топливу (табл. 2). Тем не менее, по ряду физических свойств пальмовое масло имеет ряд отличий от нефтяного топлива, что может оказать негативное влияние на эффективные и экологические показатели двигателя.

В этих условиях становится очевидной необходимость в принятии специальных мер, которые позволили бы в наибольшей степени приблизить моторные свойства пальмового масла к стандартным свойствам дизельного топлива.

В качестве одной из таких мер является использование двухкомпонентных топлив [7], состоящих из смеси дизельного топлива и пальмового масла. При варьировании составом такого топлива возможно достижение наиболее приемлемых его физико-химических свойств.

Для выработки средств и метода совершенствования показателей работы дизеля на добавках пальмового масла появляется необходимость в предварительном изучении проблемных вопросов, связанных с использование данного вида топлива с новыми физико-химическими свойствами, для разработки адекватных средств и метода их решения. Одним из ключевых вопросов стоит проблема качества смесеобразования и ее влияние на процесс сгорания.

Анализ процесса смесеобразования с учетом отличия физических свойств пальмового масла от характеристик дизельного топлива проводился на основе математического исследования. При этом имелось в виду, что большинство из математических методов исследования параметров смесеобразования основаны на использовании критериальных зависимостей, которые обладают наибольшей универсальностью (общностью), и поэтому повсеместно применяются в современной исследовательской практике. В этих зависимостях присутствуют такие физические параметры топлива как плотность топлива рт, динамическая вязкость и поверхностное натяжение от, которые в основном и обусловливают принципиальные отличия пальмового масла от углеводородного дизельного топлива.

Анализируя математическую структуру используемых критериальных зависимостей, априори можно отметить, что при неизменных режимных, конструктивных и регулировочных параметрах двигателя характеристики впрыскивания и распыливания для дизельного топлива (дальнобойность /т и угол раскрытия топливной струи ут, мелкость распыливания ) могут претерпевать существенные изменения в случае применения пальмового масла.

Для расчета показателей качества распыленного топлива были использованы следующие основные критерии:

-- критерий Вебера, характеризующий соотношение сил поверхностного натяжения и инерции:

где U0 -- средняя скорость за время впрыскивания цикловой порции топлива, м/с; dс -- диаметр распыливающего отверстия форсунки, м; --критерий М, характеризующий соотношение сил поверхностного натяжения, инерциии вязкости:

С использованием этих критериев авторами проведено предварительное математическое изучение (с применением программного комплекса MathCAD) влияния физических свойств биологического топлива на характеристики смесеобразования. При этом в качестве базовых были использованы известные показатели физических свойств (плотности, динамической вязкости, поверхностного натяжения) пальмового масла. Было получено: изменение (в сторону увеличения) плотности пальмового масла (М) относительно дизельного топлива, что практически не влияет на границу между начальным и основным участками развития струи (показатель степени --0,05). Более высокое значение поверхностного натяжения для биологического топлива без изменения прочих условий распыла приводит к приближению к распылителю границы участков. Основной фактор, влияющий на расположение границы между участками, -- значение динамической вязкости топлива, так как оно для дизельного топлива и пальмового масла (биотоплива) отличается практически в 2 раза.

Установлено, что вследствие повышенных показателей плотности, поверхностного натяжения и вязкости для пальмового масла средний диаметр капель увеличивается (по сравнению с дизельным топливом), что должно отразиться на возрастании не только периода задержки воспламенения, но и его температурной чувствительности к процессу воспламенения. При этом угол рассеивания (раскрытия) топливной струи и ее боковая поверхность уменьшаются, что приведет к снижению количества испарившегося топлива за период задержки воспламенения. Более высокие значения плотности и динамической вязкости пальмового масла приводят к возрастанию дальнобойности топливной струи, увеличению доли менее активного пленочного смесеобразования и более медленному изменению давления в цилиндре двигателя в фазе диффузионного сгорания, что сказывается на увеличении длительности процесса сгорания в цикле и соответствующем снижении его эффективности.

Из приведенных данных становится очевидным, что для сохранения эффективности рабочего цикла дизеля при переводе его на питание пальмовым маслом, на уровне исходного варианта (работа на дизельном топливе) необходимо предусмотреть ряд радикальных мер по внесению серьезных изменений в его конструкцию и систему топливоподачи. Все эти меры, очевидно, сопряженные с большими финансовыми и техническими затратами.