ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ЭТАНОЛА НА СВОЙСТВА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ | Опубликовать статью ВАК, elibrary (НЭБ)

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ЭТАНОЛА НА СВОЙСТВА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ

Научная статья

Сиппель И.Я.^1, *, Магдин К.А.²

¹ ORCID: 0000-0002-2635-2296;

² ORCID: 0000-0001-6679-6580;

^{1, 2} Казанский федеральный университет, Казань, Россия

* Корреспондирующий автор (irina.sippel[at]yandex.ru)

Аннотация

В связи с ужесточением экологических требований к свойствам автомобильных топлив и необходимостью перехода к применению альтернативных топлив ненефтяного происхождения актуальным становится использование оксигенатов, из которых наиболее перспективными являются органические гидроксильные соединения и диалкиловые эфиры. Подробно исследованы добавки оксигенатов к бензинам и применение их в двигателях с искровым зажиганием, что связано с высокими октановыми числами спиртов и эфиров. В то же время использование их в дизельных топливах изучено недостаточно. В данной статье рассматривается получение топливно-спиртовых эмульсий на основе автомобильного дизельного топлива и этанола с содержанием спирта от 3 до 10 % об., в качестве стабилизатора применялся изопропанол. Исследовано влияние концентрации этанола на физико-химические свойства полученных этаноло-топливных смесей.

Ключевые слова: оксигенат, автомобильное дизельное топливо, этанол, топливно-спиртовая эмульсия.

EFFECT OF ETHANOL ADDITIVES ON THE PROPERTIES OF AUTOMOTIVE DIESEL FUELS

Research article

Sippel I.Ya.^1, *, Magdin K.A.²

¹ ORCID: 0000-0002-2635-2296;

² ORCID: 0000-0001-6679-6580;

^{1, 2} Kazan Federal University, Kazan, Russia

* Corresponding author (irina. sippel[at]yandex.ru)

Abstract

With environmental requirements for the properties of automobile fuels become stricter along with the necessity to transition to the use of alternative fuels of non-oil origin, the use of oxygenates is becoming more relevant. Out of oxygenates, organic hydroxyl compounds and dialkyl esters are the most promising. The study explores in detail the additives of oxygenates to gasoline and their use in spark-ignition engines, which is associated with high octane numbers of alcohols and esters. At the same time, their use in diesel fuels has not been sufficiently studied. This article discusses the preparation of fuel-alcohol emulsions based on automotive diesel fuel and ethanol with an alcohol content of 3 to 10% vol., isopropanol was used as a stabilizer. The study conducts an analysis of the effect of ethanol concentration on the physicochemical properties of the resulting ethanol-fuel mixtures.

Keywords: oxygenate, automobile diesel fuel, ethanol, fuel-alcohol emulsion.

Автомобильный транспорт является одним из главных загрязнителей атмосферного воздуха городов. Так, в городе Набережные Челны на автомобильный транспорт приходится более 62 % от общего объема выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, что составляет 37,4 тыс. т в год. В среднем автомобильным транспортом выбрасывается примерно по 74 кг загрязняющих веществ на каждого жителя нашего города, в то время как выбросы промышленных предприятий примерно вдвое меньше [1]. При этом более опасным является транспорт предприятий, парк личного автотранспорта обновляется регулярно и меньше загрязняет окружающую среду.

Одним из способов уменьшения вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду, наряду с поиском оптимальных конструкторских решений, является применение экологически чистых топлив и масел. В настоящее время ежегодное потребление автомобильных бензинов в нашей стране превысило 40 млн. т, дизельных топлив – 78 млн. т, и рост производства и потребления автомобильных топлив в обозримом будущем будет продолжаться [2], поэтому улучшение их свойств является приоритетной задачей. Для совершенствования экологических свойств автомобильных топлив в мировой химмотологической практике, наряду с другими методами, используются оксигенаты – высокооктановые синтетические добавки, вырабатываемые из альтернативного сырья. Введение оксигенатов увеличивает полноту сгорания углеводородов топлива и уменьшает токсичность отработавших газов. В частности, оксигенаты позволяют уменьшить стехиометрическое соотношение топлива и воздуха в зоне сгорания, что приводит к уменьшению образования оксида углерода (II) и суммарных углеводородов. Однако применение оксигенатов в избыточных количествах может привести к ухудшению мощностных и экономических характеристик двигателя, а также к несовместимости их с материалами топливной системы автомобиля. Введение оксигенатов более актуально для бензинов, так как повышает их детонационную стойкость [3], [6], [7]. В качестве оксигенатов могут применяться диалкиловые эфиры: метил-трет-бутиловый (МТБЭ), этил-трет-бутиловый (ЭТБЭ), диизопропиловый (ДИИПЭ), – а также моноспирты с температурой кипения, соответствующей фракционному составу бензинов: этанол, изо-пропанол, трет-бутанол. Применение метанола, который привлекает внимание исследователей своей обширной сырьевой базой, ограничивается его высокой токсичностью, летучестью, гигроскопичностью. Одним из наиболее распространенных оксигенатов является этанол, в настоящее время все ведущие автомобилестроительные фирмы допускают применение в своих двигателях бензинов с содержанием этанола до 10%. В то же время добавки оксигенатов к дизельным топливам изучены недостаточно, что связано, прежде всего, с низкими цетановыми числами этих соединений. Изучалось влияние добавок некоторых гидроксильных соединений и диалкиловых эфиров на токсичность отработавших газов дизельных двигателей и выбросы суммарных углеводородов, оксида углерода (II), сажи [8], [10], [11].

В данной работе исследованы физико-химические свойства эмульсий на основе автомобильного дизельного топлива и этанола. В качестве исходного было взять товарное дизельное топливо сорта Е с величиной предельной температуры фильтруемости t_f = минус 15 ⁰С. Путем интенсивного механического перемешивания были приготовлены смеси указанного топлива с этанолом, в которых содержание оксигената составляло от 3 до 10 % об. Для повышения устойчивости полученных эмульсий использовались добавки изопропанола в количестве 1 % об. Смеси с более высокой концентрацией этанола оказались нестабильными в условиях эксперимента, и их свойства не изучались.

Было исследовано влияние содержания этанола на основные физико-химические свойства полученных эмульсий. Процессы распыла и смесеобразования в дизельном двигателе зависят в значительной степени от вязкости и плотности топлива. В соответствии с требованиями стандарта [12], плотность при 15 ⁰С должна находиться в пределах 820-845 кг/м³, и уменьшение её ниже минимального значения, установленного стандартом, может вызвать искажение геометрии факела распыла и негативно сказаться на процессах смесеобразования и сгорания. Плотность топлива и топливно-спиртовых смесей была определена пикнометрическим методом после длительного термостатирования при указанной температуре. Показано, что повышение содержания этанола в топливных эмульсиях от 3 до 10 % об. приводит к снижению плотности, но в допустимых пределах (см. таблицу 1).

 

Таблица 1 – Характеристики топливно-этанольных эмульсий

Образец	Вязкость кинемати-ческая, при 400С, мм2/с,	Плотность при 15 0С, кг/м3	Плотность в градусах API	Цетановое число
ДТ товарное	2,65	831	38,8	51,0
ДТ + 3% этанола	2,59	830	39,0	49,8
ДТ + 5% этанола	2,54	829	39,2	48,9
ДТ + 7% этанола	2,48	828	39,4	48,1
ДТ + 10% этанола	2,39	826	39,8	46,9

 

Плотность в градусах API (American Petroleum Institute), специальная функция относительной плотности, определялась при температуре 15 ⁰С (60 ⁰F) и рассчитывалась по формуле:

     (1)

Максимальное значение плотности, равное 39,8 ⁰API, имеет топливно-спиртовая эмульсия с содержанием этанола 10% об.

Одной из важнейших характеристик дизельного топлива, в значительной степени определяющей возможности его практического использования, является вязкость, а также её зависимость от температуры. Кинематическая вязкость исходного дизельного топлива и полученных на его основе этанолосодержащих эмульсий была определена капиллярным вискозиметром после термостатирования при 40 ⁰С. По стандарту [12] и ЕН 590 диапазон изменения кинематической вязкости дизельных топлив при 40 ⁰С составляет 2,00-4,50 мм² /с. Значительное уменьшение вязкости приводит к увеличению просачивания топлива через форсунки и плунжерные пары, ухудшению смазывающих свойств и возрастанию износа, изменению геометрии факела распыла и формированию укороченного факела, ухудшению смесеобразования и сгорания. При заметном увеличении вязкости ухудшается прокачиваемость топлива, особенно в условиях зимней эксплуатации, формируется грубый распыл, что так же приводит к ухудшению смесеобразованию и уменьшению полноты сгорания топлива. Введение этанола в испытуемое дизельное топливо приводит к некоторому понижению кинематической вязкости топливно-спиртовых эмульсий, минимальное значение имеет композиция, содержащая 10% оксигената (см. таблицу 1). Полученные значения вязкости соответствуют требованиям стандарта, и введение этанола не приведет к ухудшению вязкостных и смазывающих свойств топливно-спиртовых смесей.

Так как в ДВС с воспламенением от сжатия полнота сгорания и, следовательно, экологические характеристики топлива, зависят в значительной степени от его самовоспламеняемости, было исследовано влияние добавок этанола на цетановое число и дизельный индекс. Цетановое число товарного дизельного топлива определялось расчетным методом на основании эмпирических характеристик топлива, цетановые числа этаноло-топливных эмульсий определялись расчетным методом [13]. Результаты представлены в таблице. Уменьшение ЦЧ ниже 40 приводит к жесткой работе двигателя, нарушению процессов смесеобразования и сгорания, увеличению выбросов вредных веществ с отработавшими газами, поэтому недопустимо. Для всех рассмотренных топливно-спиртовых смесей ЦЧ превышает 46. Повысить ЦЧ можно путем введения присадок, уменьшающих период задержки воспламенения, к которым относятся, например, органические производные азотной кислоты, диалкиловые эфиры.

График зависимости величины дизельного индекса от объёмной доли этанола оксигената в топливно-этанольных смесях представлен на рисунке 1.

Рис. 1 – Зависимость дизельного индекса этаноло-топливных эмульсий от содержания этанола

 

Величина дизельного индекса для всех образцов составляет не менее 52.

Заключение

Методом интенсивного механического перемешивания были получены эмульсии на основе товарного автомобильного дизельного топлива сорта Е, содержащие от 1 до 10 % об. этанола.

Были исследованы влияние концентрации этанола на физико-химические свойства полученных этаноло-топливных смесей. Показано, что при введении этанола уменьшаются кинематическая вязкость, плотность, топливных композиций, в допустимых пределах уменьшаются также цетановое число и дизельный индекс. Снижение указанных показателей находится в соответствии с требованиями стандарта на автомобильное дизельное топливо и не окажет заметного влияния на процессы распыла и смесеобразования. Применение этанола в качестве оксигентаной добавки к дизельному топливу обеспечит экономию природной нефти и внедрение альтернативных автомобильных топлив из возобновляемого сырья.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Государственный доклад о состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды в Республики Татарстан в 2019 г. [Электронный ресурс] – URL: http://eco.tatarstan.ru (дата обращения 09.12.2020).
2. IEA. World Energy Outlook 2019. Paris: International Energy Agency
3. Опарина Л.А. Оксигенатные добавки к топливу на основе возобновляемого сырья / Л.А. Опарина, Н.А. Колыванова, Н.К. Гусарова, В.Н. Сапрыгина // Известия вузов. Прикладная биотехнология. – 2018. – Т. 8. – №1. –
   С. 19–33.
4. Жмаева Е.В. Исследование влияния добавок этанола и условий хранения на свойства автомобильных бензинов / Е.В. Жмаева, С.А. Антонов, С.В. Заглядова // Башкирский химический журнал. – 2018. – Т. 25. – №4. – С. 85–93.
5. Niven R. K. Ethanol in gasoline: environmental impacts and sustainability review article / R. K. Niven // Renewable and Sustainable Energy Reviews– 2005. – vol .9 – P. 535–555.
6. Карпов С.А. Алифатические как компоненты топлив для двигателей внутреннего сгорания / С.А. Карпов // Химия и технология топлив и масел. – 2008. – №4. – С. 31–35.
7. Карпов С.А. Этанол как высокооктановый экологически чистый компонент автомобильных топлив / С.А. Карпов // Химия и технология топлив и масел. – 2007. – №5. – С. 3–7.
8. Sendilvelan S. Effect of butanol-diesel blends in a compression ignition engine to reduce emission / Sendilvelan S. and Rajan K. // Rasayan Journal of Chemistry (India). – 2017. – vol .10 (1) – P. 190–194.
9. Abbasov A.R. N-butanol based emulsified diesel fuel production / A.R. Abbasov // Chemical problems. – 2020. – №1 (18) – P. 68–74.
10. Nivesh-Vijayan Performance and Emission Characteristics of Diesel Engine Fuelled With Diesel-Biodiesel-Ethanol Blends // International Journal of Science and Research – 2014. – vol .3 (10) – P. 2435–2452.
11. Марков В.А. Спиртовые топлива для дизельных двигателей / В.А. Марков, П.Р. Вальехо Мальдонадо, В.В. Бирюков // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2015. – №11. – С. 39–52.
12. ГОСТ 32511 (EN 590:2009) Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия.
13. ASTM D976-06 Standard Test Method for Calculated Cetane Index of Distillate Fuels

Список литературы на английском языке / References in English

1. Gosudarstvennyj doklad o sostoyanii prirodnyh resursov i ob ohrane okruzhayushchej sredy v Respubliki Tatarstan v 2019 g [State report on the state of natural resources and environmental protection in the Republic of Tatarstan in 2019] [Electronic resource] – URL: http://eco.tatarstan.ru (accessed 09.12.2020). [in Russian]
2. IEA. World Energy Outlook 2019. Paris: International Energy Agency
3. Oparina L. A. Oksigenatnye dobavki k toplivu na osnove vozobnovlyaemogo syr’ya [Oxygenate additives to fuel based on renewable raw materials] / L. A. Oparina, N. A. Kolyvanova, N. K. Gusarova, V. N. Saprygina // Izvestiya vuzov. Prikladnaya biotekhnologiya [Izvestiya vuzov. Applied biotechnology]. – 2018. – Vol. 8. – No. 1. -pp. 19-33. [in Russian]
4. Imaeva E. V. Issledovanie vliyaniya dobavok etanola i uslovij hraneniya na svojstva avtomobil’nyh benzinov [study of the influence of ethanol additives and storage conditions on the properties of motor gasoline] / EV Imaeva, S. A. Antonov, S. V. Zaglyadova // Bashkirskij himicheskij zhurnal [Bashkir chemical journal]. – 2018. – Vol. 25. – No. 4. – P. 85-93. [in Russian]
5. Niven R. K. Ethanol in gasoline: environmental impacts and sustainability review article / R. K. Niven // Renewable and Sustainable Energy Reviews– 2005. – vol .9-P. 535-555.
6. Karpov S. A. Alifaticheskie kak komponenty topliv dlya dvigatelej vnutrennego sgoraniya [Aliphatic as components of fuels for internal combustion engines] / S. A. Karpov // Himiya i tekhnologiya topliv i masel [Chemistry and technology of fuels and oils]. – 2008. – No. 4. – pp. 31-35. [in Russian]
7. Karpov, S. A., Etanol kak vysokooktanovyj ekologicheski chistyj komponent avtomobil’nyh topliv [Ethanol as high-octane environmentally clean component of automotive fuels] / Karpov S. A. // Himiya i tekhnologiya topliv i masel [Chemistry and technology of fuels and oils]. – 2007. – No. 5. – P. 3-7. [in Russian]
8. Sendilvelan S. Effect of butanol-diesel blends in a compression ignition engine to reduce emission / Sendilvelan S. and Rajan, K. // Journal of Chemistry Rasayan (India). – 2017. – vol .10 (1) – P. 190–194.
9. Abbasov A.R. N-butanol based emulsified diesel fuel production / A.R. Abbasov // Chemical problems. – 2020. – №1 (18) – P. 68–74.
10. Nivesh-Vijayan Performance and Emission Characteristics of Diesel Engine Fuelled With Diesel-Biodiesel-Ethanol Blends // International Journal of Science and Research – 2014. – vol .3 (10) – P. 2435-2452.
11. Markov V. A. Spirtovye topliva dlya dizel’nyh dvigatelej [Alcohol fuels for diesel engines] / V. A. Markov, P. R. Vallejo Maldonado, V. V. Biryukov // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Mashinostroenie [Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mechanical engineering]. – 2015. – No. 11. – pp. 39-52. [in Russian]
12. GOST 32511 (EN 590:2009) Toplivo dizel’noe EVRO. Tekhnicheskie usloviya [GOST 32511 (EN 590: 2009) EURO diesel fuel. Technical conditions]. [in Russian]
13. ASTM D976-06 Standard Test Method for Calculated Cetane Index of Distillate Fuels