Обеспечение работоспособности топливной аппаратуры дизелей при использовании смесевого дизельного топлива

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Обеспечение работоспособности топливной аппаратуры дизелей при использовании смесевого дизельного топлива

В последние годы происходит повышение цен на дизельное топливо, что обуславливает увеличение себестоимости сельскохозяйственной продукции. Одним из перспективных видов топлива является смесевое дизельное топливо на основе растительных масел. Оно наиболее доступно отечественному сельхозтоваропроизводителю. Его применение позволит снизить энергетическую зависимость сельского хозяйства от поставщиков нефтепродуктов и уменьшить вредные выбросы в атмосферу от тракторной техники.

К недостаткам использования смесевого дизельного топлива относятся: повышенная вязкость и коксуемость, а также застывание при низких температурах. Поэтому необходимо проведение исследований по адаптации к нему топливной аппаратуры двигателей с учетом этих недостатков.

В европейской части России для производства смесевого дизельного топлива в основном используется рапс, применение которого в засушливых регионах нецелесообразно из-за небольшой урожайности при дефиците влаги и высоких агротехнических требований. Поэтому исследование работоспособности топливной аппаратуры тракторных двигателей и ее совершенствование для использования смесевого дизельного топлива на основе засухоустойчивого сафлора является актуальной задачей.

Актуальность работы также подтверждается тем, что она выполнялась по приоритетному направлению развития ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» № 01201151795 от 09.02.2011 г. «Модернизация инженерно-технического обеспечения АПК» по темам «Проведение научных исследований по повышению надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве» и «Разработка технологий получения альтернативного топлива и рекомендаций по его применению в АПК»; по договору с Ассоциацией аграрного образования и науки (г. Саратов) в 2009-2011 гг.

Цель работы: обеспечение работоспособности топливной аппаратуры тракторов сельскохозяйственного назначения при использовании смесевого дизельного топлива на основе сафлорового масла.

Объект исследований: процесс работы топливной аппаратуры дизелей при использовании смесевого дизельного топлива.

Предмет исследований: закономерности изменения показателей эффективности работы топливной аппаратуры тракторных дизелей при работе на смесевом дизельном топливе с использованием устройства для его подогрева.

Научная новизна работы состоит в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении эффективности применения смесевого дизельного топлива на основе сафлорового масла при эксплуатации сельскохозяйственной техники и его использования в топливной системе дизелей при низких температурах окружающего воздуха.

Практическая ценность работы: разработано, изготовлено и испытано устройство для подогрева смесевого дизельного топлива, встраиваемое в систему питания дизельного двигателя, обеспечивающее работоспособность топливной аппаратуры дизелей при использовании смесевого дизельного топлива. Новизна устройства для подогрева смесевого дизельного топлива подтверждена патентом РФ на полезную модель № 105289.

Реализация результатов работы: разработанное устройство для подогрева смесевого дизельного топлива используется в ИП «Юргенс» Энгельсского района Саратовской области; изданы рекомендации по применению устройства на сельскохозяйственных предприятиях РФ, эксплуатирующих технику, оснащенную дизельными двигателями.

Научные положения работы, выносимые на защиту:

Математическая модель изменения вязкости топлива от температуры и давления, аналитические выражения изменения цикловой подачи топливного насоса высокого давления (ТНВД) в зависимости от вязкости и температуры.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния смесевого дизельного топлива на основе сафлорового масла на работоспособность топливной аппаратуры и двигателя.

Результаты экспериментальных исследований устройства для подогрева смесевого дизельного топлива, их технико-экономические и экологические оценки.

Апробация работы. Основные положения работы и ее результаты доложены и одобрены на НТС Депнаучтехполитики Минсельхоза РФ (г. Москва, 2010); научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» (2010-2012 гг.); межгосударственных научно-технических семинарах «Проблемы экономичности и эксплуатации ДВС в АПК СНГ» (г. Саратов, 2009-2011); конференциях: «Разработки молодых ученых в области повышения эффективности и использования топливно-энергетических ресурсов» в рамках выставки «Энергетика. Энергоэффективность 2009» (г. Саратов, 2009), «Научное обеспечение АПК» в рамках выставки «Саратов-АГРО 2011» (г. Саратов, 2011); на международных научно-практических конференциях: «Вавиловские чтения» (г. Саратов, 2009-2011), «Актуальные проблемы энергетики АПК» (г. Саратов, 2009), «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» в ГОСНИТИ (г. Москва, 2009), «Трибология и экология» (г. Москва, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в т. ч. 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, получен патент на полезную модель № 105289. Общий объем публикаций составляет 5,83 п. л., из которых 2,37 п. л. принадлежат соискателю.

Введение посвящено обоснованию актуальности исследований в области применения альтернативных видов топлива и рекомендациям по его применению.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» дан краткий анализ достоинств и недостатков различных направлений в области альтернативной энергетики и обоснована актуальность использования смесевого дизельного топлива на основе сафлорового масла.

Анализ работ известных ученых (Антифеев В.Н., Артемов И.В., Белов В.М., Вальехо П.Г., Уханов А.П., Савельев Г.С., Девянин С.Н., Загородских Б.П., Нагорнов С.А., Зазуля А.Н., Макушин А.А., Рачкин В.А., Семенов В.Г., Марков В.А) показал, что при использовании смесевого дизельного топлива с содержанием растительного масла более 50 % необходимо конструктивное изменение топливной системы и двигателя. Также выяснено, что наиболее оптимальным соотношением компонентов данного топлива с точки зрения закоксовывания распылителей форсунок, нагарообразования, ресурса и технико-экономических характеристик двигателя является 20 % растительного масла и 80 % дизельного топлива.

К факторам эффективности использования смесевого дизельного топлива в АПК относятся: возобновляемость, экологичность, экономия дизельного топлива, возможность применения топлива без конструктивных изменений двигателя. Все это дает значительную экономию при внутрихозяйственном способе производства топлива.

Недостатками, сдерживающими использование смесевого дизельного топлива, являются повышенная вязкость, коксуемость, потеря мощности, повышенный расход топлива и сложность использования при низких температурах.

Мероприятиями по повышению эффективности использования смесевого дизельного топлива являются рациональный выбор культур для его производства и адаптация к нему топливной аппаратуры.

Смесевое дизельное топливо может производиться более чем из 50 масличных культур. В Европе и России самой распространенной культурой для его производства является рапс. Агротехника рапса достаточно сложна, затратна, а урожайность нестабильна. Поэтому в засушливых регионах более предпочтительной культурой является сафлор. Следует отметить, что в засушливом 2010 г. урожайность сафлора в Саратовской области составила 10-14 ц/га.

Исходя из цели работы и проведенного анализа, были поставлены следующие задачи:

- провести анализ использования смесевого дизельного топлива в тракторных двигателях сельхоз назначения;

- теоретически определить показатели топливной аппаратуры при работе на смесевом дизельном топливе;

- экспериментально исследовать влияние смесевого дизельного топлива на основе сафлорового масла на показатели работы топливной аппаратуры и дизельного двигателя при стендовых и эксплуатационных испытаниях;

- разработать и обосновать конструктивные параметры устройства для подогрева смесевого дизельного топлива, встроенного в систему питания дизельного двигателя;

- оценить экономическую эффективность предлагаемых разработок.

Во второй главе «Математическое моделирование процесса подачи смесевого дизельного топлива в дизелях» представлена методика моделирования зависимости значений вязкости смесевого дизельного топлива от параметров его подачи, которыми являются давление, плотность и температура.

Исходными данными для проведения анализа и математического моделирования служили данные физико-химического состава смесевых дизельных топлив.

Связь вязкости топлива н с его плотностью определяется логарифмической зависимостью (1)

,

где с - плотность топлива, кг/м³.

Из выражения (1) получаем выражение для определения вязкости (2):

.

Изменение вязкости н_t с изменением температуры может быть найдено по значению вязкости н₀ при 20 °С из зависимости (3)

,

где н₀ - кинематическая вязкость вещества при температуре 20^оС, Па^.с; н_t - кинематическая вязкость вещества при температуре t, Па^.с.

Изменение вязкости с изменением давления может быть определено из выражения

где н_а - кинематическая вязкость вещества при атмосферном давлении, Па^.с, н_р - кинематическая вязкость вещества при давлении Р, Па^.с, b - постоянная для топлива, определяемая по формуле (5):

.

Для определения зависимости топливоподачи от давления и температуры получена математическая модель, описывающая зависимость изменения вязкости от температуры и давления.

Так как в одном случае вязкость зависит от температуры, а в другом от давления, то зависимость вязкости от этих двух величин можно свести к общему выражению (6):

дизельный топливо трактор сельскохозяйственный

,

.

Математическая модель будет иметь следующий вид:

,

где t_o - начальное значение температуры, °С; p₀ - значение давления, равное атмосферному ~0,1 МПа; p_j - значение давления, равное предельно допустимому при эксплуатации ТНВД; t_i - конечное значение температуры, С. На основании полученной математической модели расчетным путем определена вязкость смесевого дизельного топлива на основе сафлорового (СМ) и рапсового (РМ) масел в различных процентных соотношениях при разной температуре и давлении. В результате полученных значений выяснено, что вязкость топлива на основе СМ ниже, чем на основе РМ. Это делает предпочтительным использование СМ по более низким значениям вязкости. На основе полученной математической модели построен график зависимости вязкости смесевого дизельного топлива из 20 % СМ и 80 % ДТ от температуры и давления (рис. 1).

Рис. 1. Графическая зависимость вязкости смесевого дизельного топлива

от воздействия температуры и давления

Часовой расход топлива G_Т.Н определяется из выражения:

где с - плотность топлива, кг/м³; V_ц - цикловая подача топлива, м³; i_ц - число цилиндров; n_н-частота вращения коленчатого вала двигателя, мин^-1; i_п - число плунжеров в насосе; i_п.ц - число цилиндров, обслуживаемых одним или системой одновременно работающих плунжеров.

Из формулы (8) получаем аналитическое выражение (9) для определения цикловой подачи топлива

.

Из выражения (1) имеем:

.

Подставив полученное выражение для плотности (10) в формулу (9), получим аналитическое выражение (11), показывающее взаимосвязь вязкости топлива и цикловой подачи:

Анализ полученных значений (рис. 2) показывает, что при снижении вязкости цикловая подача ТНВД уменьшается.

Рис. 2. Влияние вязкости на цикловую подачу ТНВД 4УТНМ

Анализируя данные по смесевому дизельному топливу состоящему из 20 % СМ и 80 % ДТ можно сделать вывод о том, что при температуре 40-50 С значение вязкости и цикловой подачи приближается к нормативным значениям работы топливной системы двигателя. При увеличении процентного содержания растительного масла необходим подогрев до более высоких температур. Это говорит о предпочтительности 20%-го содержания растительного масла, т.к. достигаются наименьшие затраты на подогрев.

Полученная математическая модель и аналитические выражения позволяют определить параметры работы устройства для подогрева смесевого дизельного топлива.

В третьей главе «Программа и общая методика экспериментальных исследований» изложены программа и общая методика проведения экспериментальных и лабораторных исследований.

Программа экспериментальных исследований включала:

- лабораторные испытания по определению вязкости смесевого дизельного топлива в зависимости от температуры;

- безмоторные испытания влияния вязкости смесевого дизельного топлива на показатели работы ТА; износные испытания влияния сафлорового смесевого дизельного топлива на детали ТА; стендовые испытания для определения технико-экономических и экологических показателей с использованием двигателя Д-240;

- производственные испытаний, проводимые непосредственно в хозяйстве.

Для определения оптимальной температуры нагрева смесевого дизельного топлива проводились лабораторные исследования изменения его вязкости в зависимости от температуры по ГОСТ 33-2000 вискозиметром Оствальда. Показания вискозиметра снимались при температурах 20-70 С с интервалом 10 С.

Безмоторные испытания влияния вязкости смесевого дизельного топлива на показатели работы ТА проводились на стенде КИ-22210. Определялись значения цикловой подачи ТНВД 4УТНМ при различных температурах топлива.

Для оценки влияния смесевого дизельного топлива на износ деталей топливной аппаратуры разработана методика стендовых ускоренных сравнительных износных испытаний.

Стендовые испытания проводились на стационарном двигателе Д-240 с динамометрической машиной КS-56/4. Исследования предусматривали определение технико-экономических и экологических показателей дизеля в условиях регуляторной характеристики с частотами вращения коленчатого вала от 1400 до 2200 мин-¹ при использовании различных топлив.

С целью подтверждения данных по работе устройства для подогрева смесевого дизельного топлива были проведены производственные испытания на тракторе МТЗ-82 с ТНВД 4УТНМ, комплектом форсунок ФД-22. Определялись значения расхода топлива, мощности и дымности двигателя.

Проверка работоспособности устройства для подогрева смесевого дизельного топлива проводилась в зимнее время на тракторе ЮМЗ-6Л с ТНВД 4УТНМ при температуре окружающей среды ниже -10 єС. В ходе испытания измерялась температура смесевого дизельного топлива.

В четвертой главе «Адаптация топливной аппаратуры дизелей для работы на смесевом дизельном топливе» представлены результаты лабораторных, стендовых и производственных испытаний.

В ходе лабораторных исследований, для определения оптимальной температуры нагрева смесевого дизельного топлива, была определена вязкость смесевого дизельного топлива на основе следующих растительных масел: рапсового (РапМ), масличной редьки (Ред), рыжика (Рыж) и сафлора (Саф). Исследовались три вида композиций смесевого дизельного топлива: 20 % растительного масла и 80 % дизельного топлива (ДТ), 30 % и 70 %, 50 % и 50 % соответственно. Результаты измерения вязкости приведены на рис. 3.

Для приближения вязкости смесевого дизельного топлива к дизельному необходим подогрев 20%-й композиции до температуры 40 ^оС, 30%-й - до 50 ^оС, 50%-й до 60-70 ^оС. Также выяснено, что у смесевого дизельного топлива на основе сафлорового масла вязкость ниже в среднем на 5 %, чем у рапсового. Это показывает перспективность использования сафлорового масла.

Влияние вязкости смесевого дизельного топлива на основе СМ на показатели работы ТА проводились на базе стенда КИ-22210. Испытания проводились на 4 видах топлива: 1) на отстоянном дизельном топливе (соответствующем ГОСТ 305-82); 2) на смесевом дизельном топливе с 20%-м содержанием СМ; 3) на смесевом дизельном топливе с 30%-м содержанием СМ; 4) на смесевом дизельном топливе с 50%-м содержанием СМ. На рис. 4 приведены кривые изменения цикловой подачи в режиме номинальной подачи ТНВД.

Рис. 3. Изменение вязкости смесевого дизельного топлива в зависимости от температуры при: содержании растительного масла: а - 50 %; б - 20 %

Рис. 4. Изменение цикловой подачи ТНВД 4УТНМ при различных температурах топлива в режиме номинальной подачи топлива

Таким образом, проведенные испытания показали, что цикловая подача биотопливных композиций при 20-30 ^оС значительно выше нормативной из-за повышенной вязкости. Однако при подогреве смесевого дизельного топлива до температуры 40-50 ^оС цикловая подача соответствует требуемой.

Известно, что смесевое дизельное топливо имеет лучшие смазывающие свойства, чем дизельное, и меньшее содержание серы. Помимо этого, оно содержит олеиновую кислоту, что обусловливает образование на поверхности деталей топливной аппаратуры поверхностно-активных веществ. Для сравнения износостойкости плунжерных пар, работающих на летнем ДТ (ГОСТ 305-82) и смесевом дизельном топливе, состоящем из 20 % СМ и 80% ДТ, проведены сравнительные ускоренные износные испытания. На рис. 5 показано изменение цикловой подачи топлива ТНВД в зависимости от времени испытания.

Рис. 5. Изменение цикловой подачи топлива в зависимости от времени испытания

Анализом полученных данных установлено, что износостойкость плунжерных пар, работающих на смесевом топливе, возрастает на 14-17 % по сравнению с работой на ДТ.

Стендовые испытания на различных скоростных режимах проведены путем сравнения показателей работы дизельного двигателя на товарном дизельном топливе (ГОСТ 305-82), смеси 80 % ДТ и 20 % сафлорового масла (СМ) и смеси 80 % ДТ и 20 % рапсового масла (РМ). Результаты экспериментов приведены на рис. 6.

Испытания показали, что работа дизеля на смесевом дизельном топливе на основе сафлорового масла соизмерима с работой на дизельном топливе. Однако дымность при работе на смесевом дизельном топливе на основе сафлорового масла ниже на 12 %, чем на основе рапсового.

Рис. 6. Регуляторная характеристика дизеля Д-240: а-изменение расхода топлива; б-изменение дымности

Для подогрева смесевого дизельного топлива применялось разработанное устройство (рис. 7, а), встраиваемое непосредственно в систему топливоподачи трактора МТЗ-82 (рис. 7, б).

Рис. 7. Устройство для подогрева смесевого дизельного топлива: а - общий вид устройства; б - схема установки устройства в топливной системе двигателя

Устройство для подогрева смесевого дизельного топлива на основе магнитострикционных излучателей ультразвука и генератора представляет собой цилиндрическую емкость, в которую установлены излучатели ультразвука. В емкость вмонтированы входной и выходной патрубки. Через входной патрубок смесевое дизельное топливо поступает в устройство из топливного бака. Под действием ультразвуковых волн происходит нагрев и перемешивание смесевого дизельного топлива, что снижает его вязкость, далее смесевое дизельное топливо поступает в топливопровод через выходной штуцер. Технические характеристики устройства для подогрева смесевого дизтоплива

Ультразвуковой генератор установлен непосредственно на емкости с излучателями ультразвука. Прибор подключается к штатной электрической системе трактора напряжением 12 В.

Производственные испытания проводились в феврале 2011 г. при температуре -13єС. Пуск и работа трактора осуществлялись на смесевом дизельном топливе 20 % СМ и 80 % ДТ. Для подогрева топлива использовалось разработанное устройство, которое включалось за 3 минуты до запуска двигателя. Результаты испытаний приведены на рис. 8.

Рис. 8. Изменение температуры смесевого дизельного топлива в зависимости от режимов работы ТНВД

Испытание подтвердило работоспособность устройства при низких температурах и поддержание эксплуатационной температуры смесевого дизельного топлива в пределах 40-60 ^оС. Производственные испытания на тракторе МТЗ-82 подтвердили полученные на стенде показатели по расходу топлива, мощности и дымности дизельного двигателя. В пятой главе «Расчет экономической эффективности применения устройства для подогрева смесевого дизельного топлива» приведены расчеты, показавшие, что годовой экономический эффект от использования устройства в период с низкими температурами составляет 5960 руб. на один трактор МТЗ-82. Расчет экономической эффективности проводился при условии внутрихозяйственного производства смесевого дизельного топлива и без учета предотвращенного ущерба от воздействия вредных веществ.

Выводы

1. Анализ литературных источников свидетельствует, что в последние годы все более широкое распространение получает использование смесевого дизельного топлива на основе рапса и отсутствуют исследования по применению засухоустойчивого растения - сафлора. Также установлено, что одним из главных недостатков смесевого дизельного топлива является его повышенная вязкость.

2. Предложена математическая модель, позволяющая рассчитать вязкость смесевого дизельного топлива в зависимости от температуры и давления. Получены аналитические зависимости, позволяющие определить цикловую подачу ТНВД в зависимости от вязкости смесевого дизельного топлива. Это позволяет расчетным путем в зависимости от состава смесевого дизельного топлива определить необходимые параметры работы подогревателя.

3.Эксперементальными исследованиями выявлено следующее:

- вязкость смесевого дизельного топлива на основе сафлорового масла в среднем на 5 % ниже чем у рапсового;

- оптимальным смесевым дизельным топливом на основе сафлорового масла является смесь 20-30 % растительного масла и 70-80 % дизельного топлива, при этом цикловая подача топлива при температуре 20-30 ^оС выше требуемой на 5-8 %, а при подогреве до 40-50 ^оС соответствует нормативной;

- часовой расход топлива при работе двигателя на рекомендуемом сафлоровом смесевом дизельном топливе увеличивается на 1,7 %, мощность уменьшается на 1,5 % относительно ДТ; при использовании рапсового смесевого дизельного топлива увеличивается на 3,8 % и уменьшается на 5 % соответственно; дымность при работе дизеля на сафлоровом смесевом дизельном топливе снижается на 18,7 % относительно ДТ и на 12 % относительно рапсового;

- износные испытания смеси 20 % СМ и 80 % ДТ показали повышение износостойкости плунжерных пар топливной аппаратуры на 14-17 %.

4. Разработано, изготовлено и испытано устройство для подогрева смесевого дизельного топлива (патент на полезную модель № 105289), встроенное непосредственно в топливную систему двигателя. Производственные испытания подтвердили работоспособность устройства для подогрева смесевого дизельного топлива при низких температурах и полученные на стенде показатели по расходу топлива, мощности и дымности дизельного двигателя.

5. Годовой экономический эффект составил 5960 руб. на один трактор МТЗ-82 без учета предотвращенного ущерба от воздействия вредных веществ.

Литература

1.Кожевников, А. А. Биотопливо для дизелей на основе сафлорового масла / Б. П. Загородских, М. К. Тохиян, А. А. Кожевников, В. А. Чугунов // Нива Поволжья, 2009. - № 4 (13). - С. 71-74 (0,5/0,125 п. л.).

2.Кожевников, А. А. Сафлоровое масло вместо рапсового / Б. П. Загородских, А. А. Кожевников, С. А. Фадеев // Сельский механизатор : М., 2010. - № 6. - С. 34-35 (0,31/0,1 п. л.).

3.Кожевников, А. А. Износостойкость плунжерных пар топливной аппаратуры тракторных двигателей при работе на биотопливе / А. А. Кожевников, Б. П. Загородских, Ж. И. Альшин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование // Волгоградская ГСХА. - Волгоград, 2011. - №1 (21). - С. 154-160 (0,56/0,19 п. л.).

Размещено на Allbest.ru