Улучшение эксплуатационных свойств современных и перспективных моторных топлив для сельскохозяйственной техники

В Доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации подчеркивается необходимость устойчивого развития отечественного производства продовольствия и сырья для обеспечения продовольственной независимости страны, что невозможно без высокомеханизированного сельского хозяйства. Ежегодно сельскохозяйственные предприятия России потребляют 4 млн. т дизельного топлива и 900 тыс. т автомобильных бензинов, от качества которых зависит эффективная эксплуатация сельскохозяйственной и транспортной техники.

Работоспособность двигателей в значительной степени зависит от загрязненности применяемых при их эксплуатации топлив, масел и рабочих жидкостей. Обычно негативные последствия загрязнения нефтепродуктов рассматриваются в двух аспектах — эксплуатационном, связанным с повышением износа сопряженных деталей, забивкой калиброванных отверстий и т. п., что вызывает неисправности и отказы при работе двигателей, и экономическом, связанным с увеличением затрат вследствие ухудшения качества нефтепродуктов, что приводит к повышению их расхода и зачастую делает невозможным их применение по прямому назначению. Однако имеется также экологический аспект этой проблемы.

До настоящего времени не уделялось должного внимания тому факту, что наличие загрязняющих веществ в топливах и маслах приводит к увеличению содержания токсичных веществ отработавших газах поршневых двигателей, что вызывает загрязнение атмосферного воздуха, которое отрицательно сказывается на здоровье людей, приводит к угнетению животного мира и растительности.

В работе [1] рассматриваются факторы, вызывающие образование таких выбросов. К этим факторам относятся: состав рабочей смесиравномерность ее макроструктуры и оптимальность микроструктурыфазовое положение процесса сгоранияхимический состав нефтяных топлив. Первые три фактора зависят от технического состояния двигателя, в первую очередь — его системы питания. Химический состав топлива определяется составом исходного нефтяного сырья и не поддается корректировке в условиях эксплуатации техники. Этот фактор может быть устранен только путем замены нефтяного топлива на продукты, выделяющие при сгорании меньше токсичных веществ.

Повышением чистоты топлив и масел, применяемых при эксплуатации мобильной техники, можно существенно снизить вредное воздействие этих продуктов на окружающую среду. Поддержание необходимого уровня чистоты нефтепродуктов может осуществляться как путём предупреждения попадания в них загрязнений, так и путём очистки загрязнённых нефтепродуктов. При всей важности профилактических и защитных мероприятий по поддержанию чистоты топлив и масел, осуществление этих мероприятий не может полностью решить указанную задачу, поэтому для снижения загрязненности нефтепродуктов необходимо принимать меры восстановительного характера — производить очистку этих продуктов от загрязнений с помощью соответствующего оборудования.

Очистка нефтепродуктов от загрязнений в значительной степени влияет на рабочее состояние двигателей и обеспечивает снижение вредных выбросов при их эксплуатации, однако не исключает полностью наличие таких выбросов, поэтому актуальной задачей является замена нефтяного топлива менее токсичными продуктами. Ухудшение экологической ситуации ставит проблему поиска альтернативных видов топлива, которые не уступали бы традиционным нефтяным топливам по энергетическим и другим показателям, но имели бы более низкую токсичность продуктов сгорания, быстро разлагались бы при аварийном попадании в окружающую среду, не причиняя ей существенного вреда, и не вызывали бы резкого увеличения содержания в атмосфере диоксида углерода, являющегося причиной возникновения парникового эффекта. В настоящее время рассматривается несколько вариантов моторных топлив для двигателей внутреннего сгорания, 6 имеющих значительные экологические преимущества по сравнению с традиционными видами горючего. К ним относятся сжиженный нефтяной газ (смесь пропана и бутана), сжатый природный газ (метан), различные продукты химической переработки углеводородного сырья, продукты растительного происхождения (биотопливо). Последние виды топлив наряду с высокими экологическими показателями являются возобновляемыми источниками энергии, что также относится к их преимуществам по сравнению с другими традиционными и альтернативными топливами.

В настоящей работе рассматриваются два направления: разработка мероприятий по улучшению эксплуатационных свойств современных топлив путем снижения их загрязненности и исследование путей использования перспективных топлив с высокими экологическими показателями.

Целью работы является улучшение эксплуатационных свойств современных и перспективных моторных топлив при эксплуатации сельскохозяйственной техники путем их предварительной подготовки.

Научная концепция — обеспечение эффективной работы мобильной сельскохозяйственной техники при использовании современных и перспективных моторных топлив.

Объектом исследования являются современные и перспективные моторные топлива.

Предметом исследования являются процессы подготовки современных и перспективных моторных топлив к применению в условиях эксплуатации сельскохозяйственной техники.

Научная новизна работы: — разработана математическая модель процесса фильтрования жидкости через полимерные материалы с пористо-глобулярной структурой, позволяющая производить расчет эксплуатационных характеристик фильтров на основе этих материалов для очистки моторных топлив;

— разработана математическая модель процесса обводнения перспективных моторных топлив, позволяющая прогнозировать содержание эмульсионной воды в этих топливах в заданный момент временипредложена математическая модель процесса обезвоживания перспективных моторных топлив с помощью современных фильтрующих водоотделяющих материалов, позволяющая обосновать конструкции соответствующих технических устройств;

— предложена математическая модель подогрева вязких жидкостей с использованием защитного экрана, позволяющая сократить время этой операции;

— дано теоретическое обоснование комплекса технических средств для предварительной подготовки современных и перспективных моторных топлив к применению при эксплуатации сельскохозяйственной техники;

— теоретически обоснованы методики оценки эксплуатационных свойств перспективных моторных топлив.

Практическая ценность работы:

— исследованы и рекомендованы новые материалы для очистки и обезвоживания современных и перспективных моторных топлив;

— обоснована технология и разработаны технические устройства для приготовления смесевых биотоплив и улучшения эксплуатационных свойств современных и перспективных моторных топлив;

— разработаны методики определения гигроскопичности и склонности к гидролизу эфиров жирных кислот;

— разработаны комплексы технических средств для складских и заправочных операций с перспективными моторными топливами.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. На основании анализа условий применения моторных топлив, влияния загрязненности на их эксплуатационные свойства, современных способов очистки топлив и разработанных математических моделей процессов очистки и обезвоживания топлив выбрана и теоретически обоснована схема предварительной подготовки современных и перспективных топлив к эксплуатации.

2. Разработана математическая модель фильтрования жидкости через полимерные материалы с пористо-глобулярной структурой, с использованием которой были выполнены расчеты эксплуатационных характеристик фильтров для очистки моторных топлив на основе этих материалов.

3. Получена математическая модель процесса обводнения перспективных моторных топлив, которая позволяет прогнозировать содержание эмульсионной воды в топливах в любой момент времени.

4. Разработанная математическая модель обезвоживания перспективных моторных топлив с помощью современных фильтрующих водоотделяющих материалов позволила обосновать конструкции технических устройств, новизна технических решений защищена патентами РФ.

5. Полученная математическая модель подогрева вязких жидкостей с использованием защитного экрана позволила создать устройство для интенсификации подогрева вязких компонентов смесевого топлива, на которую получен патент РФэксплуатационные испытания разработанного устройства, оборудованного подогревателями и защитным проницаемым экраном, показали, что время выдачи из резервуара сокращается в 4 раза.

6. Создан комплекс технических средств, включающий фильтры из ПГС-полимера и гидродинамические фильтры с влагоотделяющими сетками для очистки современных и перспективных моторных топлив от механических загрязнений и воды, резервуары для хранения перспективных моторных топлив, снабженные подогревательными устройствами, и средства для приготовления смесевого топлива.

7. Экспериментально подтверждена эффективность системы очистки с помощью фильтров с фильтроэлементами из ПГС-полимеров и из фильтрующих влагоотделяющих сеток с гидрофобным покрытиемполучены эксплуатационные характеристики разработанных технических средств: фильтроэлементы из ПГС-полимеров имеют тонкость очистки 5 мкм, удельную пропускную способность 0,9 дм'/м2- фильтроэлементы из гидрофобных сеток при использовании гидродинамического эффекта имеют тонкость очистки 5 мкм, полноту очистки 92% и обеспечивают удаление воды из топлива с остаточным содержанием — не более 0,002%.

8. Для приготовления смесевого топлива разработаны устройства: струйный смеситель и якорная мешалкапроверена эффективность использования СВЧ-генератора. Приготовление смеси с помощью якорной мешалки составило 25 мин., а с помощью СВЧ-генератора — 2 мин. Экспериментально подтверждено, что смесевое топливо на основе рапсового масла и дизельного топлива сохраняет стабильность в течение 6 мес.

9. Исследования с использованием разработанных методик определения эксплуатационных свойств перспективных моторных топлив, показали, что гигроскопичность МЭРМ составляет 2,44 мг/г, его склонность к гидролизу, определяемая по кислотности, зависит от его обводненности и достигает 220,1 мг КОН/ЮО см, что подтверждает необходимость его обезвоживания.

10. Установлено, что конструкционные стали и алюминиевые сплавы обладают стойкостью к исследованным перспективным топливам, а бензостойкие покрытия разрушаются при контакте с этими продуктамирезинотехнические изделия из маслобензостойкой резины выдерживают контакт с рапсовым маслом и смесевым топливом, но при контакте с эфирами жирных кислот в результате их набухания происходит увеличение массы на 18−20% и площади поверхности образцов на 12−17%.

11. Результаты проведенных исследований внедрены на ряде предприятий, использованы при выполнении НИР, входящих в план фундаментальных и приоритетных исследований Россельхозакадемии по научному обеспечению развития АПК Российской Федерации на 2011;2015 гг., и в разработке рекомендаций по обеспечению чистоты дизельного топлива при складских и заправочных операциях в сельскохозяйственном производстве. По предварительной оценке ожидаемый годовой экономический эффект использования системы предварительной подготовки современных и перспективных моторных топлив для сельскохозяйственной техники более 99,2 млн руб. Основные результаты работы используются в учебном процессе нескольких вузов.