Альтернативные виды топлива для судовых дизелей

В. Р. Ведрученко, А. В. Штиб 
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВА 
ДЛЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ 
Монография 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024

УДК 665.75/76 
ББК 31.353+35.514 
В26 
 
 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор С. М. Овчаренко (ОмГУПС); 
кандидат технических наук, доцент А. Л. Иванов  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ведрученко, В. Р.  
В26   
Альтернативные виды топлива для судовых дизелей : монография / 
В. Р. Ведрученко, А. В. Штиб. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2024. – 204 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2060-0 
 
Представлены основные результаты научных исследований по теоретическому 
обоснованию использования в судовых дизелях топлив не нефтяного происхождения 
(альтернативных). Проанализированы и сопоставлены моторные, эксплуатационные, 
экологические и энергетические свойства альтернативных видов топлива, принципиально пригодных для судовых дизелей. Сформированы первичные условия и общая методика подбора АВТ для конкретной марки судового дизеля, последующих расчетных 
исследований рабочего процесса и процесса топливоподачи. Выполнена попытка 
оценки экономического ущерба от воздействия вредных выбросов судовых дизелей; 
предложен метод прогнозирования перспектив топливоиспользования на дизельном 
флоте. 
Для научных и инженерно-технических работников водного транспорта, преподавателей, аспирантов и студентов. 
 
УДК 665.75/76 
ББК 31.353+35.514 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2060-0 
” Ведрученко В. Р., Штиб А. В., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
Введение ....................................................................................................................... 5 
1. Общие сведения об альтернативных топливах .................................................... 7
1.1.Биодизельное топливо 
.......................................................................................... 9
2. Индикаторная диаграмма и расчет динамичности цикла дизеля
при работе на нефтяных и альтернативных видах топлива
и топливных смесях .................................................................................................. 27
3. Методы оценки самовоспламенения топлива в дизелях.
Проблемы выбора и рекомендации ......................................................................... 37
4. Влияние технического состояния и регулирования
топливной аппаратуры дизеля на процессы топливоподачи
и сгорания топлив с разными свойствами .............................................................. 46
5. Влияние свойств жидких легких альтернативных
и нефтяных топлив на работу топливной аппаратуры дизелей ........................... 52
6. Выбор схем и разработка технических решений систем
топливоподачи альтернативных и тяжелых топлив в дизелях 
............................. 61
7. Вредные выбросы судовых дизелей и оценка экономическоого
ущерба от их воздействия 
......................................................................................... 80
8. Прогнозирование перспектив топливоиспользования
на дизельном флоте методами экспертных оценок ............................................... 93
9. Выбор сорта (марки) альтернативного топлива
и топливных смесей для судовых двигателей ...................................................... 104
9.1. Критерии оценки эффективности применения альтернативных  
видов топлива в ДВС .............................................................................................. 104
9.2.Влияние состава топлива на индикаторный процесс  
и характеристику впрыска дизеля ......................................................................... 105 
9.3. Применение в судовых дизелях смесей жидких маловязких АВТ  
со стандартным дизельным топливом 
................................................................... 109 
9.4.Применение в судовых дизелях смесей утяжеленных АВТ  
со стандартным дизельным топливом 
................................................................... 110 
10. Влияние свойств традиционных и альтернативных топлив
на эффективность утилизации тепла отработавших газов
судовых дизелей ...................................................................................................... 118
11. Влияние различных факторов на индикаторные, эффективные
и экологические показатели судовых дизелей ..................................................... 129
12.Химмотологический анализ топлива для дизелей ......................................... 135
12.1.Дистиллятные топлива 
................................................................................... 135
12.2.Тяжелые топлива ............................................................................................ 138
13.Зарубежные топлива для судовых дизелей 
..................................................... 139
14.Стабильность топливных смесей ..................................................................... 144 
14.1. Способ кавитационной обработки топлива 
................................................. 148 
14.2.Ультразвуковые гомогенизаторы и смесители 
............................................ 149
3 

14.3.Метод проверки топливных смесей на стабильность  
и совместимость ...................................................................................................... 153
14.4.Проверка топливных смесей на совместимость методом «пятна» ........... 154
14.5.Контроль количества и качества поставляемого топлива 
.......................... 156
14.6.Показатели экономичности ДЭУ и методы их повышения ....................... 157
14.7.Технические решения и рекомендации 
........................................................ 158
15.Указания к практическим занятиям 
................................................................. 163
16.Контрольные вопросы 
....................................................................................... 165
17.Прогнозирование перспектив топливоиспользования
на дизельном флоте методом экспертных оценок ............................................... 167
Заключение 
............................................................................................................... 179
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................... 181 
Приложение 1 .......................................................................................................... 186 
Приложение 2 .......................................................................................................... 187 
Приложение 3 .......................................................................................................... 189
Приложение 4 .......................................................................................................... 190
Приложение 5 .......................................................................................................... 191
Приложение 6 .......................................................................................................... 192
Приложение 7 .......................................................................................................... 193
Приложение 8 .......................................................................................................... 194
Приложение 9 .......................................................................................................... 195
Приложение 10 ........................................................................................................ 197
Приложение 11 ........................................................................................................ 198
Приложение 12 ........................................................................................................ 199
Приложение 13 ........................................................................................................ 200
Приложение 14 ........................................................................................................ 201
Приложение 15 ........................................................................................................ 202
4 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
В настоящее время в мире ежегодно добывается около 3 млрд т нефти. При 
сохранении такого уровня добычи нефти ее запасов может хватить на 50– 
60 лет. Причем, из-за роста спроса на нефть будет непрерывно нарастать ее дефицит, который к 2025 г. достигнет 16 млн баррелей в день [40]. 
Поэтому современная структура топливно-энергетического баланса в значительной степени определяется заметным истощением запасов нефти и продолжающимся повышением мировых цен на нефть, превысивших уровень 50 долларов за баррель (159 л). Мировые ресурсы разведанных месторождений составляют около 150 млрд т нефти (из них в странах бывшего СССР – примерно 
10 млрд т или около 7 % мировых запасов нефти) [40]. Россия добывает около 
10 % от мирового производства нефти [40]. Но основным поставщиком жидких 
углеводородов на мировой рынок являются страны Ближнего Востока (Ирак, 
Саудовская Аравия, Иран), обладающие наибольшими сырьевыми ресурсами 
[40, 50]. 
Несмотря на то, что в ряде опубликованных прогнозов содержатся явные 
преувеличения по поводу истощения запасов нефти, очевидным остается факт, 
что технология добычи будет усложняться. И как следствие этого – неизбежная 
тенденция к повышению стоимости традиционных нефтяных топлив. 
В Российской Федерации ситуация осложняется прогнозируемым падением 
добычи нефти после 2010 г. К этому времени Россия будет испытывать дефицит нефтепродуктов в размере до 10 млн т в год [40]. В то же время добыча каменного угля и природного газа в период до 2020 г. будет увеличиваться 
Поэтому, с одной стороны, поиск моторных топлив не нефтяного происхождения, которые успешно заменили бы традиционные бензин и дизельное 
топливо, стал задачей мирового масштаба. Сегодня все технически развитые 
страны заняты поиском путей, с помощью которых с наименьшими затратами и 
с максимальным эффектом можно было бы решить проблему обеспечения моторным топливом разных видов транспорта в ближайшем будущем. 
В ряде стран на общегосударственном уровне предпринимаются попытки 
смягчения нефтяного кризиса за счет расширения применения альтернативных 
видов топлив. Так, Европа готовится к 2020 г. заменять традиционные нефтяные топлива на 23 % альтернативными. По прогнозам 10 % замены придется на 
природный газ, 8 % – на биогаз и 5 % – на водород [40, 25]. 
С другой стороны, ужесточение требований к уровням выбросов вредных 
веществ работающими ДВС, привело к введению в Европейском сообществе с 
01.10.2008 г. стандарта ЕВРО-5, ограничивающего выбросы дизелей: по NOх – 
до 2,00 г/(кВгч); СО – до 1,5 г/(кВтч); СхНy – до 0,25 г/(кВт ч); по твердым частицам (ТЧ) – до 0,02 г/(кВтч) по 13-режимному ездовому циклу, согласно правилу ЕСЕ R49. Показатели уровня выбросов вредных веществ (ВВВ) двигателя 
КАМАЗ-740 превышают нормы стандарта ЕВРО-5 по NOx – 4,43 раза; по СО – 
3,28 раза; по CxHy, – 4,95 раза; по ТЧ – 15,5 раз. 
5 

Ниже в табл. 1 приведены нормы токсичности выхлопов, введенные в странах Евросоюза [40, 50]. 
 
Т а б л и ц а  1  
Нормы токсичности выхлопов для развитых европейских стран 
Стандарт 
Год введения 
Содержащие в ОГ, г/км 
NOх 
СО 
СНх 
Тв. частицы 
ЕВРО-0 
1988 
14,4 
11,2 
2,5 
– 
ЕВРО-1 
1993 
8,0 
4,5 
1,1 
0,36 
ЕВРО-2 
1996 
7,0 
4,0 
1,1 
0,15 
ЕВРО-3 
1999 
5,0 
2,0 
0,6 
0,10 
ЕВРО-4 
2005 
3,5 
1,5 
– 
0,02 
ЕВРО-5 
2008 
2,0 
1,5 
– 
0,02 
 
В России введена система стандартов на выброс СО, СН и сумму СН и NOx 
(г/км) для ДВС (табл. 2). 
 
Т а б л и ц а  2  
Нормы ГОСТ Р 41.83-99 
Норма выбросов 
Стандарт 
Год  
введения 
Тип  
двигателя 
СО, 
г/км 
CH + NOx 
г/км 
Частицы, 
г/исп 
Испарения, 
г/исп 
ЕВРО-2 
1996 
Бензиновый 
2,2 
0,5 
– 
2 
Дизель 
1,0 
0,7 
0,08 
– 
ЕВРО-3 
2000 
Бензиновый 
2,3 
0,2 + 0,15 
– 
2 
Дизель 
0,64 
0,56 
0,05 
– 
ЕВРО-4 
2005 
Бензиновый 
1,0 
0,1 + 0,08 
– 
2 
Дизель 
0,5 
0,3 
0,025 
– 
 
6 

 
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТОПЛИВАХ 
 
Традиционно топливо нефтяное для дизелей вырабатывают в основном из 
гидроочищенных фракций прямой перегонки нефти с добавлением легкого газойля каталитического крекинга. Дизельные топлива могут включать следующие группы углеводородов, % (об.): нормальные парафиновые – 5...30, изопарафиновые – 18...46, нафтеновые – 23...60, ароматические – 14...35. 
По ГОСТ 305–82 вырабатывают три сорта дизельного топлива (табл. 3): «Л» 
(летние) – для эксплуатации при температуре окружающего воздуха 0 °С и выше, с температурой конца кипения не выше 360 °С; «З» (зимние) – для эксплуатации при температуре – 20 °С и выше (температура застывания не выше  
–35 °С); «А» (арктические) – для температуры окружающего воздуха – 50 °С  
и выше (табл. 3). Содержание серы в дизельном топливе марок Л и 3 не должно 
превышать 0,2 % для вида I и 0,5 % – для вида II, а марки А – 0,4 %. Вырабатывают также дизельные экспортные топлива ДЛЭ и ДЗЭ с содержанием серы 
0,05 %. 
Производство дизельного топлива в РФ в последние годы составляет – 
46...47 млн т/год, из них топлива с содержанием серы S ” 0,20 % – более  
80 %. 
Как правило, все типы дизелей (судовые, тепловозные, автотракторные, дизели специального назначения и др.) проектируют на использование топлив 
(ГОСТ 305-82). 
Увеличение выпуска дизельных топлив возможно как путем повышения 
(топлива утяжеленного фракционного состава УФС), так и путем одновременного повышения и снижения температуры начала кипения tнк (топлива расширенного фракционного состава РФС). Топлива типа УФС используют в качестве летних. 
С 1991 г. осуществляется производство экологически чистого дизельного 
топлива по ТУ 38.1011348–89 летнего (ДЛЭч-В и ДЛЭч) и зимнего (ДЗЭч) с 
содержанием серы до 0,05 % (вид I) и 0,1 % (вид II) и содержанием ароматических углеводородов не более 20 % (ДЛЭч-В) и не более 10 % (ДЛЭч). Кроме 
того, осуществляется выпуск городского дизельного топлива для использования в Москве. 
В городское топливо дополнительно добавляют присадки: летом – антидымную (на основе бария), зимой – антидымную и депрессорную (улучшающую низкотемпературные свойства). 
Однако постоянное ужесточение норм на содержание токсичных веществ в 
отработавших газах (ОГ) и, одновременно, повышение требований по улучшению топливной экономичности стимулируют исследования по созданию принципиально новых двигателей, отвечающих самым жестким мировым стандартам с одновременным улучшением качества моторных топлив, также отвечающих современным и перспективный требованиям по эксплуатационным и экологическим показателям. 
 
 
7 

Т а б л и ц а  3 
Характеристики сортов дизельного топлива 
Норма для марок 
(по ГОСТ 305–82) 
Показатели 
Л 
3 
А 
Цетановое число, не менее 
45 
45 
45 
Фракционный состав: 
 
 
 
50 % перегоняется при температуре, °С, не выше 
280 
230 
255 
90 % перегоняется при температуре (гонец  
перегонки), °С, не выше 
 
360 
 
340 
 
330 
Кинематическая вязкость, при 20 °С, мм2/с 
3...6 
1,8...5 
1,5...4 
Температура застывания, °С, не выше для 
 
 
 
климатической зоны: 
 
 
 
умеренной 
–10 
–35 
– 
холодной 
– 
–45 
–55 
Температура помутнения, °С, не выше для 
 
 
 
климатической зоны: 
 
 
 
умеренной 
–5 
–25 
– 
холодной 
– 
–35 
– 
Температура вспышки в закрытом тигле,  
 
 
 
°С, не ниже: 
 
 
 
для тепловозных и судовых дизелей и газовых 
 
 
 
турбин 
62 
40 
35 
для дизелей общего назначения 
40 
35 
30 
Массовая доля серы, %, не более: 
 
 
 
вид 1 
0,20 
0,20 
0,20 
вид 2 
0,50 
0,50 
0,40 
Плотность при 20 °С, кг/м3, не более 
860 
840 
830 
 
Наряду с внедрением вторичных процессов переработки нефти (алкилирование, изомеризация и др.), позволяющих улучшить качество моторных топлив, 
значительное внимание уделяется разработке различных присадок и добавок, 
придающих моторным топливам такие свойства, в том числе экологические, 
которые принципиально не могут быть достигнуты технологическими процессами производства топлив. 
Вместе с тем эти факторы – необходимость экономии нефтяных ресурсов и 
улучшение эксплуатационных и особенно экологических свойств топлив – 
обусловливают поиски эффективных способов получения и использования заменителей нефтяных топлив для ДВС, получивших общее название альтернативных. 
К альтернативным топливам в настоящее время относят: 
1. Природный газ: метан (СН4). 
2. Сжатый природный газ (КПГ). 
3. Сжиженный природный газ (СПГ – пропан, бутан). 
8 

 
4. Сжиженный нефтяной газ (СНГ). 
5. Синтетическое жидкое топливо из углей (СЖТ). 
6. Диметиловый эфир (ДМЭ – СН3ОСН3) из природного газа, углей и др. ресурсов. 
7. Биодизельное топливо (смеси дизельных нефтяных топлив и масел из 
растительных масличных культур: рапс, подсолнечник, соя, арахис, хлопок, кукуруза и др., эфиров таких масел). 
8. Газовые конденсаты (ГК). 
9. Жидкий аммиак (NH3). 
10. Синтетические спирты (метанол, этанол). 
11. Водород (Н2): жидкий, газообразный. 
12. Дисперсные топливные системы (ДТС): водотопливные эмульсии (ВТЭ), 
водомазутные эмульсии (ВМЭ), топливно-угольные смеси (ТУС) и др. 
 
1.1. Биодизельное топливо 
 
Для получения биотоплива (биодизеля) с требуемыми свойствами используют смеси эфиров (рафинадов) растительных масел с дизельным нефтяным 
топливом. 
Исследованы и испытаны как топливо на различных типах дизелей следующие растительные масла [40]: рапсовое, соевое, подсолнечное, арахисовое, 
пальмовое, оливковое, кукурузное, хлопковое и др. 
Для выработки биодизельного топлива могут использоваться различные 
масличные культуры (соя, рапс и т. п.), а также отходы производства говяжьего 
и других животных жиров. Биодизельное топливо из растительного сырья,  
в отличие от биоэтанола, получают раздавливанием семян масличных культур, 
в результате которого получают растительное масло. Наиболее часто для производства биодизельного топлива используют рапсовое масло, которое вырабатывается из семян рапса и представляет собой сложные эфиры глицерина и 
следующих высших карбоновых кислот: 
– насыщенных (миристиновой – 1,5 %, стеариновой – 1,6 %, арахиновой – 
1,5 %); 
– ненасыщенных (олеиновой – 20–25 %, эруковой – 56–65 %, линолевой –  
14 % и линоленовой – 2–3 %). 
Рапсовое масло (табл. 4) имеет высокую температуру плавления и поэтому 
рапсовое масло подвергают гидролизу с получением глицерина и смеси жирных кислот. Эту смесь этерифицируют метанолом с получением метиловых 
эфиров жирных кислот рапсового масла – биодизельное топливо, которое может использоваться как таковое или в виде различных композиций с традиционным нефтяным топливом. 
Основные физико-химические и эксплуатационные свойства биодизельного 
топлива и его смеси с нефтяным дизельным топливом приведены в табл. 4 и 5. 
9 

Т а б л и ц а  4  
Физико-химические и эксплуатационные свойства дизельного топлива (ДТ), 
рапсового масла (РМ) и их смесей 
Топлива 
Физико-химические свойства 
ДТ 
РМ 
80 % ДТ 
+ 20 % 
РМ 
60 % ДТ 
+ 40 % 
РМ 
40 % ДТ 
+ 60 % 
РМ 
Плотность при 20 °С, кг/м3 
830 
916 
848 
865 
882 
Вязкость кинематическая  
при 20 °С, мм/с 
3,8 
75 
9 
19 
30 
Коэффициент поверхностного 
натяжения ı при 20 °С, мН/м 
27,1 
33,2 
– 
– 
– 
Теплота сгорания низшая, 
кДж/кг 
42 500 37 300 
41 500 
40 400 
39 400 
Цетановое число 
45 
36 
– 
– 
– 
Температура  
самовоспламенения, °С 
250 
318 
– 
– 
– 
Температура помутнения, °С 
–25 
–9 
– 
– 
– 
Температура застывания, °С 
–35 
–20 
– 
– 
– 
Количество воздуха,  
необходимое для сгорания 1 кг 
вещества, кг 
14,3 
12,6 
13,9 
13,5 
13,1 
 
87,0 
12,6 
0,4 
 
78,0 
10,0 
12,0 
 
– 
– 
– 
 
– 
– 
– 
 
– 
– 
– 
Содержание, % по массе: 
С 
Н 
О 
Общее содержание серы, %  
по массе 
0,20 
0,002 
– 
– 
– 
Коксуемость 10%-го остатка, % 
по массе 
0,2 
0,4 
– 
– 
– 
Примечание: «–» – свойства не определились; ДТ – дизельное топливо; РМ – рапсовое масло; 
для смеси ДТ и РМ указано объемное процентное содержание компонентов. 
 
10