Содержание к диссертации
Введение
1 Применение биотоплива в агропромышленном комплексе. цель и задачи исследований 11
1.1 Общие сведения о биотопливе 11
1.2 Обзор конструкций двухтопливных систем питания дизеля 17
1.3 Обзор конструкций смесителей компонентов биоминерального топлива 22
1.4 Обоснование темы, цель и задачи исследований 29
2 Сафлоровое масло как альтернативный биокомпонент биоминерального топлива 31
2.1 Сафлор - перспективная масличная культура 31
2.2 Результаты хромотографического анализа сафлорового масла 35
2.3 Углеводородный состав и расчет низшей теплоты сгорания сафлорового масла и сафлоро-минерального топлива 37
Выводы 41
3 Расчетно-теоретическое обоснование показателей эффективности функционирования машинно тракторного агрегата при работе на сафлоро минеральном топливе 43
3.1 Теоретическое обоснование общих удельных энергозатрат мта 43
3.2 Теоретическое обосование удельного эффективного расхода энергии МТА 51
3.3 Результаты расчетов показателей энергозатрат МТА..55
Выводы 59
4 Разработка устройств для адаптации тракторных дизели к работе на сафлоро-минеральном топливе 60
4.1 Разработка двухтопливных систем питания 60
4.2 Разработка смесителей компонентов сафлоро-минерального топлива 76
Выводы 85
5 Программа и методика экспериментальных исследований 86
5.1 Программа экспериментальных исследований 86
5.2 Приборы и оборудование для проведния экспериментальных исследований 87
5.3 Методика экспериментальных исследований 94
5.3.1 Методика лабораторных исследований по определению показателей физических и теплотворных свойств сафлорового масла и сафлоро минерального топлива 94
5.3.2 Методика лабораторных исследований по оценке влияния ультразвука на жирнокислотный состав сафлорового масла 96
5.3.3 Методика лабораторных исследований по оценке изменения оптической плотности сафлоро-минерального топлива в процессе механического и ультразвукового смешивания биологического и минерального компонентов 97
5.3.4 Методика моторных исследований дизеля Д-243-648 при работе на минеральном и сафлоро-минеральном топливах 98
5.3.5 Тарировка и калибровка измерительных приборов и оборудования 104
5.3.6 Методика эксплуатационных исследований машинно-тракторного агрегата на культивации зяби при работе на минеральном и сафлоро-минеральном топливах 107
Выводы 109
6 Результаты экспериментальных исследований
6.1 Опенка изменения оптической плотности сафлоро минерального топлива в процессе механического и ультразвукового смешивания биологического и минерального компонентов по
6.2 Результаты экспериментальных исследований тракторного дизеля д-243-648 при работе на сафлоро-минеральном топливе 112
6.3 Результаты эксплуатационных исследований машинно-тракторного агрегата на весенней предпосевной культивации зяби 135
Выводы 137
7 Экономическая оценка применения сафлоро минерального топлива в тракторных дизелях 139
7.1 Расчет затрат на модернизацию топливной системы... 139
7.2 Расчет затрат на изготовление ультразвукового смесителя компонентов сафлоро-минерального топлива.. 144
7.3 Экономическая эффективность от использования сафлоро-минерального топлива в тракторных дизелях 146
Выводы 151
Общие выводы 152
Список использованной литературы
- Обзор конструкций двухтопливных систем питания дизеля
- Результаты хромотографического анализа сафлорового масла
- Теоретическое обосование удельного эффективного расхода энергии МТА
- Разработка смесителей компонентов сафлоро-минерального топлива
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Одним из направлений устойчивого развития с.-х. отрасли России при сложившейся структуре потребления нефтепродуктов и постоянном росте цен на них является диверсификация источников энергообеспечения. Перспективным источником тепловой энергии, используемой в дизелях автотракторной техники, является биоминеральное топливо, получаемое смешиванием растительного масла и товарного минерального дизельного топлива (ДТ).
В качестве биокомпонента такого смесевого топлива наиболее широко изучены и используются при его производстве пальмовое, рапсовое, подсолнечное, горчичное, рыжиковое и др. масла. Однако некоторые растительные масла по своим физико-химическим и теплотворным свойствам не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к биокомпонентам дизельного смесевого топлива. В связи с этим возникает необходимость исследования машинно-тракторного агрегата (МТА) при работе на биоминеральном топливе, биологическим компонентом которого являются растительные масла, получаемые из других масличных культур. К ним прежде всего следует отнести сафлоровое масло (СафМ).
Для эффективного функционирования МТА при работе на сафлоро-минеральном топливе (СМТ) необходимо не только конструктивно адаптировать дизель с.-х. трактора к работе на таком виде двухкомпонентного топлива, но и оценить его мощностные, топливно-экономические и экологические показатели, а также показатели, характеризующие энергозатраты МТА (общие удельные энергозатраты и удельный эффективный расход энергии, снимаемой с коленчатого вала дизеля).
В связи с этим оценка эффективности функционирования МТА при работе на сафлоро-минеральном топливе с различным содержанием биологического и минерального компонентов является актуальной научной и практически значимой задачей.
Степень разработанности темы. Результаты исследований по применению биоминерального топлива в дизелях автотракторной техники приведены в научных трудах российских и зарубежных ученых. Однако в этих работах не рассмотрены вопросы теоретической и экспериментальной оценки показателей эффективности функционирования МТА, которые бы учитывали особенности применения такого двухкомпонентного топлива, изменение мощностных и топливно-экономических показателей дизеля, конструктивные и кинематические параметры как дизеля, так и МТА. Существующие на сегодняшний день технические средства по адаптации дизелей МТА к работе на биоминеральном топливе не в полной мере обеспечивают качественное смешивание его компонентов и, главное, не оснащены устройствами для автоматического поддержания заданного соотношения биологического и минерального компонентов непосредственно на «борту» трактора, входящего в состав МТА. Поэтому решение данных вопросов требуют дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.
Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА, тема № 29 «Энергосбережение в процессе эксплуатации автотракторной техники», при поддержке фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках научно-инновационного конкурса «У.М.Н.И.К.» (договор № 553 ГУ 1/2013 от 18.11.2013).
Цель исследований - оценка эффективности функционирования машинно-тракторного агрегата при работе на сафлоро-минеральном топливе с различным содержанием биологического и минерального компонентов.
Задачи исследований:
-
Определить жирно кислотный и углеводородный состав, показатели физических и теплотворных свойств сафлорового масла и сафлоро-минерального топлива.
-
Теоретически определить показатели эффективности функционирования МТА (общие удельные энергозатраты и удельный эффективный расход энергии, снимаемой с коленчатого вала дизеля) при работе на сафлоро-минеральном топливе с различным содержанием биологического и минерального компонентов.
-
Разработать, изготовить и исследовать устройства для конструктивной адаптации тракторных дизелей к работе на сафлоро-минеральном топливе.
-
Экспериментально определить показатели рабочего процесса, индикаторные, эффективные и экологические показатели тракторного дизеля при работе на сафлоро-минеральном топливе с различным содержанием биологического и минерального компонентов.
5. Оценить показатели функционирования МТА при работе на сафлоро-
минеральном топливе в эксплуатационных условиях и определить экономическую
эффективность от использования сафлоро-минерального топлива в дизелях тракторов
с.-х. назначения.
Объект исследований - показатели эффективности функционирования МТА при работе на сафлоро-минеральном топливе с различным содержанием биологического и минерального компонентов.
Предмет исследований - закономерности изменения мощностных, топливно-экономических, экологических показателей дизеля Д-243-648 и показателей эффективности функционирования МТА (МТЗ-80+КПС-4+4БЗСС-1) на весенней предпосевной культивации зяби при работе на сафлоро-минеральном топливе с процентным содержанием сафлорового масла и минерального топлива 20:80, 25:75, 33:67, 50:50 и 50:50^31).
Научная новизна работы:
жирно кислотный и углеводородный состав, низшая теплота сгорания, плотность, кинематическая и динамическая вязкость, температура вспышки сафлорового масла и сафлоро-минерального топлива;
уравнения, устанавливающие взаимосвязь показателей эффективности функционирования МТА с конструктивными и кинематическими параметрами дизеля и трактора, индикаторными и топливно-экономическими показателями дизеля, а также с показателями теплотворных свойств двухкомпонентного сафлоро-минерального топлива при изменении в нем содержания сафлорового масла и минерального топлива;
количественные оценки показателей эффективности функционирования МТА, учитывающие теплотворные свойства сафлоро-минерального топлива, индикаторные и топливно-экономические показатели дизеля, конструктивные и кинематические параметры дизеля и трактора;
запатентованные устройства для адаптации тракторного дизеля к работе на сафлоро-минеральном топливе с различным содержанием биологического и минерального компонентов.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ на изобретения № 2525489 «Фильтр-смеситель двухкомпонентного топлива», № 2536747 «Двухтопливная система питания автотракторного дизеля», № 2538189 «Смеситель компонентов дизельного смесевого топлива», № 2538338 «Смеситель компонентов биомине-
1 УЗ - топливо обработано ультразвуком
рального топлива», № 2546891 «Ультразвуковой смеситель растительного масла и минерального топлива», № 2548334 «Система питания тракторного дизеля с ручным управлением подачей смесевого топлива» и патентом РФ на полезную модель № 153246 «Двухтопливная система питания дизеля».
Практическая значимость работы. Полученные уравнения, характеризующие зависимость показателей эффективности функционирования МТА от различных факторов, позволяют рассчитать общие удельные энергозатраты и удельный эффективный расход энергии на этапе теоретических исследований.
Разработанные двухтопливные системы питания и смесители обеспечивают работу дизеля на сафлоро-минеральном топливе с различным содержанием сафлорового масла и минерального топлива.
Использование сафлоро-минерального топлива обеспечивает экономию товарного минерального дизельного топлива на величину его замещения сафлоровым маслом и снижение дымности отработавших газов на 20-35% по сравнению с работой дизеля на минеральном топливе.
Реализация результатов исследований. Хроматографический и спектрофото-метрический анализы сафлорового масла и сафлоро-минерального топлива выполнялись соответственно в лаборатории регионального центра государственного экологического контроля и мониторинга объектов по хранению и уничтожению химического оружия по Пензенской области и лаборатории микроскопирования МГУ им. Н. П. Огарева. Сравнительные исследования дизеля Д-243-648 при работе на минеральном и сафлоро-минеральном топливах проводились в лаборатории испытаний двигателей Пензенской ГСХА. Эксплуатационные исследования МТА (МТЗ-80 + КПС-4 + 4БЗСС-1) проводились в КФХ «Кирилина Е.В.» Пензенской области.
Методология и методы исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории ДВС и эксплуатации МТП. Экспериментальные исследования проведены с использованием стандартных и частных методик. За метод исследования принят метод сравнительных стендовых и эксплуатационных исследований дизеля и МТА при работе на минеральном и сафлоро-минеральном топливах. Обработка экспериментальных данных выполнена с применением пакета прикладных программ Microsoft Excel, MathCAD и др.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
аналитические выражения, характеризующие зависимость общих удельных энергозатрат и удельного эффективного расхода энергии МТА от кинематических и конструктивных параметров дизеля и трактора, индикаторных и топливно-экономических показателей дизеля, а также от низшей теплоты сгорания двухкомпо-нентного сафлоро-минерального топлива, величиной которой можно варьировать в процессе работы МТА, изменяя содержание биологического и минерального компонентов;
количественные оценки показателей дизеля и МТА при работе на сафлоро-минеральном топливе с различным содержанием биологического и минерального компонентов;
закономерности изменения оптической плотности сафлоро-минерального топлива в процессе смешивания сафлорового масла и минерального топлива под воздействием ультразвука;
конструкции смесителей растительного масла и минерального топлива, а также системы питания дизеля для работы на минеральном и биоминеральном топливах с
автоматическим поддержанием заданного соотношения биологического и минерального компонентов в процессе эксплуатации МТА.
Степень достоверности и апробация результатов исследований. Достоверность результатов подтверждается сравнительными экспериментальными исследованиями дизеля и МГА при работе на минеральном и сафлоро-минеральном топливах, сходимостью результатов расчетов показателей дизеля и МГА с результатами экспериментальных исследований, применением современных средств контроля и измерения требуемых параметров.
Основные положения диссертации и ее результаты доложены и одобрены на Всероссийских научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2012-2015г.г.), региональном конкурсе ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» «Лучший инновационный проект» (2013 г.), международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны» (г. Пенза, 2013 г.), 22 Международной выставке-ярмарке «АГРОРУСЬ» (г. Санкт-Петербург, 2013 г.), ежегодных международных семинарах им. Михайлова В. В. ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н. И. Вавилова» (2013-2015г.г.). Конструкторские разработки и результаты исследований представлялись на XVI Московском Международном Салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД-2013» (г. Москва, 2013 г.), VIII Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (г. Саратов, 2013 г.), выставке инновационных разработок в сфере АПК (г. Москва, 2013 г.), Russian Startup Tour (г. Пенза, 2014 г.), летней школы «ТеепГрад-2014» (г. Пенза, 2014 г.), где награждены дипломами, Серебряной и Бронзовой медалями.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 25 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях, одна статья в международной реферативной базе данных AGRIS, получено 6 патентов РФ на изобретение, патент РФ на полезную модель и решение о выдаче патента РФ на полезную модель, без соавторов опубликованы 4 статьи. Общий объем публикаций 5,4 п.л., из них автору принадлежит 2,2 п.л.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, семи разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 158 наименований и приложения на 57 с. Общий объем диссертации с приложением составляет 227 с, содержит 68 рис. и 17 табл.
Обзор конструкций двухтопливных систем питания дизеля
Доля мировой дизельной автотракторной техники составляет более 60% от общего ее количества. Ежегодно для агропромышленного комплекса России необходимо более 5 млн. тонн дизельного топлива [2, 13, 14]. При сжигании минерального ДТ в атмосферу выделяется большое количество вредных выбросов [15].
Мировой опыт показывает, что одним из направлений устойчивого развития сельскохозяйственной отрасли при сложившемся потреблении нефтепродуктов и постоянном росте цен на них является диверсификация источников энергообеспечения [16]. К перспективным источникам тепловой энергии, используемой в дизелях автотракторной техники, относят биологическое топливо, приготовляемое из растительных масел [17, 18, 19, 20, 21, 22]. Производство такого вида моторного биотоплива позволит создать новые рабочие места, и, как следствие этого, уменьшить отток сельского населения в города, более полно использовать имеющиеся земельные ресурсы, а также обеспечить частичную независимость сельхозтоваропроизводителей от поставщиков топлива нефтяного происхождения.
Наиболее особое внимание биотопливу в мире стали уделять с середины 70-х годов XX в. - со времен первого нефтяного кризиса [23, 24]. Тогда были обозначены два перспективных направления: использование этилового спирта вместо бензина и растительного масла вместо минерального дизельного топлива (ДТ).
Однако сама идея применения растительного масла в качестве топлива для дизелей восходит к 1895г., когда немецкий изобретатель Рудольф Дизель создал первый двигатель, работающий на арахисовом масле.
В настоящее время во всем мире в качестве моторного топлива в автотракторных дизелях применяют следующие виды биотоплива [6, 18, 19, 20, 25, 26, 27, 28,29]: натуральное техническое растительное масло - масло, получаемое из семян масличных культур прессованием, отжимом или аналогичным способом; биодизельное топливо (биодизель) - сложный метиловый (или этиловый) эфир, получаемый из растительного масла в результате реакции переэтери-фикации; дизельное смесевое топливо (ДСТ) - топливо, получаемое смешиванием минерального ДТ и биодизеля (ДСТ первого типа) или смешиванием минерального ДТ и растительного масла (ДСТ второго типа) в различных соотношениях.
Процесс производства натуральных растительных масел для отдельно взятого сельскохозяйственного предприятия относительно прост, при этом не требует сложного технологического оборудования и больших капиталовложений. Однако ввиду существенных отличий свойств растительного масла и минерального ДТ использование первого без серьезных конструктивных изменений дизеля за 15
труднено [30]. Для работы на натуральном растительном масле некоторые фирмы-изготовители автотракторной техники оснащают свою технику дополнительными устройствами, обеспечивающими адаптацию дизелей к работе на натуральном растительном масле. Так, например, фирма Fendt выпускает тракторы марки «Fendt 820 Vario greentec», оснащенные микроволновой установкой [31]. Однако стоимость такого оборудования составляет 3 тыс. долл. США.
Биодизельное топливо обладает свойствами, близкими к свойствам минерального ДТ [32, 33, 34, 35]. Однако его производство примерно на 30-40% дороже производства нефтяного дизельного топлива [2, 3]. Поэтому применение такого топлива как в натуральном виде, так и в виде компонента ДСТ экономически невыгодно.
Из перечисленных видов моторного биотоплива наиболее дешевым и доступным для сельхозтоваропроизводителей является ДСТ второго типа. Такое биоминеральное топливо можно приготавливать в стационарных условиях на нефтебазах или непосредственно «на борту» автотракторной техники в процессе ее работы.
Для производства растительного масла, требуемого на замещение минерального ДТ, потребуются земельные ресурсы [40, 41]. По оценкам Стэндфорд-ского университета во всём мире из сельскохозяйственного оборота выведено 385-472 млн. гектаров земли. Выращивание на этих землях сырья для производства биотоплива позволит увеличить долю последнего до 8 % в мировом энергетическом балансе. На транспорте доля биотоплива может составить от 10 % до 25 % [42]. Российская Федерация располагает самыми большими в мире земельными ресурсами. Ее территория насчитывает 1,71 млрд. га, при этом почти 401 млн. га (23% от общей территории) - земли с.-х. назначения. На сегодняшний день около 20 млн. га продуктивной пашни остаются невозделываемыми [43]. Эти земли можно использовать для выращивания масличных культур, необходимых для производства биотоплива.
В настоящее время в мире основными источниками растительного сырья для получения биоминерального топлива являются такие масличные культуры, как масличная пальма [24], ятрофа [44], соя [45, 46], подсолнечник [47], рапс [48, 49], рыжик [50, 51], горчица [52, 53], сурепица [54, 55]. Относительно высокие показатели по урожайности и масличности, широкий спектр высших жирных кислот, который содержится в растительных маслах этих культур, позволяют использовать их как в пищевой промышленности, так и в технических целях.
На территории Российской Федерации пригодны земли для возделывания сои, подсолнечника, рапса, рыжика, горчицы, сурепицы [56, 57, 58, 59]. Наиболее широко используются для производства биотоплива подсолнечник, рапс и рыжик. Однако урожаи данных культур во многом зависят от условий произрастания, а физико-химические и теплотворные свойства растительных масел не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к биокомпонентам биоминерального топлива. Возникает необходимость выполнения экспериментальных исследований дизеля и МТА при их работе на биоминеральном топливе, растительным компонентом которого являются менее изученные и более перспективные растительные масла. К таким маслам относится сафлоровое масло, получаемое отжимом из семян сафлора.
Результаты хромотографического анализа сафлорового масла
Сафлоровое масло, как и любое растительное масло, представляет собой смесь моно-, ди- и триацилглицеринов, содержащие в своем составе молекулы высших алифатических кислот, т.е. высокомолекулярных кислородосодержащих соединений с углеводородным основанием, связанных с молекулой глицерина. По химическому составу - это сложные эфиры глицерина и высших предельных и непредельных кислот, причем эти глицерины всегда с четным числом углеродных атомов в ацилатной группе. В составе сложного эфира одна молекула глицерина связана с остатками трех жирных кислот, поэтому эти соединения называют триа-цилглицеринами, доля в масле которых достигает 93-98% [6].
Для определения жирнокислотного и углеводородного состава сафлорового масла, а также низшей теплоты сгорания необходимо провести хроматографиче-ский анализ. Анализ сафлорового масла проводили с помощью хроматографа «Кристалл-2000» в региональном центре государственного экологического контроля и мониторинга объектов по хранению и уничтожению химического оружия по Пензенской области (см. параграф 5.3.2). Хроматографическому анализу подверглось сафлоровое масло: необработанное и обработанное ультразвуком частотой 22 кГц (см. приложение 1). Жирнокислотный состав сафлорового масла представлен на рисунке 2.3.
Из рисунка 2.3 следует, что основными кислотами сафлорового масла являются линолевая и олеиновая, содержание которых в масле составляет соответственно 68,01% и 19,2%. К второстепенным кислотам относятся пальмитиновая (содержание в масле 7,16%) и стеариновая (содержание в масле 3,94%). Суммарное содержание миристиновой, пальмитолеиновой, А-линоленовой, арахиновой, го-доиновой и эруковой кислот составляет 1,06%, поэтому их можно отнести к минорным кислотам. Содержание эруковой кислоты в необработанном ультразвуком масле не выявлено. Из-за отсутствия эруковой кислоты сафлоровое масло обладает меньшей температурой застывания и его можно применять при более пониженных температурах, чем рапсовое или рыжиковое масла.
Высокое содержание линолевой кислоты свидетельствует о лучшем окислении масла кислородом, что положительно влияет на процесс сгорания топлива в цилиндре двигателя. Высокое содержание пальмитиновой, стеариновой и олеиновой кислот говорит о хороших смазывающих способностях сафлорового масла.
В результате обработки сафлорового масла ультразвуком содержание отдельных высших жирных кислот меняется, частично одни кислоты переходят в другие. Однако суммарное содержание кислот в масле остается неизменным. Так, после обработки ультразвуком содержание линолевой кислоты увеличилось с 68,01% до 68,48%, а содержание пальмитиновой, стеариновой и олеиновой кислот уменьшилось соответственно с 7,16% до 7%; 3,94% до 3,57% и 19,2% до 18,15%. Доля эруковой кислоты после обработки ультразвуком составила 0,51%.
Определение углеводородного состава и низшей теплоты сгорания сафлорового масла и смесевого сафлоро-минерального топлива проводилось на основе хроматографического анализа по следующей методике [6, 18, 19].
Исходя из процентного содержания (г) высших алифатических кислот и атомарного число углерода (х), водорода (у) и кислорода (z) в каждой кислоте CxHyOz рассчитывается среднее число атомов каждого элемента в выделенных кислотах сафлорового масла: хср = ЕХІТІ ; уср = Eym; zcp = 1 -т{ (2.1) где х - число атомов углерода усредненной химической формулы сафлорового масла; у - число атомов водорода усредненной химической формулы сафлорового масла; z - число атомов кислорода усредненной химической формулы сафлорового масла; С, Н, О - молекулярные массы углерода (С=12,011г/моль), водорода (Н= 1,0079 г/моль) и кислорода (0=15,9994 г/моль).
Кинематическую вязкость и плотность определяли при температуре 20С экспериментально с помощью вискозиметра ВПЖ-2 и вибрационного измерителя плотности ВИП-2М. Для расчета динамической вязкости определяли время падения шарика на микровискозиметре марки «НААКЕ». Температуру вспышки сафлорового масла определяли в открытом тигле (см. параграф 5.3.1).
Данные расчетов и замеров сведены в таблицу 2.2. Из анализа данных таблицы 2.2 следует, что низшая теплота сгорания сафлорового масла меньше аналогичного показателя минерального ДТ на 12,8%, что объясняется меньшим содержанием в сафлоровом масле углерода и водорода. Плотность и вязкость сафлорового масла больше аналогичных показателей минерального ДТ. При добавлении в сафлоровое масло минерального ДТ физические свойства полученного сафлоро-минерального топлива улучшаются по сравнению с натуральным маслом, приближаясь к свойствам минерального ДТ. Так, при добавлении в сафлоровое масло 50% минерального ДТ низшая теплота сгорания стала равной 39,81 МДж/кг, кинематическая вязкость - 12,2 мм /с, динамическая вязкость - 23,6 мПа-с, плотность - 867 кг/м . При добавлении 80% минерального ДТ данные показатели стали равны соответственно 41,44 МДж/кг; 8,2 мм /с; 16,8 мПа-с и 843 кг/м3.
Теоретическое обосование удельного эффективного расхода энергии МТА
Коническая воронка 20 имеет возможность перемещаться по оси вверх за счет пружины 21, размещенной между воронкой 20 и днищем 22 внутренней трубы 15, и вниз за счет электромагнитного поля соленоида 23, внутри которого перемещается шток 24, соединенный через вилку 25 с воронкой 20, имеющей радиальные отверстия 26. Полость 18 между наружной и внутренней трубами 14 и 15 сообщена с полостью 27 бака сафлорового масла 2 через радиальные отверстия 16 в наружной трубе 14. Полость 19 внутренней трубы 15 сообщена нижним выходным каналом 28 с топливным фильтром 3, а электрическая цепь соленоида 23 соединена с контактным температурным датчиком 29 системы охлаждения дизеля. Разработанная двухтопливная система питания автотракторного дизеля работает следующим образом.
Пуск и прогрев автотракторного дизеля осуществляется на минеральном топливе. При этом контакты температурного датчика 29 разомкнуты, электрическая цепь соленоида 23 обесточена, под действием силы упругости пружины 21 коническая воронка 20 занимает верхнее положение, при котором радиальные отверстия 17 и 26 внутренней трубы 15 и воронки 20 не совмещены, полости 18 и 19 смесителя 7 разобщены между собой. За счет разряжения, создаваемого ТПН 5, а также подпора топлива, находящегося в баке 1, минеральное топливо из полости 19 через выходной канал 28 поступает по топливопроводу 6 через топливные фильтры 3 и 4 к ТНВД 8 и далее форсунками 9 впрыскивается в цилиндры двигателя.
После прогрева автотракторного дизеля, при достижении температуры охлаждающей жидкости в рубашке системы охлаждения заданного значения (например, 60±2С), контакты температурного датчика 29 сомкнутся и в электрическую цепь соленоида 23 от бортовой сети трактора поступит ток.
За счет созданного цепью соленоида 23 магнитного поля шток 24 преодолеет силу упругости пружины 21 и посредством вилки 25 переместит коническую воронку 20 вниз до совмещения радиальных отверстий 17 и 26 внутренней трубы 15 и воронки 20, полости 18 и 19 смесителя 7 будут сообщены между собой. Полость 18 между наружной и внутренней трубами 14 и 15 через радиальные отверстия 16 в наружной трубе 14 постоянно сообщена с полостью 27 бака сафлорового масла 2. За счет разряжения, создаваемого ТПН 5, сафлоровое масло из полостей 27 и 18 поступает в полость 19, где попадает в поток движущегося минерального топлива и смешивается с ним. Приготовленное сафлоро-минеральное топливо через выходной канал 28 внутренней трубы 15 поступает по топливопроводам 6 через топливные фильтры 3 и 4 к ТНВД 8 и далее форсунками 9 впрыскивается в цилиндры дизеля.
После останова автотракторного дизеля, когда температура охлаждающей жидкости в рубашке системы охлаждения станет ниже заданного значения (например, менее 60±2С), контакты температурного датчика 29 разомкнутся, электрическая цепь соленоида 23 обесточится и коническая воронка 20 под действием пружины 21 вернется в исходное верхнее положение, при котором полости 18 и 19 смесителя будут разобщены, а питание дизеля после очередного пуска будет осуществляться на минеральном топливе до тех пор, пока температура охлаждающей жидкости не достигнет заданного значения (например, 60±2С). Далее процесс перехода работы дизеля с минерального топлива на сафлоро-минеральное топливо, и наоборот, неоднократно повторится в зависимости от количества его пусков и остановов.
За счет размещения бака минерального топлива 1 выше бака сафлорового масла 2 с расположенным в нем смесителем 7 создается дополнительный подпор (избыточное давление), что наряду с разряжением, создаваемым ТПН 5, снижает затраты энергии на подачу сафлорового масла из бака 2 во внутреннюю полость 19 смесителя 7.
Второй конструктивный вариант двухтопливной системы питания [122] содержит бак сафлорового масла 1 (рисунок 4.2), бак минерального топлива 2, линию забора сафлорового масла 3, состоящую из фильтра-отстойника 4 и электронасоса 5 с обратным клапаном 6, линию забора минерального топлива 7, состоящую из фильтра грубой очистки топлива 8, смеситель 9 растительного масла и минерального топлива, имеющего два входных канала 10, 11 с размещенными в них дроссельными заслонками 12, 13, закрепленными на поворотных осях 14, 15, и один выходной канал 16, ТПН 17, фильтр тонкой очистки топлива 18, линию слива сафлоро-минерального топлива 19, ТНВД 20, форсунки 21 и орган управления подачей минерального топлива, выполненный в виде наружного рычага 22 центробежного регулятора частоты вращения коленчатого вала дизеля. На осях 14, 15 дроссельных заслонок 12, 13 закреплены рычаги управления 23, 24, которые совместно с поперечной тягой 25 образуют шарнирный параллелограмм-ный механизм 23, 24, 25, кинематически соединенный продольной тягой 26 и компенсирующим звеном 27 с органом управления подачей сафлоро-минерального топлива, выполненного в виде поворотного двуплечего рычага 28, установленного шарнирно на жестко закрепленной оси 29. Нижний конец поворотного двуплечего рычага 28 шарнирно соединен с компенсирующим звеном 27, а верхний конец поворотного двуплечего рычага 28 имеет возможность под действием внешне прилагаемого усилия перемещаться в пазах жестко закрепленного сектора 30. Сектор 30 имеет указатель 31с нанесенными делениями, соответствующими числовым значениям объемного соотношения сафлорового масла и минерального топлива в сафлоро-минеральном топливе.
Пуск, прогрев и останов дизеля осуществляется на минеральном топливе. При этом электронасос 5 отключен, а поворотный двуплечий рычаг 28 ручного управления подачей сафлоро-минерального топлива находится в положении, при котором дроссельная заслонка 12, регулирующая подачу минерального топлива в смеситель 9, полностью открыта, а дроссельная заслонка 13, регулирующая подачу сафлорового масла, полностью закрыта. Минеральное топливо за счет разряжения, создаваемого ТПН 17, из бака 2 через фильтр грубой очистки 8 и смеситель 9 подается в фильтр тонкой очистки 18, и далее ТНВД 20 и форсунками 21 впрыскивается в цилиндры дизеля.
После прогрева дизеля на минеральном топливе включают электронасос 5, обеспечивающий подачу сафлорового масла через фильтр-отстойник 4 в смеситель 9.
При работе дизеля на режимах полных нагрузок наружный рычаг 22 центробежного регулятора частоты вращения коленчатого вала дизеля, всегда установлен в положение «Подача минерального топлива максимальная». При работе дизеля на режимах частичных нагрузок наружный рычаг 22 регулятора частоты вращения будет находиться в промежуточном положении между максимальной и минимальной подачами минерального топлива.
Однако независимо от режима работы дизеля и положения рычага 22 регулятора частоты вращения оператор вручную, путем перемещения поворотного двуплечего рычага 28 по сектору 30, устанавливает необходимое объемное соотношение сафлорового масла и минерального топлива в зависимости от величины внешних сопротивлений движению трактора. В смесителе 9 сафлоровое масло и минеральное топливо смешиваются. Полученное сафлоро-минеральное топливо через выходной канал 16 смесителя 9, фильтр тонкой очистки 18 подается в топливный насос высокого давления 20 и далее форсунками 21 впрыскивается в цилиндры дизеля.
Разработка смесителей компонентов сафлоро-минерального топлива
ЭБУ 12 содержит первый 39 (рисунок 4.5) и второй 40 инвертирующие электронные ключи (ИЭК), первый 41, второй 42 и третий 43 электронные ключи-защёлки (ЭКЗ), позиционный регулятор изменения процентного соотношения компонентов 44, первый 45, второй 46, третий 47 диоды и генератор пускового импульса (ГПИ) 48. Входы первого ИЭК 39, второго ИЭК 40, третьего ЭКЗ 43 и ГПИ 48 объединены и подключены к четвёртому плюсовому входу питания и третьему выходу ЭБУ 12, первый выход которого соединен с выходом первого ЭКЗ 41, вход которого подсоединён к выходу первого ИЭК 39, информационный вход которого подключён через, обратно включённый, первый диод 45 к выходу ГПИ 48, п-у (третьему) информационному входу БУ 12 и информационному «вход-выходу» третьего ЭКЗ 43, выход которого соединён с выходом второго ЭКЗ 42 и вторым выходом ЭБУ 12. Первый информационный вход ЭБУ 12 подсоединён к информационному входу второго ЭКЗ 42, вход которого подключён к выходу второго ИЭК 40. Информационный вход ИЭК 40 соединён через обратно включённый третий диод 47 с выходом позиционного регулятора 44 и через прямо включенный второй диод 46 с информационным входом первого ЭКЗ 41. С второго по п-\ информационные входы ЭБУ 12 соединены соответственно с первого по т входами ЗСТ 44, где т= п-2.
Наличие второго ЭТН 10 обеспечивает высокую скорость заполнения смесителя-дозатора 6 и, совместно с форсункой 25, вращательное движение минерального топлива необходимое для его лучшего перемешивания с сафлоровым маслом, подаваемым ЭТН 4 и форсункой 24 во встречном направлении. Расположение выходных отверстий форсунок 24, 25 ниже минимального уровня топлива предотвращает аэрацию топлива и пенообразование в смесителе.
ПРТ 13, представляет собой, например, двухпозиционный, двухсекционный гидравлический переключатель с механическим управлением рукояткой. Размещается в удобном для управления месте. При установке рукоятки управления в положение «Минеральное топливо», он обеспечивает возможность работы дизеля на минеральном топливе по штатной схеме системы питания и без потребления двухтопливной системой электроэнергии из бортовой сети, при этом обеспечивается свободный слив топлива из форсунок 17 в горловину бака минерального топлива 2, с атмосферным давлением в ней. При установке рукоятки в положение «Смесевое топливо», он изменяет схему системы питания, подавая на вход ТПН 14 сафлоро-минеральное топливо с первого гидравлического выхода смесителя-дозатора 6 и обеспечивает свободный слив топлива с форсунок 17 дизеля в верхнюю, не заполняемую часть смесителя-дозатора 6, с также с атмосферным давлением в ней. ЭБУ 12 обеспечивает работу двухтопливной системы питания в автоматическом режиме, после срабатывания выключателя 20, а также ручное (рукояткой ЗСТ 44 на передней панели корпуса ЭБУ 12). При этом позиционный регулятор 44 входящий в состав ЭБУ 12 позволяет оперативно, в зависимости от вида выполняемых работ (нагрузки), температуры окружающей среды, количества минерального и биологического компонентов в баках, экологических требований к составу отработавших газов, задавать процентное соотношение компонентов сафло-ро-минерального топлива путем подключения на выход любого из выбранных т= п-2 герконовых датчиков промежуточных уровней топлива.
Первый ЭКЗ 41 и второй ЭКЗ 42 воспринимают импульсные информационные сигналы высокого уровня соответственно герконовых датчиков 34 и 35, поочередно включаются и подают (совместно с открытыми ИЭК 39 и ИЭК 40) питание на ЭТН 4 и ЭТН 10 до момента разрыва цепи тока ИЭК 39 и ИЭК 40.
ЭКЗ 43 обеспечивает блокировку сигнала датчика 35 до момента срабатывания датчика 33 (на время расходования топлива).
ГПИ 48 обеспечивает принудительное включение ЭКЗ 43 в момент подачи питания на блок управления 12 и выключение обоих электронасосов ЭТН 4 и ЭТН 10 до момента срабатывания ГДНУ 33.
ИЭК 39 и ИЭК 40 обеспечивают выключение питания ЭТН 4 и ЭТН 10, а также сброс (выключение) ключей - защелок 41 и 42 при поступлении на их входы сигналов высокого уровня соответственно с выхода ЗСТ 44 и n-го информационного входа БУ 12. ИЭК могут быть выполнены, например, в виде мощных р-п-р транзисторов с резистивным, открывающим делителем напряжения питания блока управления 12, подключенным к базе, при этом эмиттер транзистора связан с входом ключа, коллектор с его выходом, а база с его информационным входом.
ОК 5 и ОК 11 исключают обратный ток компонентов по линиям подачи то-плив 1 и 7 и возможность смешивания топлив в баках, например вследствие перетекания за счет разности уровней в баках.
Связь верхней полости смесителя-дозатора 6 с «вход-выходом» (заливной горловиной) бака сафлорового масла 2 обеспечивает атмосферное давление в ней за счет выхода воздуха при поступлении, и входа при расходовании компонентов. Это обеспечивает штатный режим работы топливоподкачивающего насоса, как при работе дизеля на сафлоро-минеральном топливе, так и на минеральном.
Работает двухтопливная система питания дизеля следующим образом. Пуск, прогрев и останов дизеля осуществляется на минеральном ДТ, на остальных режимах - на сафлоро-минеральном топливе.
Для перехода на сафлоро-минеральное топливо, при работающем на минеральном топливе дизеле, устанавливают рукоятку позиционного регулятора изменения процентного соотношения компонентов сафлоро-минерального топлива 44 в требуемое положение, например, 50% сафлорового масла, и переводят рукоятку ПРТ 13 в положение «Смесевое топливо». При этом вход ТПН 14 подключится через ПРТ 13 к первому гидравлическому выходу смесителя-дозатора 6 и начнется расходование остатков смесевого топлива из смесителя-дозатора 6, который всегда имеется в объёме, не меньшем объёма нижнего уровня, вследствие предшествующей работы системы на сафлоро-минеральном топливе. Одновременно сработает выключатель 20 и подаст питание на четвертый вход ЭБУ 12. В момент подачи напряжения питания с выхода ГПИ 48 через нормально замкнутый контакт реле поступит пусковой импульс высокого уровня на информационный вход-выход третьего ЭКЗ 43 с длительностью достаточной для его включения (20-100мс), при этом первый ЭТН 4 будет выключен первым ИЭК 39, на информационном входе которого будет высокий уровень, а второй ЭТН 10 будет выключен ЭКЗ 42, на информационном (управляющем) входе которого будет низкий уровень, поступающий с герконового датчика нижнего уровня 33, через первый информационный вход ЭБУ 12.
При достижении нижнего уровня сработает герконовый датчик нижнего уровня 33 и его сигнал поступит на первый информационный вход ЭБУ 12 и далее на информационный вход второго ЭКЗ 42. На второй ЭТН 10 поступит электропитание с четвертого плюсового входа питания ЭБУ 12 (минусовая шина питания электронасосов ЭТН 4 и 10 и других элементов ЭБУ 12), при этом ЭТН 10 включится, а третий ЭКЗ 43 зашунтируется включенными ИЭК 40 и ЭКЗ 42 и выключится. Вследствие работы ЭТН 10 минеральное топливо из бака 8 по линии 7 начнет поступать через второй гидравлический вход смесителя-дозатора 6 в форсунку 25 и заполнять полость смесителя-дозатора 6. Тангенциальное (по касательной к траектории вращения) направление оси выходного отверстия форсунки обеспечивает вращательное движение минерального топлива в смесителе-дозаторе 6. При достижении заданного позиционным регулятором 44 промежуточного уровня (например, 50%) сработает герконовый датчик промежуточного уровня 34 и через один из информационных входов с 2 по п-\ ЭБУ 12, позиционный регулятор 44, диоды 46, 47 подаст сигналы высокого уровня на включение (закрытие) второго ИЭК 40 и включение (открытие) первого ЭКЗ 41, при этом через открытый первый ИЭК 39 и ЭКЗ 41 на ЭТН 4 поступит электропитание, он включится и начнет подавать через форсунку 24 в смеситель-дозатор 6 сафлоро-вое масло из бака 2 в направлении, противоположном вращению минерального топлива. Начнется перемешивание компонентов и заполнение емкости смесителя-дозатора 6.