В. Г. Семенов, А. А. Пясецкий

В последнее время проблема необходимости экономии топлива нефтяного происхождения транспортными двигателями внутреннего сгорания (ДВС) обрела особую актуальность. Одним из видов альтернативного топлива для дизельных ДВС является биодизельное топливо (БТ) из возобновляемых сырьевых ресурсов. Биодизельное топливо (биодизель) представляет собой метиловые (этиловые) эфиры жиров растительного и животного происхождения.

В статье анализируются образцы биодизеля, который применялся при работе дизеля СМД-64, используемого в качестве силовой установки комплекса по переработке древесных отходов на щепу (образец І), и при снятии нагрузочной характеристики одноцилиндрового дизеля TD 170F дизель-генераторной установки SD-2000E (образец II).

1. Для определения средней молярной массы Ммэ ср для рассматриваемых образцов І и ІІ биодизеля использовалась оригинальная методика. К примеру, средняя молярная масса образца I биодизеля определяется по формуле

МмэIср = СмэІ+ НмэІ+ ОмэІ,

где СмэІ, НмэІ, ОмэІ – сумма атомных масс углерода, водорода и кислорода, входящих в состав метиловых эфиров, соответственно (табл.1).

2. Определение массовых частей С, Н и О в составе молекулы биодизеля:

С = СмэІ/МмэІ;
Н = НмэІ/МмэІ;
О = ОмэІ/МмэІ;
С+Н+О=1.

3. Приближенная суммарная формула биодизеля имеет общий вид СnНmОk.
Формула для образца I биодизеля: С18,96Н35,4О2; формула для образца II биодизеля: С18,38Н35,01О2.

4.Расчет высшей Qв и низшей Qн теплоты сгорания:
QвІ= 34,013С + 125,6Н – 10,9О МДж/кг;
QнІ= Qв –2,512 (9Н + W) МДж/кг.
По Бертрану:
QвІ = 4,1868 (11380 ИЧ – 9,15*ЧО) МДж/кг;
QнІ=Qв – 2,512(9Н + W) МДж/кг.

5. Определение йодного числа ИЧ и числа омыления ЧО биодизеля:
ИЧ= Σni=1(254*D*Ai)/MWi, гІ2/100г, где D – количество двойных связей (1, 2 и 3);
Ai – процентное содержание ненасыщенных компонентов, %;
MWi – молярная масса компонентов, кмоль/кг. ЧО = Σni=1(560*Ai)/MWi, мгКОН/г.

6. Определение цетанового числа ЦЧ биодизеля
ЦЧ 1 = Σin=1 (ЦЧі Хі),
где Хі – процентное содержание метиловых эфиров соответственно жирных кислот (см. табл. 1), или ЦЧ 2 =46,3 + 5458/ЧО – 0,225 ИЧ, где ИЧ – йодное число, ЧО – число омыления.

На наш взгляд, более точное определение цетанового числа можно провести по нижеприведенной зависимости:
ЦЧ 3 = 61,1 + 0,088Х1 + 0,133Х2 + 0,152Х3 – 0,101Х4 – 0,039 Х5 – 0,243Х6 – 0,395Х7, где Х1, Х2, Х3, Х4, Х5, Х6, Х7 – процентное содержание метиловых эфиров соответственно жирных кислот С14:0, С16:0, С18:0, С16:1, С18:1,С18:2, С18:3 (см. табл. 1).

7. Оценка низкотемпературных характеристик дизельного топлива производится с помощью следующих показателей: температуры помутнения (ТП), предельной температуры фильтруемости (ПТФ), температуры застывания (ТЗ).
Общий вид уравнений для определения СР, СFРР и РР: а1*(С12:0) + а2*(С16:0) + а3*(С18:0) + а4*(С18:1) + а5*(С18:2) + а6*(С18:3) + а7*(С20:0) + а8*(С22:0) + а9*(С22:1).

Как отмечалось выше, йодное число ИЧ биодизеля является интегральным показателем его жирнокислотного состава, который оказывает влияние на экологические характеристики дизельных двигателей. В первом приближении, используя зависимости, приведенные в работе (Worgetter M., 2006), можно определить массу токсичных компонентов в отработанных газах дизельного двигателя типа HATZ 1D41 Z (диаметр и ход поршня соответственно 65 и 90 мм; n = 3000 мин-1; мощность 5,6 кВт; ge = 270 г/кВт*ч) при его работе на биодизельном топливе различного жирнокислотного состава.

1. Окись углерода СО = 0,0044ИЧ + 2,2084, г/кВт*ч.
2. Углеводороды Сn Нm = – 0,0006ИЧ + 0,7093, г/кВт*ч.
3. Окислы азота NOx = 0,0217ИЧ +10,066, г/кВт*ч.

Проведенное расчетное исследование позволяет заключить следующее:

Приведенная методика позволяет по данным хроматографии определить молярную массу, приближенную суммарную формулу образцов биодизеля и долей в них углерода, водорода и кислорода. Это, в свою очередь, позволяет определить высшую (низшую) теплоту сгорания биодизеля.

Приведенные зависимости позволяют определять цетановые числа образцов биодизеля, а затем по ЦЧ определять период задержки воспламенения, динамику тепловыделения в момент начала горения биодизеля в цилиндре дизеля.

Наличие в образце II биодизеля метилових эфиров насыщенных жирных кислот С16:0 и С18:0 (34,8 %) приводит к повышению уровня температур CP, CFPP, и PP, что требует применения в зимнее время года депрессорных присадок.

С увеличением йодного числа биодизеля в отработавших газах дизеля увеличивается количество оксида углерода СО и окислов азота NOx, количество углеводородов CnHm несколько снижается. Это, по-видимому, связано с наличием в образце I биодизеля большого количества (более 90 %) метиловых эфиров моно- и полиненасыщенных кислот.