Comparative analysis of the physicochemical and operational properties of biogasoline and petroleum diesel fuel

Full Text

Введение. Нефтяное моторное топливо, поставляемое в аграрный сектор экономики в России, служит основой для работы мобильной сельскохозяйственной (с.-х.) техники (тракторов, автомобилей, зерноуборочных и кормоуборочных комбайнов и др.). Без топлива невозможна вспашка, посев, обработка посевов, уборка и вывоз урожая на элеватор. Поэтому надёжность поставки топлива аграриям в требуемых объёмах, надлежащего качества и ассортимента, напрямую влияют на урожайность посевов, сроки уборки урожаев и в конечном итоге на рентабельность всего агропромышленного производства.

Большинство мобильной с.-х. техники оснащено дизельными двигателями, которая работает в различных природно-климатических зонах страны. Поэтому для аграриев важно заранее перевести технику с работы с одного сорта нефтяного дизельного топлива (НДТ) на другой, например, с летнего НДТ на межсезонное или зимнее НДТ. Летнее НДТ застывает уже при минус 5°C, из-за чего дизельная техника на таком топливе работает не эффективно и с повышенным износом деталей двигателя, особенно утром и после первых ночных похолоданий из-за затрудненного пуска дизеля. Межсезонное НДТ обеспечивает эффективную работу с.-х. техники при температурах воздуха до минус 15°C, а зимнее НДТ – до минус 32°C. Более 60% территории России относится к землям с холодным и суровым климатом. Поэтому для эффективной эксплуатации мобильной с.-х. дизельной техники возникает важная научно-практическая проблема, заключающаяся в разработке такого всесезонного моторного топлива для дизелей, которое бы по своим физико-химическим и эксплуатационным свойствам не только соответствовало стандартному НДТ, но и превосходило его по смазочной способности и низкотемпературным свойствам. Причём компонентами такого моторного топлива являлись бы продукты, выпускаемые промышленностью страны в больших объёмах. Таким альтернативным дизельным топливом является моторное топливо, компонентами которого служат нефтяное топливо и возобновляемое растительное масло
[1-11].

Перспективным направлением для получения альтернативного моторного топлива, близкого по физическим, теплотворным, смазывающим и низкотемпературным свойствам к НДТ, является биобензин, приготовленный на основе авиационного бензина с добавлением к нему рыжикового масла.

Цель исследований – обосновать компонентный и долевой состав биобензина для дизельных двигателей по показателям физико-химических и эксплуатационных свойств.

Задачи исследований – экспериментально определить показатели физико-химических и эксплуатационных свойств биобензина, сравнить их с аналогичными показателями нефтяного дизельного топлива и рекомендовать компонентный и долевой состав биобензина для дизельных двигателей.

Материал и методы исследований. Для подтверждения возможности практического применения биобензина в качестве альтернативного нефтяного дизельного топлива в качестве объекта исследований были приняты следующие образцы моторных топлив (рис.1):

1. товарное летнее дизельное топливо ДТ-Л-К5 по ГОСТ 32511–2013;
2. товарное зимнее дизельное топливо ДТ-З-К5 по ГОСТ 32511–2013;
3. биобензин Avgas 100LL+РыжМ на основе авиационного бензина Avgas 100LL с добавлением рыжикового масла (РыжМ) в объеме 40, 50 и 60% [12].

 

Рис. 1. Исследуемые образцы моторных топлив

 

Основные показатели физико-химических и эксплуатационных свойств (плотность, кинематическую вязкость, скорректированный диаметр пятна износа, массовую долю воды и серы, низшую теплоту сгорания, температуру фильтруемости и застывания, содержание полициклических ароматических углеводородов, общее загрязнение) исследуемых образцов моторных топлив определяли по стандартным методикам с использованием приборов, приведенных в таблице 1.

 

Таблица 1

Приборы для определения показателей физико-химических и эксплуатационных свойств, исследуемых образцов моторных топлив

Показатель	Прибор
Плотность	Плотномер DA-640
Кинематическая вязкость	Анализатор вязкости HVM 472
Скорректированный диаметр пятна износа	Аппарат HFRR для оценки смазывающей способности
Массовая доля воды	Автоматический кулонометрический титратор влаги по методу Карла Фишера С20
Низшая теплота сгорания	Калориметрическая бомба IKA С6000
Содержание полициклических ароматических углеводородов	Жидкостный хроматограф «Хроматэк-Кристалл ВЭЖК 2014» (рис.2)
Температура фильтруемости	Прибор АТЗ-70-ПХП для определения низкотемпературных характеристик нефтепродуктов (рис.3)
Температура застывания	Прибор АТЗ-70-ПХП для определения низкотемпературных характеристик нефтепродуктов (рис. 3)
Массовая доля серы	Рентгеновский флуоресцентный волнодисперсионный анализатор серы «CПЕКТРОСКАН SW-D3» (рис. 4)
Общее загрязнение	Установка для фильтрования на мембранном фильтре (рис. 5)

 

Рис. 2. Хроматограф «Хроматэк-Кристалл ВЭЖК 2014»

 

Рис. 3. Прибор АТЗ-70-ПХП для определения низкотемпературных характеристик нефтепродуктов

 

Рис. 4. Анализатор серы «CПЕКТРОСКАН SW-D3»

 

Рис. 5. Установка для фильтрования на мембранном фильтре

 

Результаты исследований. Выбор рыжикового масла в качестве компонента и добавки биобензина обусловлен его преимуществами перед другими растительными маслами. В таблице 2 приведены основные сведения по технологическим и физико-химическим свойствам малоэрукового рыжикового масла в сравнении с растительными маслами, производимыми в России.

 

Таблица 2

Показатели технологических свойств масличных культур и показатели физико-химических и теплотворных свойств растительных масел

Показатели	Рыжик	Рапс	Сурепица	Горчица белая	Соя
Урожайность, т/га	1,5-2,0	1,4-3,3	1,4-2,2	1,3-1,8	2,2-3,0
Масличность, %	35-41	40-48	39-45	33-38	28-37
Кинематическая вязкость масла при 20 ºС, мм2/с	51,6	75,1	77,2	68,7	57,5
Динамическая вязкость масла при 20 ºС, Па.с	56,2	66,3	76,8	60,4	56,4
Плотность масла, кг/м3	920	916	930	918	918
Коэффициент (индекс) преломления масла при 20 ºС	1,475-1,478	1,472-1,476	1,471-1,472	1,470-1,474	1,474-1,478
Температура застывания масла, ºС	-23	от 0 до -10	-8	от -8 до -16	от -10 до -18
Йодное число масла, % йода	133-155	95-118	105-122	79-115	120-141
Число омыления масла, мг/КОН	181-193	172-175	173-181	170-183	188-195
Кислотное число масла, мг КОН/г	0,2-13,2	0,1-11,0	*	0,06-8,5	0-5,7

* - нет данных

 

Рыжиковое масло обладает наименьшей кинематической вязкостью (51,6 мм²/с) и температурой застывания (минус 23 ºС). Высокий индекс преломления рыжикового масла (1,475-1,478) свидетельствует об его насыщенности кислородными соединениями (табл. 2). Йодное число указывает на склонность масла к испарению и окислению. Наибольшей склонностью к испарению обладает рыжиковое масло (йодное число – 133-155 % йода), наименьшей масло из горчицы белой (79-115 % йода). Чем ниже число омыления, тем больше в составе масла высших жирных кислот (ВЖК) с большей молекулярной массой. Наименьшим числом омыления обладают масло рапса (172-175 мг/КОН), а наибольшим – рыжиковое и соевое масла (181-195 мг/КОН).

В таблице 3 представлены результаты хроматографического анализа малоэрукового рыжикового масла.

 

Таблица 3

Химические формулы и процентное содержание высших жирных кислот в натуральном рыжиковом масле

Наименование ВЖК	Химическая формула ВЖК	Относительное содержание ВЖК, %
Насыщенные, в том числе:	-	8,5
Пальмитиновая	С16Н32О2	4,30
Стеариновая	С18Н36О2	2,30
Пентадекановая	С15Н30О2	0,01
Арахиновая	С20Н40О2	1,04
Лигноцериновая	С24Н48О2	0,50
Бегеновая	С22Н44О2	0,31
Миристиновая	С14Н28О2	0,04
Мононенасыщенные, в том числе:	-	26,4
Олеиновая	С18Н34О2	12,73
Эйкозеновая	С20Н38О2	11,19
Эруковая	С22Н42О2	2,38
Пальмитолеиновая	С16Н30О2	0,07
Нервоновая	С24Н46О2	0,03
Полиненасыщенные, в том числе:	-	65,1
α-линоленовая	С18Н30О2	36,92
Линолевая	С18Н32О2	24,29
Арахидоновая	С20Н32О2	1,88
Эйкозадиеновая	С20Н36О2	1,52
Докозатриеновая	С22Н38О2	0,24
Докозадиеновая	С22Н40О2	0,24
γ-линоленовая	С18Н30О2	0,01

 

Анализ данных таблицы 3 показывает, что содержание ВЖК в малоэруковом (2,38%) рыжиковом масле составляет: насыщенных – 8,5%, мононенасыщенных – 26,4%, полиненасыщенных – 65,1%. Рыжиковое масло характеризуется наибольшим содержанием длинноцепочных ВЖК (олеиновая, эруковая, эйкозеновая и др.), что позволяет использовать его не только в качестве растительного компонента биобензина, но и в качестве биодобавки, содержащей ВЖК, обладающими антифрикционными и противоизносными свойствами (из насыщенных ВЖК: миристиновая; из мононенасыщенных ВЖК: олеиновая, эруковая, эйкозеновая; из полиненасыщенных ВЖК: линолевая, α - линолевая).

Показатели физико-химических и эксплуатационных свойств опытных образцов исследуемых топлив приведены соответственно в таблице 4 и 5.

 

Таблица 4

Показатели физико-химических свойств исследуемых моторных топлив

Показатель	Норма по ГОСТ 32511–2013		Фактические значения показателей
	для летнего ДТ	для зимнего ДТ	ДТ-Л-К5	ДТ-З-К5	60%Avgas 100LL+40%РыжМ	50%Avgas 100LL+ 50%РыжМ	40%Avgas 100LL+ +60%РыжМ
Плотность при 15 °С, кг/м3	820,0-845,0	800,0-840,0	830,5	832,9	797,5	811,1	830,0
Кинематическая вязкость, при 40°С, мм2/с	2,000-4,500	1,400-4,000	2,777	2,521	2,381	2,816	3,993
Полициклические ароматические углеводороды, % (по массе)	Не более 8,0	Не более 8,0	2,1	Менее 1	0,060	0,062	0,068
Содержание серы, мг/кг	Не более 10,0	Не более 10,0	5,8	Менее 5	104,1	93,9	73,6
Предельная температура фильтруемости, °С	Не выше минус 5*	Не выше минус 32**	минус 8	минус 44	минус 46	минус 45	минус 44
Температура застывания, °С	Не регламентируется	Не регламентируется	минус 18	минус 52	минус 47	минус 46	минус 44

^*Требование для летнего ДТ сорта С; ^**требование для зимнего ДТ класса 2

 

Таблица 5

Показатели эксплуатационных свойств исследуемых моторных топлив

Показатель	Норма по ГОСТ 32511–2013		Фактические значения показателей
	для летнего ДТ	для зимнего ДТ	ДТ-Л-К5	ДТ-З-К5	60%Avgas 100LL+40%РыжМ	50%Avgas 100LL+ 50%РыжМ	40%Avgas 100LL+60%РыжМ
Массовая доля воды, мг/кг	Не более 200	Не более 200	46	40	348	383	454
Смазывающая способность: скорректированный диаметр пятна износа при 60 °С, мкм	Не более 460	Не более 460	348	375	162	168	165
Общее загрязнение, мг/кг	Не более 24	Не более 24	Менее 12	Менее 12	Менее 12	Менее 12	Менее 12
Низшая теплота сгорания, МДж/кг	Не регламентируется	Не регламентируется	43,56	43,28	40,92	40,30	39,82

 

Анализ данных таблицы 4 показывает, что биобензин с объемным содержанием в авиационном бензине от 40% до 60% рыжикового масла (РыжМ) по плотности и кинематической вязкости сопоставим с товарным летним и зимним НДТ и соответствует требованиям ГОСТ 32511–2013. Так, например, плотность и кинематическая вязкость у биобензина состава 50%Avgas 100LL+50%РыжМ составляют соответственно 811,1 кг/м³ и 2,816 мм²/с, тогда как у товарного нефтяного летнего и зимнего дизельного топлива ДТ-Л-К5 и ДТ-З-К5 эти показатели равны соответственно 830,5 кг/м³, 2,777 мм²/с и 832,9 кг/м³, 2,521 мм²/с. Дальнейшее увеличение или уменьшение содержания рыжикового масла в биобензине способствует небольшому снижению или увеличению плотности и кинематической вязкости, что приводит к не соответствию требованиям ГОСТ 32511–2013 на летнее и зимнее НДТ. Оптимальная вязкость необходима для корректной работы двигателя в различных температурных условиях эксплуатации. Чем ниже кинематическая взкость, тем лучшая текучесть и качественнее распыл топлива при различных температурах. Однако, пониженная вязкость топлива приводит к ухудшению смызывающих свойств, а повышенная – к ухудшению фильтруемости.

Содержание полициклических ароматических углеводородов в биобензине составляет 0,06-0,068 %, что в 117 раз меньше установленной нормы на НДТ. Малое содержание полициклических ароматических углеводородов улучшает стабильность биобензина и не приведет к образованию осадков в топливной системе дизеля. При сгорании топлива с высоким содержанием полициклических ароматических углеводородов выделяются канцерогенные вещества и сажа, что усиливает загрязнение окружающего воздуха. Кроме того, чем не больше содержания полициклических ароматических углеводородов в моторном топливе, тем склонность к образованию нагара на деталях двигателя увеличивается.

Рыжиковое масло практически не содержит серу, поэтому с увеличением процентного содержания его в биобензине содержание серы в нем снижается. По содержанию серы биобензин с вышеуказанным долевым составом соответствует экологическому классу К3 на нефтяное дизельное топливо, но не соответствует экологическому классу К5, так как содержание серы в биобензине превышает 10 мг/кг. Повышенное содержание серы в биобензине объясняется тем, что она априори присутствует в авиационном бензине Avgas.

Предельная температура фильтруемости биобензина составляет не выше минус 44 °С, тогда как температура фильтруемости зимнего НДТ класса 2 по требованиям ГОСТ 32511–2013 – минус 32 °С. Таким образом, можно констатировать, что предлагаемый биобензин сохранит свою способность проходить через фильтры топливной системы дизеля при низких температурах окружающего воздуха. Это позволит биобензину при более низкой температуре эксплуатации автотракторной техники не образовывать парафиновые кристаллы, забивающие топливные фильтры и обеспечить бесперебойную его подачу в камеру сгорания дизеля.

Температура застывания биобензина составляет не выше минус 44 °С, тогда как температура застывания зимнего НДТ – минус 32 °С. Предлагаемый состав биобензина сохранит свою текучесть при более низкой температуре эксплуатации автотракторной техники.

Из анализа данных таблицы 5 следует, что массовая доля воды в биобензине составляет 348-454 мг/кг, что превышает нормативное значение в 2,3 раза. Это объясняется тем, что рыжиковое масло является гигроскопичной жидкостью, в которой может содержаться до 700 мг/кг воды и более. С одной стороны, повышенное содержание воды в биобензине может положительно сказаться на работе дизеля, так как мельчайшие капли воды испаряясь в камере сгорания образуют паровоздушные пузырьки, которые под высоким давлением схлопываются, создавая эффект «микровзрыва» и очищая огневую поверхность камеры сгорания от нагара. При этом также уменьшается средняя температура газов за рабочий цикл дизеля и его теплонапряженность, что способствует снижению содержания оксидов азота в отработавших газах. С другой стороны, вода негативно влияет на противоизносные свойства топлива, поэтому биобензин нужно проверить на смазывающую способность.

По требованиям ГОСТ 32511–2013 смазывающая способность дизельного топлива считается хорошей, если величина скорректированного диаметра пятна износа при температуре 60°С не превышает 460 мкм. Различные образцы биобензина (с содержанием рыжикового масла от 40% до 60%) обладают лучшей смазочной способностью по сравнению с НДТ, так как диаметр пятна износа у биобензина находится в пределах 162-168 мкм, тогда как у летнего и зимнего НДТ этот показатель составляет соответственно 348 и 375 мкм.

Общее загрязнение у всех образцов биобензина составляет менее 12 мг/кг. По требованиям ГОСТ 32511–2013 общее загрязнение не должно превышать 24 мг/кг. Показатель «общее загрязнение» показывает содержание нерастворимых твердых частиц или загрязнений в топливе. Если у моторного топлива высокое содержание загрязнений, то это может привести к засорению топливных фильтров, абразивному износу сопрягаемых деталей форсунок, плунжерных пар топливного насоса высокого давления и других изделий двигателя.

Низшая теплота сгорания нефтяного зимнего НДТ составляет 43,28 МДж/кг, биобензина состава 60%Avgas 100LL+40%РыжМ – 40,92 МДж/кг, т.е. низшая теплота сгорания биобензина несколько меньше аналогичного показателя НДТ на 5,5%, что объясняется меньшим содержанием в рыжиковом масле углерода и водорода.

Заключение. Таким образом, анализ результатов выполненных экспериментальных исследований показывает, что биобензин с содержанием в авиационном бензине Avgas 100LL от 40% до 60% рыжикового масла по плотности, вязкости, теплотворной и смазывающей способности, температуре застывания и другим показателям наиболее близок к аналогичным стандартным показателям ГОСТ 32511-2013 на нефтяное дизельное топливо, что позволяет заключить о возможном применении биобензина указанного состава в качестве альтернативного моторного топлива для дизельной автотракторной техники. Окончательное заключение о применимости биобензина в качестве нового вида альтернативного моторного топлива будет получено по результатам моторных испытаний полноразмерного дизеля на тормозной установке.

About the authors

Denis A. Ukhanov

The 25-th state research institute of chemmotology ministry of defense of Russia Federation

Email: uxanov_denis_a@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9507-893X

Doctor of Technical Sciences, Professor

Russian Federation, Moscow

Yuri A. Goltsev

The 25-th state research institute of chemmotology ministry of defense of Russia Federation; Penza State Agrarian University

Email: golcev100@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0002-3167-0042

applicant

Russian Federation, Moscow; Penza

Ekaterina Yu. Pankratova

The 25-th state research institute of chemmotology ministry of defense of Russia Federation

Email: pank_e@mail.ru
ORCID iD: 0009-0003-0347-3698

Research Associate

Russian Federation, Moscow

Alexander P. Ukhanov

Penza State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: dispgau@mail.ru
ORCID iD: 0009-0006-2210-5294

Doctor of Technical Sciences, Professor

Russian Federation, Penza

References

Supplementary files