В мире обостряется борьба за владение источниками энергии, в частности, нефти. Украина в этом плане не может составить конкуренцию развитым странам. В то же время она обладает плодороднейшими землями, па которых возможно выращивание сельскохозяйственных культур для получения топлив растительного происхождения, пригодных для использования в двигателях внутреннего сгорания. По оптимистическим прогнозам, в будущем Украина может стать для Европы экспортером экологически чистого возобновляемого топлива па основе растительных масел. В связи с ухудшением экологической обстановки необходимо решать проблему рационального получения и использования топлив, поскольку при традиционной переработке топливного сырья образуется большое количество отходов и выделяются вредные вещества, участвующие в образовании парникового эффекта. В связи с этим важной практической задачей является разработка перспективных направлений по подбору, выращиванию масличных культур, экологически чистой переработке растительных масел и эффективному их сгоранию в двигателях. Существует два направления по адаптации тоилив растительного происхождения для работы в двигателях. Первое направление — это выращивание культур для получения пищевых масел с дальнейшей переработкой в эфиры в результате реакции масел с метанолом в присутствии катализатора. Это обусловлено тем, что большинство существующих двигателей не адаптировано для работы на сырых маслах. Для этого направления характерны следующие недостатки: использование метанола, который является сильным ядом, дополнительная транспортировка и переработка масел. В данном случае используется традиционная технология получения топлив из нефти, что приводит к сохранению известных недостатков: взрывоопасности, ядовитости, наличию энергоемкого производства, высоких затрат. А главное, она оказывает катастрофическое влияние на окружающую среду. Второе направление — это адаптация конструкции двигателя для работы на сырых растительных топливах, что обеспечивается повышением температуры стенок камер сгорания. В качестве примера можно привести дизель фирмы Elsbett. Прослеживается тенденция приблизить переработку масел в топлива к производителю, к земле. Крестьянин всегда кормил тягловую силу со своей земли, и в настоящее время использование части продукции сельского хозяйства для выполнения полевых работ позволяет возвратиться к естественному, устоявшемуся в веках, замкнутому циклу, по уже на более высоком уровне. Логическим продолжением этой тенденции является получение топлив с уже заданным свойствами из сельскохозяйственных культур без дополнительных технологических процессов. Цель данной статьи — выявление экологически чистых направлений по улучшению свойств топлив растительного происхождения без использования традиционных экологически нечистых технологий. Упрощенно можно представить, что происходит перенос перерабатывающих комплексов на поля и в системы двигателя. В свете изложенного предлагается третье направление, которое включает в себя одновременное изменении свойств масел при помощи селекционных и агротехнических мероприятий и адаптации систем двигателя, в частности, топливной аппаратуры и камер сгорания. Отсюда вытекает необходимость в пересмотре технологий выращивания, переработки и использования растительных масел как топлив. Влияние использования топлив растительного происхождения и его смесей с дизельным топливом на показатели двигателей широко освещены. В настоящее время наблюдается некоторое противопоставление одной масличной культуры (например, рапса) другим, хотя выращивание монокультуры чревато определенными недостатками. При работе дизелей на маслах обычно наблюдается увеличение расхода топлива вследствие снижения теплоты сгорания. Однако в некоторых случаях при работе двигателей па смесях топлив растительного происхождения (сырых маслах) с дизельным топливом наблюдается сохранение таких экономических показателей двигателей, как у работающих на дизельном топливе. Так, при работе дизеля Д-243 по нагрузочной характеристике на смесях рапсового масла (до 30%) с дизельным топливом энергетические показатели двигателей различались всего на 2-5%. Предположительно использовалось сырое рапсовое масло. При работе двигателя па метилэфире наблюдалось существенное увеличение расхода топлива. При работе дизеля Д-240 на смеси сырого рапсового масла (75%) и дизельного топлива (25%) наблюдалось не только сохранение значений эффективного КПД, но и улучшение КПД па режимах, близких к номинальной мощности. В Анализе показателей работы дизелей на нефтяных и альтернативных топливах растительного происхождения (Семёнов В.Г.) приведены результаты испытаний, согласно которым при работе предкамерного дизеля на рафинированном рапсовом масле и на нерафинированном подсолнечном масле КПД двигателя выше при работе на последнем. Были проведены исследования в одном испытательном цикле на дизельного топливе (ДТ) и его смесях с рафинированным (ПМр) и нерафинированным подсолнечными маслами (ПМнер) для определения эффективного КПД ŋе, приведенного расхода топлива gеприв, температуры отработавших газов (Тог), коэффициента избытка воздуха α, концентрации СО2 (табл.1). Испытания были проведены па установке, приведенной в (Potential of use of ion implantation as a means of catalist manufacturing. Zlobin V.N., Bannikov M.G. et. al), с распылителем РШ 6x1x0° при угле опережения впрыскивания топлива 18°. По результатам статистической обработки с вероятностью 0,95 следует, что приведенный расход топлива при работе двигателя на смеси ПМнер : ДТ = 30 : 70 несущественно отличается от приведенного расхода топлива при работе двигателя на дизельном топливе, а при нагрузке 1,94 кВт показатели лучше. Таблица 1. Показатели дизеля 1Ч8.5/11 при работе на топливах состава ПМнер:ПМр :ДТ и нагрузках 0,93 (I), 1,64 (II) и 1,94 (III) кВт

Одной из причин данных отличий могла быть различная теплота сгорания. Однако, согласно сертификатам, энергетический эквивалент рафинированных и нерафинированных масел одинаков. Другой причиной могло быть каталитическое воздействие определенных веществ, к каким относятся энзимы, в состав некоторых из которых входят металлы. Энзимы — это специфические органические катализаторы, воздействующие во много раз быстрее, чем неорганические катализаторы.

Исследования по наличию металлов в маслах проводились полярографическим методом.

Из табл.2 следует, что процесс рафинирования, связанный с обработкой масел щелочами, приводит к частичному удалению металлов, что может сказаться на эффективности сгорания. Так же нейтрализуются энзимы, например, липаза, обеспечивающая ускорение разложения жиров.

Независимо от причин, вызвавших такие результаты, предпочтение отдается работе двигателя на сыром растительном топливе. В экологическом плане это сулит большие преимущества. На рисунке представлено сравнение традиционной технологии получения нефтяного топлива и предлагаемой по использованию топлив растительного происхождения.

Для традиционной технологии характерны явления, приводящие к экологическим катастрофам, например, нарушение растительного покрова при добыче нефти. Транспортировка и хранение нефти связаны с утечками. При ее переработке образуются отходы, вредно влияющие на окружающую среду. При сгорании дизельного топлива необратимо потребляется кислород и происходит выделение вредных веществ, в частности, СО2, который приводит к усилению парникового эффекта. И самое главное — нефть не является возобновляемым энергоносителем.

Получение топлив по традиционной (а) и новой (б) технологиям: 1  — каталитическая переработка; 2 — каталитический преобразователь; 3 — масло с биокатализаторами; 4 — катализатор.

По предлагаемой технологии выращивание масличных культур обеспечивается по специальным севооборотам. При этом выращиваются «топливные» культуры с селективными и генетическими изменениями. Они поглощают СО2, выделившийся при сгорании топлив растительного происхождения с отработавшими газами Предполагается для усиления каталитического воздействия использовать специально подобранные удобрения.

Выращивание монокультуры в больших объемах приводит к резкому падению урожаев, распространению вредителей, истощению земли и т.д. Во избежание этого в Луганском национальном аграрном университете разработаны севообороты «топливных» культур для разных районов Украины.

Для улучшения сгорания нужно применять катализаторы в системе тонливоподачи. Также эффективно применение катализаторов и в камерах сгорания. Возможность использования катализаторов в вихревой камере сгорания при работе на растительных топливах экспериментально подтверждена.

Применение разных масел ставит проблему совместного их использования и воздействия смесей масел на показатели двигателя. Раздельное их использование имеет большие неудобства: необходимо наличие топливных баков под каждое масло, устранение возможности перемешивания и т.д.

В то же время использование многокомпонентных смесей масел в двигателях представляет практический интерес.

Например, при этом появляется возможность повышения стойкости многокомпонентных растительных топлив к окислению, поскольку сырое соевое масло является ингибитором окисления.

Для экспериментальной проверки возможности работы дизеля на многокомпонентных растительных топливах были проведены испытания на смесях дизельного топлива с рафинированными подсолнечным, соевым (СМр) и кукурузным (КМр) маслами (табл.3). Выявлено, что данные масла хорошо перемешиваются и не расслаиваются. Испытания проводились на дизеле с распылителем РШ 6 х 2 х 25° при угле опережения впрыскивания топлива 10°.

Таблица 3. Показатели дизеля 1 х 8.5/11 при работе на топливах состава ПМ и нагрузках 0,93 (I), 1,64 (II) и 1,94 (III) кВт

Статистическая обработка результатов испытаний выявила, что различия по расходу топлива для трех смесей являются несущественными.

Из приведенного следует, что необходимо разделить культуры для получения пищевых масел и топлив растительного происхождения. Это позволит получать «топливные» масла с заранее заданными свойствами, так как можно не придерживаться требований к выращиванию продуктов питания, например, для достижения низкого содержание эруковой кислоты в рапсе или приятного запаха и цвета.

Более широкие возможности в этом направлении открываются при генетическом преобразовании растений. Наблюдается настороженное отношение к продуктам питания, полученным на основе генетически преобразованных растений, что, возможно, имеет основания. Однако генетически измененные культуры, предназначенные только для получения топлив растительного происхождения, не должны вызывать такой настороженности. Например, разработана новая методика получения этилового спирта из растений, заключающаяся во введении в клетку растений гена, обеспечивающего выработку большего количества энзимов, преобразующих целлюлозу в спирт.

При сгорании углеводородных топлив и при окислении масел наблюдается протекание общих реакций, связанных с отщеплением водорода и присоединением кислорода. Это реакции дегидрирования, образования перекисей, гидроперекисей, альдегидов и т.д. Возможно предположить, что в маслах необходимо повышенное содержание энзимов, обеспечивающих окисление жиров, например, липазы.

К основным направлениям преобразования растений для получения топлив растительного происхождения можно отнести следующие: увеличение масличности; получение необходимых свойств; наличие в составе масел эфиров; усиление каталитического воздействия.
Отмечено, что достигнутая масличность подсолнечника (58-60 % в семянках) близка к биологическому пределу и дальнейшая селекция на этот признак будет замедлена. Семена высокомасличных культур из-за более интенсивного протекания биохимических процессов и топкой лузги подвержены порче и заболеваниям. Поэтому предлагается из семян сразу после сбора урожая получать масла способом холодного- прессования и использовать как топливо для осенней вспашки при обеспечении подогрева его в топливной системе, что приводит к активизации энзимов.

Важным является получение необходимых свойств таких масел подбором необходимых соотношений насыщенных и ненасыщенных жирных кислот. При этом отдается предпочтение маслам с увеличенным содержанием ненасыщенных кислот как более реакционноспособным. Такие масла имеют более низкую температуру воспламенения, что благоприятно сказывается на показателях двигателя.

Некоторые масличные культуры, например, горчица сарептская содержат эфир масла. Содержание в топливах таких легкоиспаряемых соединений обеспечивает лучшую воспламеняемость. На этом принципе основано использование присадок в топливах.
Увеличения каталитического влияния на показатели двигателя можно достичь следующими способами: накоплением катализаторов в генетически измененных растениях во выращивания за счет использования специальных удобрений; в системе топливоподачи; в камерах сгорания при нанесении катализаторов на стенки.

Хотя относительное содержание металлов в маслах невелико, но так как металлы находяться в виде ионов (металлоорганических соединений), они могут оказывать большое влияние на процесс сгорания за счет каталитического воздействия. К таким катализаторам, входящим в состав удобрений, относятся калий, марганец, цинк, бор, молибден, медь, железо, кобальт и т.д.

Наличие в системе топливоподачи катализаторов в комбинации с подогревом топлива обеспечит ускорение предпламенных реакций.

В камерах сгорания обеспечиваеться существенное повышение удельной эффективности катализатора благодаря повышенной температуре и давлению, и при оптимальной организации рабочего процесса двигателя существенно снижаются выбросы оксидов азота.

Одной из проблем, возникшей при использовании катализаторов в камерах сгорания, является низкая стойкость покрытий. Для решения этой задачи усовершенствована технология нанесения катализаторов способом ионной имплантации. Она была апробирована на традиционных носителях и на поверхностях камер сгорания.

Выводы
Предложены экологически сберегающие направления получения топлив растительного происхождения, исключающие традиционные для нефтехимии процессы, сопровождающиеся вредным воздействием на окружающую среду. Для улучшения показателей двигателей, работающих на этих топливах, предлагается использовать каталитическое воздействие за счет обеспечения необходимых биокатализаторов в маслах, катализаторов в топливной системе и в камере сгорания двигателя.

Направления выращивания растений, предназначенных для получения тоилив растительного происхождения, существенно отличаются от требований, предъявляемых при получении масел, используемых в качестве продуктов питания, что позволяет расширить ассортимент и свойства «топливных» растений. Необходимо проводить селекционные, генетические и агротехнические работы по созданию культур, предназначенных для получения топлив растительного происхождения.

Васильев И.П.
Экотехнологии и ресурсосбережение. 2005. № 1

Fenix