Comparative analysis of environmental performance of a marine diesel engine operating on conventional diesel fuel and SME B5 biofuel

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в мире уже существует ряд исследований [1–3], доказывающих, что биотопливо SME B5 (смесь 5% биодизеля из соевого масла и 95% обычного дизеля) может использоваться в качестве топлива для дизельных двигателей, позволяя решить ряд проблем, возникающих при использовании обычного дизельного топлива DO. Биотопливо SME B5 демонстрирует значительные экологические преимущества по сравнению с обычным дизельным топливом [4–6]. При использовании данного вида топлива наблюдается снижение выбросов твёрдых частиц (PM) на 16–20% благодаря более чистому сгоранию из-за наличия кислорода в молекулах топлива. С точки зрения выбросов парниковых газов, биотопливо SME B5 способствует сокращению выбросов CO₂ на 10–15% в течение всего жизненного цикла, поскольку соевые растения — сырьё для производства биодизеля — поглощают CO₂ из атмосферы в процессе роста. Особо следует отметить практически нулевое содержание серы в данном топливе, что обеспечивает сокращение выбросов SO_x на 30–50% по сравнению с обычным дизелем. Ещё одним существенным преимуществом является превосходная биоразлагаемость, превышающая 90% уже через 28 дней, против 40% у обычного дизельного топлива, что значительно снижает экологический ущерб в случае разливов топлива. Кроме того, практические испытания на двигателях показали снижение выбросов оксидов азота (NO_x) на 8–12% благодаря оптимизированному процессу сгорания. При этом, даже при содержании биокомпонента всего 5%, биотопливо SME B5 полностью совместимо с существующими дизельными двигателями без необходимости их конструктивных изменений, сохраняя при этом эксплуатационные характеристики, что делает его жизнеспособным «зелёным» решением для морской отрасли в условиях ужесточающихся экологических нормативов.

В России проведены отдельные исследования, посвящённые использованию биотоплива SME B5 в дизельных двигателях, однако их количество остаётся ограниченным [7]. В то же время экологические требования к выбросам двигателей, особенно в отношении концентрации сажи, постоянно ужесточаются. Учитывая вышеуказанные преимущества биотоплива SME B5, его применение в качестве альтернативного топлива для дизельных двигателей представляется перспективным направлением.

В настоящее время в береговой охране стран Азиатско-Тихоокеанского региона, таких как Республика Корея, Китай, Вьетнам, Индонезия, Филиппины и др., эксплуатируется значительное количество патрульных судов, оснащённых дизельными двигателями L136TL, что сопровождается значительными выбросами вредных веществ в окружающую среду. В связи с этим необходимо более глубокое изучение и практическое применение альтернативных экологичных видов топлива на таких судах для минимизации негативного воздействия выхлопных газов на морскую экосистему и обеспечения соответствия требованиям Международной морской организации (IMO) и Конвенции MARPOL по предотвращению загрязнения с судов.

Научная новизна исследования заключается в комплексной оценке экологических показателей дизельного двигателя L136TL при использовании биотоплива SME B5 на основе численного моделирования рабочего цикла с применением программного комплекса Diesel-RK. Полученные результаты позволят оценить экологические преимущества биотоплива SME B5 по сравнению с традиционным дизельным топливом для рассматриваемого типа судовых энергетических установок.

Цель исследования

Провести расчёт и сравнительный анализ экологических показателей судового дизельного двигателя L136TL, установленного на патрульных судах при использовании обычного дизельного топлива DO и биотоплива SME B5.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования является дизельный двигатель L136TL, установленный на патрульных судах и широко применяемый в странах Азиатско-Тихоокеанского региона (рис. 1). Данный двигатель представляет собой четырёхтактный рядный дизель с шестью цилиндрами, разработанный компанией Doosan (Республика Корея). Основные технические характеристики двигателя L136TL приведены в табл. 1.

 

Рис. 1. Двигатель L136TL.

Fig. 1. L136TL engine.

 

Таблица 1. Основные технические характеристики двигателя L136TL

Table 1. Main technical specifications of the L136TL engine

Параметр	Значение
Модель двигателя	L136TL
Количество цилиндров	6
Диаметр цилиндра, мм	111
Ход поршня, мм	139
Рабочий объём, см3	8071
Степень сжатия	16,7:1
Номинальная мощность, кВт / об/мин	177/2500
Максимальный крутящий момент, Нмт / об/мин	580/2300
Порядок работы цилиндров	1-5-3-6-2-4
Зазор клапанов (впуск/выпуск), мм	0,3/0,3
Угол опережения впрыска, град. до ВМТ	180
Давление впрыска топлива, МПа	21,4
Количество компрессионных колец	2
Количество маслосъёмных колец	1
Материал поршня	Алюминиевый сплав
Длина шатуна, мм	340
Количество форсунок на цилиндр	1
Количество отверстий в форсунке	5
Диаметр отверстия форсунки, мм	0,3
Длина впускного канала, мм	180
Диаметр впускного клапана, мм	48,7
Количество выпускных клапанов на цилиндр	1
Количество впускных клапанов на цилиндр	1
Длина выпускного канала, мм	161
Диаметр выпускного клапана, мм	43,4
Угол опережения открытия выпускного клапана, град. до НМТ	460
Угол запаздывания закрытия выпускного клапана, град. после ВМТ	140
Угол опережения открытия впускного клапана, град. до ВМТ	160
Угол запаздывания закрытия впускного клапана, град. после НМТ	360
Количество топлива на рабочий цикл, г	0,09

Примечание. ВМТ, НМТ — верхняя и нижняя мёртвые точки.

 

Методы исследования основаны на теоретическом моделировании рабочего цикла дизельного двигателя с использованием программного комплекса Diesel-RK для определения экологических показателей двигателя L136TL при работе на двух видах топлива: традиционном дизельном топливе DO и биотопливе SME B5. Полученные расчётные данные были подвергнуты сравнительному анализу для формулирования выводов исследования.

 

Рис. 2. 2D-схема молекулярной структуры метилолеата — компонента биодизельного топлива.

Fig. 2. 2D diagram of the molecular structure of methyl oleate, a component of biodiesel fuel.

 

Расчёт рабочего цикла двигателя

Физико-химические свойства дизельного топлива DO и биотоплива SME B5

Биотопливо SME B5 — это смесевое топливо, состоящее из 5% биодизеля (метилового эфира соевого масла, SME) и 95% минерального дизельного топлива DO, обладающее характерными физико-химическими свойствами, подходящими для морского применения [8, 9]. В химическом составе SME B5 присутствуют метиловые эфиры жирных кислот C¹⁶–C¹⁸ с ненасыщенными связями C=C (йодное число 80–130 г I₂ /100 г) в сочетании с длинноцепочечными углеводородами C¹⁰–C²⁰ минерального дизеля. Ключевые физические показатели включают: плотность 820–845 кг/м³ при 15 °C, кинематическую вязкость 2,0–4,5 мм²/с при 40 °C, температуру вспышки ≥60 °C, теплотворную способность ~42,5 МДж/кг и цетановое число ≥49, что гарантирует стабильную работу двигателя. Особо следует отметить экологические преимущества SME B5: содержание серы ≤10 ppm, биоразлагаемость >90% за 28 дней, а также улучшенные смазывающие свойства (HFRR ≤460 мкм) по сравнению с обычным дизельным топливом. При использовании в судовых двигателях типа L136TL данное топливо обеспечивает значительное снижение выбросов CO, HC и PM благодаря более чистому процессу сгорания, сохраняя при этом полную совместимость с механическими системами впрыска. Однако необходимо учитывать его гигроскопичность (поглощение воды ≤500 ppm) и несколько меньшую (на 2–3%) теплотворную способность по сравнению с обычным дизельным топливом, что может незначительно влиять на мощность двигателя.

На основании литературных данных [10, 11] в табл. 2 приведены основные свойства биотоплива SME B5 и дизельного топлива DO.

 

Таблица 2. Основные свойства биотоплива SME B5 в сравнении с дизельным топливом DO

Table 2. Main properties of SME B5 biofuel compared with conventional diesel fuel DO

Свойство	Ед. изм.	SME B5	DO
Молекулярная масса	г/моль	232	190
Содержание углерода	масс.%	82,97	87
Содержание водорода	масс.%	12,3	12,6
Содержание кислорода	масс.%	4,73	0,4
Плотность в жидком состоянии	кг/м3	852	830
Цетановое число		≥49	48
Температура самовоспламенения	K	573	523
Стехиометрическое соотношение воздух–топливо	–	14,4	14,6
Температура кипения при 1 атм	K	450–643	450–643
Низшая теплота сгорания	МДж/кг	39.89	42,5
Модуль упругости	Н/м2	15,67×108	14,86×108
Кинематическая вязкость в жидком состоянии	сСт	2–4,5	2–4,5
Давление паров (при 298 K)	кПа	<1–5	<1–5

 

По сравнению с традиционным дизельным топливом DO при использовании биотоплива SME B5 в дизельных двигателях выявлены преимущества и недостатки.

Преимущества:

• биотопливо SME B5 демонстрирует значительные экологические и технические преимущества при использовании в дизельных двигателях типа L136TL. Содержание биодизеля на уровне 5% обеспечивает наличие дополнительного кислорода в топливе, что способствует более полному процессу сгорания и приводит к снижению выбросов CO, HC и PM. Более высокое цетановое число (≥49) также способствует сокращению периода задержки воспламенения и обеспечивает более стабильную работу двигателя;
• высокие смазывающие свойства топлива (HFRR ≤460 мкм), обусловленные эфирной структурой биодизеля, способствующие защите топливной системы впрыска и снижению износа её основных компонентов. С экологической точки зрения использование SME B5 способствует сокращению выбросов CO₂ на ~4–7% в течение жизненного цикла благодаря возобновляемому растительному происхождению топлива. При этом обеспечивается полная совместимость с существующими дизельными двигателями без необходимости их конструктивной модификации.

Недостатки:

• более низкая теплотворная способность (~на 2–3% ниже, чем у DO), обусловленная содержанием кислорода в топливе, приводит к небольшому увеличению расхода топлива (~3–5%) для сохранения мощности двигателя. Пониженная окислительная стабильность может вызывать деградацию топлива при длительном хранении или повышенных температурах, что требует принятия специальных мер;
• гигроскопичность ≤500 ppm, поэтому необходима регулярная фильтрация для предотвращения коррозии элементов топливной системы. Более высокая температура застывания (–5…–15 °C) может затруднять запуск двигателя в условиях холодного климата. С экономической точки зрения стоимость данного топлива примерно на 5–10% выше по сравнению с обычным дизельным топливом DO.

Методика моделирования рабочего цикла двигателя L136TL

В рамках данного исследования применяли специализированный программный комплекс Diesel-RK, разработанный специалистами Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана и широко используемый научно-исследовательскими организациями и производителями двигателей. Данный программный комплекс основан на усовершенствованной многозонной модели процессов смесеобразования и горения, первоначально разработанной профессором Н.Ф. Разлейцевым и модифицированной А.С. Кулешовым (известной как модель Разлейцева–Кулешова, или RK-модель). Эта модель комплексно учитывает ключевые факторы, влияющие на процессы смесеобразования и сгорания в дизельных двигателях, включая характеристики впрыска топлива, геометрию камеры сгорания, динамику распыления топливных струй, параметры турбулентности в цилиндре, взаимодействие топливных струй с поверхностями камеры сгорания, а также взаимодействие соседних топливных факелов. Благодаря такому комплексному подходу программный комплекс Diesel-RK обеспечивает высокую точность прогнозирования кинетики процессов сгорания и образования вредных выбросов при варьировании рабочих параметров двигателя. Детальное описание математической модели, методики её программной реализации и практического применения представлено в работах [12, 13].

Процедура ввода исходных данных выполнена в соответствии с методикой, описанной в работах [12, 13]. В расчётах были использованы полные технические характеристики двигателя L136TL, приведённые в табл. 1.

Основные параметры двигателя — диаметр цилиндра, ход поршня и степень сжатия — вводили в соответствующее окно программного комплекса Diesel-RK (рис. 3). Параметры газообмена, топливоподачи и расчёта выбросов вводились в соответствующие разделы программы Diesel-RK (рис. 4–6).

 

Рис. 3. Окно ввода основных параметров двигателя.

Fig. 3. Input window of the main engine parameters.

 

Рис. 4. Окно ввода основных параметров газообмена.

Fig. 4. Input window for the main gas exchange parameters.

 

Рис. 5. Окно ввода параметров системы топливоподачи.

Fig. 5. Input window for the fuel injection system parameters.

 

Рис. 6. Окно ввода параметров расчёта концентрации NO_x и PM.

Fig. 6. Input window for NO_x and PM concentration calculation parameters.

 

При задании характеристик обычного дизельного топлива DO использовали стандартные параметры из библиотеки топлив программного комплекса Diesel-RK. Однако биотопливо SME B5 отсутствует в библиотеке программы, поэтому его физико-химические свойства (табл. 2) были введены вручную с последующим сохранением в библиотеке для дальнейших расчётов (рис. 7).

 

Рис. 7. Свойства биотоплива SME B5, введённые в программное обеспечение Diesel-RK.

Fig. 7. Properties of SME B5 biofuel entered into the Diesel-RK software.

 

Расчёт рабочего цикла двигателя L136TL выполнен для номинального режима (N_e = 177 кВт, n = 2500 об/мин). После ввода исходных параметров и корректировки закона топливоподачи был активирован раздел Run программного комплекса Diesel-RK с использованием функции ICE simulation, что позволило получить результаты расчёта.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТОВ И ИХ АНАЛИЗ

Результаты расчёта рабочего цикла двигателя L136TL представлены в табл. 3 и на графических зависимостях: индикаторная диаграмма (рис. 8), изменение температуры в цилиндре в зависимости от угла поворота коленчатого вала (рис. 9), скорость тепловыделения (рис. 10), а также экологические показатели — концентрация NO_x и содержание сажи PM (рис. 11, 12).

 

Таблица 3. Результаты расчёта рабочего цикла двигателя L136TL

Table 3. Results of the working cycle simulation of the L136TL engine

Показатель	DO	SME B5
Частота вращения двигателя, об/мин	2500	2500
Эффективная мощность Ne , кВт	179	167
Удельный расход топлива ge , г/(кВт·ч)	226	243
Содержание NOx в отработавших газах, ppm	979	924
Удельные выбросы PM, г/(кВт·ч)	0,131	0,129

 

Рис. 8. Индикаторная диаграмма двигателя L136TL.

Fig. 8. Indicator diagram of the L136TL engine.

 

Рис. 9. График изменения температуры в цилиндре.

Fig. 9. Variation of cylinder temperature.

 

Рис. 10. График изменения скорости тепловыделения в цилиндре двигателя.

Fig. 10. Heat release rate variation in the engine cylinder.

 

Рис. 11. График образования оксидов азота (NO_x) в цилиндре двигателя.

Fig. 11. NO_x formation in the L136TL engine cylinder.

 

Рис. 12. График образования твёрдых частиц (PM) в цилиндре двигателя.

Fig. 12. PM formation in the L136TL engine cylinder.

 

Расчётная эффективная мощность двигателя L136TL при частоте вращения 2500 об/мин при использовании дизельного топлива DO составила 179 кВт (см. табл. 3). Паспортное значение мощности, заявленное производителем, равно 177 кВт, что соответствует погрешности расчёта по модели Разлейцева–Кулешова (|179−177|)/177 = 1,1% < 5%. Это подтверждает высокую точность используемой расчётной модели.

Более низкая теплотворная способность биотоплива SME B5 по сравнению с дизельным топливом DO приводит к уменьшению полезной работы цикла и максимального давления сгорания. В результате эффективная мощность двигателя снижается, а удельный расход топлива увеличивается (см. табл. 3). Аналогичная тенденция наблюдается и для температурных характеристик в цилиндре двигателя (см. рис. 9).

Концентрация оксидов азота NO_x при работе двигателя на биотопливе SME B5 ниже, чем при использовании дизельного топлива DO (979 и 924 ppm соответственно, см. табл. 3, рис. 11). Это объясняется более высокой температурой сгорания при работе на дизельном топливе DO (см. рис. 9), а также более интенсивным процессом тепловыделения и более ранним достижением максимума скорости тепловыделения (см. рис. 10).

При использовании SME B5 образование PM (см. рис. 12) достигает максимума в момент наибольших температуры сгорания и скорости тепловыделения (см. рис. 9 и 10). Однако в дальнейшем применение SME B5 обеспечивает более значительное снижение выбросов PM по сравнению с дизельным топливом DO благодаря наличию кислородсодержащих компонентов в биодизеле, способствующих более полному сгоранию топлива. Так, в табл. 3 уровень выбросов PM для SME B5 составил 0,129 г/(кВт·ч). Тем не менее преимущество SME B5 в снижении выбросов PM является незначительным. Для оптимизации экологических показателей рекомендуется комбинированное применение данного биотоплива с сажевым фильтром DPF (Diesel Particulate Filter).

Полученные результаты показывают, что цетановое число топлива оказывает существенное влияние на концентрацию NO_x и PM в выхлопных газах двигателя. При увеличении цетанового числа улучшается воспламеняемость топлива, сокращается период задержки воспламенения и обеспечивается более полное сгорание топливной смеси. Биотопливо SME B5 имеет цетановое число ≥49, тогда как для дизельного топлива DO этот показатель составляет 48.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании результатов расчёта рабочих параметров двигателя L136TL при использовании дизельного топлива DO и биотоплива SME B5 можно сделать вывод, что применение биотоплива SME B5 способствует снижению уровня загрязнения окружающей среды. В частности, содержание NO_x в выхлопных газах уменьшается на 6–7% по сравнению с использованием дизельного топлива DO. Это делает биотопливо SME B5 перспективным вариантом для двигателей L136TL, устанавливаемых на патрульных судах, эксплуатируемых в морских районах с повышенными экологическими требованиями.

Вместе с тем при использовании SME B5 без корректировки топливоподачи наблюдается снижение мощности двигателя примерно на 5% вследствие более низкой теплотворной способности данного топлива. Поэтому для обеспечения требуемой мощности в условиях эксплуатации необходимо увеличивать подачу топлива в цилиндры двигателя.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Г.В. Черкаев, Чан Хыу Бак — работа с данными, анализ данных, написание черновика рукописи, пересмотр и редактирование рукописи. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты настоящей работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Источники финансирования. Отсутствуют.

Раскрытие интересов. Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими организациями), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. При проведении исследования и создании настоящей статьи авторы не использовали ранее полученные и опубликованные сведения (данные, текст, иллюстрации).

Доступ к данным. Все данные, полученные в настоящем исследовании, представлены в статье.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали один внешний рецензент, член редакционной коллегии и главный редактор издания.

ADDITIONAL INFORMATION

Author contributions: G.V. Cherkaev, Tran Huu Bac: data curation, formal analysis, writing—original draft, writing—review & editing. All the authors approved the version of the manuscript to be published and agreed to be accountable for all aspects of the work, ensuring that questions related to the accuracy or integrity of any part of the work are appropriately investigated and resolved.

Funding sources: No funding.

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities, or interests for the last three years related to for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: No previously obtained or published material (text, images, or data) was used in this study or article.

Data availability statement: All data obtained in this study are available in this article.

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

Provenance and peer-review: This paper was submitted unsolicited and reviewed following the standard procedure. The peer review process involved one external reviewer, a member of the Editorial Board, and the Editor-in-Chief.

About the authors

Georgy V. Cherkaev

Saint Petersburg State Marine Technical University

Author for correspondence.
Email: gcherkaev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2512-067X
SPIN-code: 6063-9641

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Head of the Department of Ship Power Plants, Systems and Equipment

Russian Federation, Saint Petersburg

Huu Bac Tran

Saint Petersburg State Marine Technical University

Email: mullerbac@gmail.com

Master’s Degree student of the Department of Ship Power Plants, Systems and Equipment

Russian Federation, Saint Petersburg

References

Supplementary files