Микола МАКАРЕНКО, доцент кафедри «Трактори і автомобілі»
Перспективи застосування двигунів внутрішнього згоряння тісно пов’язані з вирішенням ряду проблем щодо заміни нафтових палив альтернативними та зменшенням забруднення навколишнього середовища.
Так звані біопалива включають етанол, метанол, диметиловий ефір, біогаз, біодизельне паливо, рослинні олії. Орієнтуватись слід насамперед на етилові ефіри рослинних олій як на найбільш перспективні види палива біологічного походження. Тому що виробництво етанолу з сільськогосподарських поновлюваних ресурсів забезпечує повну незалежність від спиртів на основі нафти.
Для тягово-транспортних машин на сучасному етапі найбільш перспективне біодизельне паливо, що є продуктом переетерефікації рослинних олій і сумішшю метилових або етилових жирних кислот. Воно може використовуватися у чистому вигляді або як суміш зі звичайним дизельним паливом у різних пропорціях. Сировиною для нього служать рослинні олії (ріпакова, соєва, соняшникова, кукурудзяна тощо), метанол та етанол.
По своїй структурі рослинні олії мало чим відрізняються одна від одної і розрізняються тільки вмістом вуглецю і рівнем насиченості жирних кислот. Олії мають близький до дизельного палива вуглецевоводневий склад і лише трохи поступаються йому по теплотворній спроможності, тому можуть досить ефективно застосовуватись у дизелях.
Зміна показників експлуатації
Оцінка основних експлуатаційно-технологічних показників проводилася для МТА у складі трактор МТЗ-80 + культиватор КОЗР-5,4 при роботі на різних видах палива та з урахуванням зміни потужності двигуна трактора внаслідок коксування соплових отворів розпилювачів форсунок дизеля. Експлуатаційно-технологічні випробування проводилися на культивації у технологічному процесі вирощування цукрових буряків.
Результати оброблялись згідно з вимогами ГОСТ 24055-88.
Таблиця 1. Техніко-економічні показники машинно-тракторного агрегату в складі трактора МТЗ-80 та культиватора КОЗР-5,4
Аналізуючи отримані результати, можемо зазначити, що при використанні альтернативного палива за обраним, у результаті теоретичних досліджень, режимом швидкість руху і продуктивність не змінились, а витрата палива збільшилася на 1,5%. Завдяки використанню біодизельного палива вдалося завантажити двигун трактора на 78 %. При більш низькій ціні на біодизельне паливо досягнутий ефект зниження вартості виконання технологічного процесу на гектар виконаної роботи на 8,7%.
З висновків експлуатаційно-технологічних випробувань твердження, що біодизельне паливо доцільно застосовувати на технологічних операціях із недозавантаженістю двигуна, підтверджується. Використовуючи розрахунки та експериментальні дані, отримано рекомендації щодо раціонального співвідношення ДП та етилового ефіру ріпакової олії ЕЕРО в складі БП для виконання різних технологічних операцій.
Таблиця 2. Раціональне співвідношення ДП та ЕЕРО в складі біопалива для виконання різних технологічних операцій
Також для кожної конкретної суміші наведені рекомендації про періодичність технічного обслуговування.
Таблиця 3. Потрібна періодичність проведення ТО
Зниження потужності? Незначне
Перспективним напрямом у використанні рослинних олій як моторне паливо в багатьох країнах Європи визначено застосування метилового та етилового ефіру ріпакової олії. Якщо характеристики чистої олії та суміші олії із дизельним паливом суттєво відрізняються від показників дизельного палива, то ріпакові ефіри мають характеристики, подібні до дизельного палива і можуть застосовуватись на двигунах без додаткових змін у конструкції.
У Науково-дослідному автомобільному та автомоторному інституті (Москва) був проведений аналіз ефективності застосування нафтових та біопалив в дизелях у повному життєвому циклі. При цьому було встановлено, що застосування біодизельного палива є ефективним засобом зниження витрат мінерального палива, а також в цілому дозволяє зменшити витрати на повний життєвий цикл дизельних двигунів з урахуванням витрат на паливно-мастильні матеріали.
Застосування біодизельного палива в порівнянні з нафтовим дизельним у повному життєвому циклі дозволяє знизити витрати природних ресурсів на 55-65%; зменшити викиди парникових газів в 3,4-4,6 разів; знизити шкоду навколишньому середовищу на 15-16%; зменшити витрати з урахуванням екологічних збитків на 40%.
Обґрунтований найбільш оптимальний склад біодизельного палива, який не перевищує 70% дизельного палива та 30% метилових ефірів ріпакової, соняшникової чи соєвої олій. При таких сумішах зниження ефективної потужності та збільшення питомої витрати палива знаходитиметься у межах 3…5%, що суттєво не вплине на зміну техніко-економічних показників роботи МТА, при цьому зниження вмісту забруднюючих речовин у відпрацьованих газах становитиме: димність – близько 10%; СО2 - до 30%. Виконані дослідження показали, що при використанні як альтернативного палива 100% метилового ефіру ріпакової олії (МЕРО) ефективна потужність двигуна зменшується на 12%, при одночасному збільшенні питомої витрати палива на 10…13%.
Зниження ефективної потужності дизельного двигуна можна пояснити величинами енергетичних характеристик дизельного та біодизельного палива.
Як випливає із даних, наведених у звітах наукових досліджень, найменша мінімальна витрата палива має місце при випробуванні на чистому ДП, найбільша - при випробуванні на чистому МЕРО. Витрата палива при випробуванні дизеля на сумішах дизельного палива і МЕРО в різних пропорціях займає проміжне значення. Так, збільшення питомої витрати палива на суміші 95% ДП і 5% МЕРО становить 2%, на суміші 90% ДП і 10% МЕРО – 4%, на суміші 80% ДП і 20% МЕРО – 6%, на суміші 70% ДП і 30% МЕРО - 9%.
Отже, виходячи з результатів випробувань, можна зробити висновок: використання МЕРО як палива доцільно як суміш із дизельним паливом у пропорції до 10...15% з попереднім підігріванням палива до температури приблизно 700С.
Застосування дизельного палива в суміші з етиловими ефірами рослинних олій дозволить знизити у паливі вміст сірки і поліпшити його змащувальні властивості. Заміна метилового спирту, який є сильною отрутою, виключає можливість отруєння його парами.
В Українському науково-дослідному інституті олій та жирів УААН (Харків) розроблено технологію, що використовує як каталізатор замість лугу алкілбензолсуль-фокислоту (АБСК), що забезпечує зниження собівартості продукції. Менш виражена агресивність етанолу до гумових ущільнень нівелює збиток від її побічного ефекту і дозволить підвищити допустимий вміст залишкового етанолу з 0,2 до 5 %. Отримані характеристики етилових ефірів ріпакової, соняшникової і соєвої олії задовольняють встановленим вимогам. При цьому собівартість біодизельного палива може бути меншою, ніж дизельного палива, що робить його використання для транспортно-технологічних засобів доцільним з економічної точки зору.
Проте деякі вчені відзначають, що для забезпечення техніко-економічних показників роботи дизелів, близьких до показників на чистому дизельному паливі, слід провести удосконалення параметрів паливної апаратури. При цьому удосконалення може йти двома шляхами: створення такої апаратури, яка б відповідала вимогам багатопаливного двигуна або створення паливної апаратури, пристосованої для роботи тільки на біодизельному паливі. Зробити висновок про термін служби елементів паливної апаратури до технічного обслуговування можна лише після тривалих експлуатаційних випробувань.
Недостатньо досліджене питання надійності роботи двигунів, зокрема, їх паливних систем при використанні біологічних палив. Як показує проведений аналіз досліджень за цим питанням, більше всього розбіжностей у висновках авторів точиться навколо коксування соплових отворів розпилювачів форсунок. Тому доцільне проведення досліджень, що дадуть можливість відповісти на це питання й уточнити терміни використання розпилювачів форсунок до технічного обслуговування при роботі двигуна на паливах біологічного походження.
Професор Віктор Войтов (ХНТУСГ ім. П. Василенка) за результатами проведених досліджень використання біопалива вказує на необхідність скорочення строків технічного обслуговування розпилювачів форсунок внаслідок коксування. Крім того, звертається увага на більш швидкий вихід з ладу фільтрувальних елементів паливних фільтрів тонкої очистки. Однак натомість відмічається позитивний вплив використання альтернативних видів палива на роботу паливного насосу. Пропонується навіть при роботі на ефірах рослинних олій подовжити термін його експлуатації до чергового технічного обслуговування.
Відсоток співвідношення палив
Для виконання сільськогосподарської операції МТА викликає багато труднощів навіть при використанні багатопараметрових тягових характеристик. Якщо підбирати суміш в діапазоні зміни частки біопалива від 0 до 100 %, використовуючи багатопараметрові тягові характеристики, для 10 сумішей зі збільшенням частки біопалива на 10% в кожній, то для вибору оптимального режиму МТА треба проаналізувати, за умови роботи на чотирьох передачах, 44 багатопараметрові тягові характеристики. Це великий обсяг роботи, в той час будь-яке спрощення аналізу чи то зменшення кількості проаналізованих сумішей, чи відмова від розгляду всіх можливих передач трансмісії призведуть до погіршення результату. Та й таку оптимізацію можна назвати лише частковою, бо багато режимів не будуть розглянуті. Для спрощення аналізу багатопараметрових тягових характеристик можна застосувати графік, побудований на основі багатопараметрових характеристик. Він дозволяє швидко виключити неможливі режими роботи МТА і, як наслідок, суттєво скоротити межі проведення аналізу.
Раціональне співвідношення БП і ДП визначалося на стенді СТЕ-28-ГОСНИТИ при випробувані двигуна Д-240 трактора МТЗ-80. Основним завданням було підтвердити, що при недовантаженнях двигуна питома витрата палива збільшується не суттєво, та визначити як швидкісний режим двигуна впливає на зміни ефективної потужності та питомої витрати палива при використанні біодизельного палива. Як еталонна для подальших порівнянь була отримана регуляторна характеристика двигуна при роботі на номінальному режимі роботи (згідно ТУ) та дизельному паливі. При використанні суміші дизельного палива 70% + етиловий ефір ріпакової олії 30%, як і передбачалося, зменшується номінальна потужність та зростає питома витрата палива. Цей факт досить просто пояснюється тим, що етиловий ефір ріпакової олії має нижчу, в порівнянні з дизельним паливом теплоту згоряння. Встановлено, що при використанні чистого ЕЕРО потужність та питома витрата палива погіршуються пропорційно до збільшення часки ЕЕРО в суміші.
Для отримання раціонального співвідношення палив у суміші треба також отримати характеристики роботи двигуна на часткових швидкісних режимах.
В цілому, проаналізувавши отримані результати, можна стверджувати, що тенденції до зменшення ефективної потужності та збільшення питомої витрати палива зберігаються на всіх проаналізованих швидкісних режимах і суттєво не відрізняються: для всіх сумішей, у яких частка ЕЕРО була не перевищувала 30 %, спостерігається зменшення ефективної потужності на 3,5-4,3 % та збільшення питомої витрати палива на 4-5,2%; при подальшому збільшенні кількості ЕЕРО в суміші ці параметри погіршуються. Для 100% ЕЕРО ефективна потужність зменшується на 11,3%, а питома витрата палива зростає на близько до 12%.
При виборі раціонального співвідношення альтернативного та дизельного палива, опираючись на ГОСТ 18509-88, можна стверджувати, що за межі допустимого погіршення показників потужності дизеля не виходять сумішеві палива з вмістом альтернативного палива до 30%.
Та слід також зважати, що якщо двигун працює не на номінальній потужності, а є недовантаженим, то згідно з результатами випробувань майже при всіх співвідношеннях та режимах роботи потужність та питома витрата палива погіршуються не більш ніж на 1-3%. При суттєвому недовантаженні двигуна на 60% та більше можна виконувати сільськогосподарські операції на суміші палива, частка альтернативного в якому коливається від 5 до 100% без суттєвого погіршення продуктивності.
Рекомендована періодичність технічного обслуговування розпилювачів форсунок двигуна при використанні біодизельного палива: 925 мотогодин (90 % ДТ + 10% ЕЕРО); 865 мотогодин (80% ДТ + 20% ЕЕРО); 785 мотогодин (70 % ДТ + 30% ЕЕРО); 330 мотогодин (100% ЕЕРО).
За результатами польових випробувань сумішевого палива (ДП 80% + ЕЕРО 20%) встановлено, що витрата палива при максимальній гаковій потужності збільшується на 8,5-9,5% для сумішевого палива відносно ДП. Але при роботі на режимах, коли двигун не працює на максимальній потужності, а є недовантаженим, отримуємо передбачені в теоретичних дослідженнях результати: питома витрата для сумішевого палива зростає на 1,5-3%; в той час, як гакова потужність і дійсна швидкість зменшуються не більш як на 1,5-2%.
В результаті досліджень обґрунтоване раціональне співвідношення по ефективності експлуатації ДП і БП, яке для МТА на базі універсально-просапних тракторів при виконанні енергоємних технологічних процесів (оранка, суцільна культивація і т. д.) не повинно перевищувати 30 % ЕЕРО в суміші; на малоенергоємних технологічних процесах (сівба, міжрядна обробка тощо) частка ЕЕРО може коливатися у межах від 5 до 100 %.
