Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследований 13
1.1 Перспективы использования растительных масел в качестве биоминерального топлива для автотракторной техники 13
1.2 Рыжиковое масло - перспективный биокомпонент смесевого рыжико-минерального топлива 34
1.3 Сравнительный анализ физико-химических и теплотворных свойств растительных масел
1.4 Виды и формы камер сгорания дизелей автотракторной техники 42
1.5 Анализ существующих топливных систем дизелей для работы на биоминеральном топливе 47
1.6 Анализ существующих смесителей компонентов биоминерального топлива 53
1.7 Обоснование темы, цель и задачи исследований 58
2 Расчетно-теоретическое обоснование показателей дизеля и эксплуатационных показателей трактора в составе пахотного агрегата при работе на смесевом рыжико-минеральном топливе 60
2.1 Теоретическое обоснование показателей дизеля при работе на рыжико-минеральном топливе 60
2.2 Теоретическое обоснование эксплуатационных показателей тракторного агрегата при работе на рыжико-минеральном топливе 70
2.3 Теоретический расчёт мощности привода смесителя минерального топлива и растительного масла 76
2.4 Теоретическое обоснование влияния пропускной способности входных каналов смесителя на состав дизельного смесевого топлива 81
Выводы 86
3 Программа и методика экспериментальных исследований 88
3.1 Программа и объект исследований 88
3.2 Методика определения плотности, вязкости и теплотворной способности (низшей теплоты сгорания) рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива 89
3.2.1 Оборудование и приборное обеспечение 89
3.2.2 Методика определения плотности и вязкости рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива 91
3.2.3 Методика определения теплотворной способности рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива 93
3.3 Методика лабораторных исследований смесителя минерального топлива и рыжикового масла с активным приводом 94
3.3.1 Методика определения мощности привода смесителя минерального топлива и рыжикового масла 94
3.3.2 Методика оценки влияния пропускной способности входных каналов смесителя на процентное содержание компонентов в смесевом рыжико-минеральном топливе 97
3.4 Методика стендовых исследований дизеля при работе на минеральном
и смесевом рыжико-минеральном топливах 100
3.4.1 Оборудование и приборное обеспечение 100
3.4.2 Методика экспериментальной оценки показателей дизеля Д-243
(4ч 11/12,5) при работе на минеральном и смесевом рыжико-минеральном топливах 106
3.5 Методика эксплуатационных исследований трактора в составе
пахотного агрегата при работе на минеральном и смесевом рыжико минеральном топливах 107
Выводы 111
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 113
4.1 Жирнокислотный и углеводородный состав, низшая теплота сгорания рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива 113
4.1.1 Жирнокислотный состав рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива 113
4.1.2 Углеводородный состав и низшая теплота сгорания рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива 115
4.2 Результаты экспериментальных исследований плотности, вязкости и теплотворной способности рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива 119
4.3 Двухтопливная система тракторного дизеля для работы трактора на смесевом рыжико-минеральном топливе 120
4.3.1 Работа электронного блока управления электродозаторами смесителя минерального топлива и рыжикового масла с активным приводом 124
4.4 Смеситель рыжикового масла и минерального топлива с активным приводом 133
4.5 Результаты экспериментальных исследований смесителя с активным приводом 135
4.5.1 Результаты экспериментальных исследований мощности привода смесителя 135
4.5.2 Оценка влияния пропускной способности входных каналов смесителя с активным приводом на процентное содержание компонентовв смесевом рыжико-минеральном топливе 136
4.6 Результаты экспериментальных исследований тракторного дизеля Д-243 (4Ч 11/12,5) при работе на минеральном и смесевом рыжико-минеральном топливах 138
4.7 Результаты эксплуатационных исследований трактора в составе пахотного агрегата при работе на минеральном и смесевом рыжико-минеральном топливах 144
Выводы 148
5 Экономическая эффективность использования смесевого рыжико-минерального топлива вдизелях машинно-тракторных агрегатов 151
Выводы 155
Заключение 156
Рекомендации производству 158
Перспективы дальнейшей разработки темы 158
Список использованной литературы
- Виды и формы камер сгорания дизелей автотракторной техники
- Теоретический расчёт мощности привода смесителя минерального топлива и растительного масла
- Методика определения плотности и вязкости рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива
- Работа электронного блока управления электродозаторами смесителя минерального топлива и рыжикового масла с активным приводом
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Повышение энергоэффективности экономики и развитие возобновляемых источников энергии – одна из приоритетных задач РФ, отраженной в комплексной программе развития биотехнологий на период до 2020 года.
Одним из направлений решения этой задачи (без существенной модернизации серийно выпускаемой автотранспортной техники) является частичное замещение товарного минерального дизельного топлива (ДТ) смесевым топливом (ДСТ), получаемым смешиванием минерального ДТ и растительного масла в различных соотношениях. Наиболее известным биологическим компонентом ДСТ в РФ и странах ЕС является рапсовое масло, которое относится к пищевым масличным культурам, требующим плодородных земель, тепла, влаги и тщательного соблюдения технологии выращивания, что ограничивает возделывание рапса в различных природно-климатических условиях. В этом отношении перспективным биокомпонентом ДСТ может быть рыжиковое масло (РыжМ), получаемое из семян рыжика. Рыжик – род растений из семейства капустных, однолетняя или зимующая культура, морозо - засухоустойчивая, малотребовательна к теплу, влаге, удобрениям, гербицидам и дающая одинаковую урожайность в различных природно-климатических зонах России.
Значительную долю тракторного парка РФ составляют тракторы, оснащенные дизелями с камерой сгорания ЦНИДИ, которая относится к комбинированным камерам с объемно-пленочным смесеобразованием. Поэтому для оценки эффективности использования рыжико-минерального топлива в тракторных дизелях с камерой ЦНИДИ необходимо не только выполнить комплекс теоретических и экспериментальных исследований, но и разработать устройства, позволяющие адаптировать двигатель к работе на ДСТ.
Следовательно, оценка эффективности использования рыжико-минерального топлива в тракторных дизелях с камерой сгорания ЦНИДИ является актуальной научной и практически значимой задачей для агропромышленного комплекса России.
Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА, тема «Повышение эффективности машинно-тракторных агрегатов эксплуатационными методами» (ГР № 01201157952).
Степень разработанности темы исследований. Вопросами использования ДСТ, биологическим компонентом которого являются растительные масла, занимались многие российские и зарубежные ученые. Однако практически нет исследовательских работ, связанных с применением рыжикового масла в качестве растительного компонента ДСТ и использованием смесевого рыжико - минерального топлива в тракторных дизелях с камерой сгорания ЦНИДИ. Известны только результаты исследований авиационных двигателей при работе на биокеросине, в котором рыжиковое масло является 50%-ной биодобавкой к авиационному керосину.
Актуальность темы исследований подтверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 28 июля 2015 г. № 1472-р «Об утверждении Основных направлений государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года».
Цель исследований – оценить эффективность использования рыжико - минерального топлива в тракторных дизелях с камерой сгорания ЦНИДИ.
Задачи исследований:
1. Выполнить хроматографический анализ рыжикового масла и смесевого ры-жико-минерального топлива, определить их элементарный и жирнокислотный состав, низшую теплоту сгорания, вязкость и плотность.
-
Теоретически оценить эффективность использования смесевого рыжико-минерального топлива по технико-экономическим показателям дизеля и машинно-тракторного агрегата.
-
Разработать и изготовить смеситель минерального топлива и растительного масла с активным приводом и электоронным блоком управления электродозаторами, обосновать его конструктивные и режимные параметры, а также двухтопливную систему питания дизеля, обеспечивающую работу дизеля на двух видах моторного топлива.
-
Экспериментально определить мощностные, топливно-экономические и экологические показатели тракторного дизеля с камерой сгорания ЦНИДИ при работе на смесевом рыжико-минеральном топливе с различным соотношением рыжикового масла и минерального топлива.
-
Провести эксплуатационные исследования трактора, оснащенного дизелем с камерой сгорания ЦНИДИ, оценить его показатели в составе пахотного агрегата при работе на товарном минеральном и смесевом топливах, определить экономическую эффективность от использования смесевого рыжико-минерального топлива в дизелях с.-х. тракторов.
Объект исследований – процесс работы тракторного дизеля с камерой сгорания ЦНИДИ при использовании смесевого рыжико - минерального топлива.
Предмет исследований – мощностные, топливно-экономические, экологические показатели дизеля Д-243 (4Ч 11/12,5) и трактора МТЗ-82 в составе пахотного агрегата при работе на рыжико-минеральном топливе в соотношении растительного и минерального компонентов 25%РыжМ+75%ДТ; 50%РыжМ+50%ДТ; 75%РыжМ+25%ДТ и 90%РыжМ+10%ДТ.
Научную новизну работы представляют:
теоретическое и экспериментальное обоснование использования в тракторном дизеле с камерой сгорания ЦНИДИ смесевого рыжико-минерального топлива по показателям рабочего процесса, индикаторным, эффективным и экологическим показателям дизеля и эксплуатационным показателям трактора в составе МТА;
рациональное процентное содержание рыжикового масла и минерального топлива в ДСТ, рекомендуемое для использования в качестве моторного топлива в дизелях тракторов с.-х. назначения;
технические решения по конструктивной адаптации дизеля с камерой сгорания ЦНИДИ для работы на смесевом рыжико-минеральном топливе.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ на изобретения №2484291 «Двухтопливная система питания дизеля» и №2503491 «Смеситель минерального топлива и растительного масла с активным приводом».
Практическая значимость работы. Рыжиковое масло, по сравнению с минеральным ДТ, имеет меньшую на12,7 % теплоту сгорания, большую в 1,1 раза плотность и в 11,5 раза кинематическую вязкость. Однако рыжиковое масло в смеси с минеральным ДТ обеспечивает существенное уменьшение разницы этих показателей. Так, у ДСТ в соотношении 25%РыжМ+75%ДТ низшая теплота сгорания отличается от минерального ДТ всего на 3,3%, при этом плотность ДСТ превышает в 1,05 раза, а кинематическая вязкость в 3,6 раза аналогичные показатели товарного минерального ДТ.
Использование смесевого рыжико-минерального топлива, например, в соотношении 50%РыжМ + 50%ДТ, при уменьшении эффективной мощности тракторного дизеля (до 7,3 %) и повышении удельного эффективного расхода моторного топлива (до 12 %), обеспечивает экономию товарного минерального ДТ на величину его замещения рыжиковым маслом (на 50%) и снижает дымность отработавших газов (на 7,1%) по сравнению с работой дизеля на товарном минеральном ДТ, что позволяет рекомен-2
довать его в качестве моторного топлива для дизелей.
Достоверность результатов исследований подтверждается сравнительными стендовыми исследованиями дизеля и эксплуатационными исследованиями трактора в составе МТА при работе на минеральном и смесевом рыжико-минеральном то-пливах, применением апробированных методик по расчету показателей дизеля и трактора, а также сходимостью результатов расчетов показателей рабочего процесса, индикаторных, эффективных показателей дизеля и эксплуатационных показателей трактора с результатами моторных и эксплуатационных исследований (погрешность 5…12%).
Реализация результатов исследований. Хроматографический анализ рыжико-минерального топлива проводился в лаборатории биохимического анализа масличных культур ГНУ Пензенский НИИСХ Россельхозакадемии. Сравнительные стендовые исследования дизеля Д-243 при работе на минеральном и смесевом рыжико-минеральном топливах проводились в лаборатории испытаний двигателей ФГБОУ ВО Пензенский ГАУ. Эксплуатационные исследования трактора МТЗ-82 в составе МТА, оснащенного экспериментальной системой питания дизеля (штатная система, смеситель минерального топлива и растительного масла с активным приводом и электронным управлением электродозаторами, блок управления, топливопроводы и дополнительный бак), предназначенной для работы на минеральном и смесевом рыжико-минеральном топ-ливах, проводились в ООО «КФХ Возрождение» Ульяновской области, что подтверждено соответствующим актом.
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 исследований принят метод сравнительных стендовых и эксплуатационных исследований дизеля и трактора в составе МТА при работе на минеральном и смесевом рыжико-минеральном топливах. Обработка экспериментальных данных выполнена с применением пакета прикладных программ Microsoft Excel, Mathcad и др.
Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты доложены и одобрены на всероссийских научно-практических конференциях ФГБОУ ВО «Пензенская ГСХА» (2012-2015 гг.), международных конференциях «Science and Education» Мюнхен, Германия (2013 г.) и ФГБОУ ВО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина» (2014, 2016 гг.), а также на 25-м международном НТС им. Михайлова В.В. ФГБОУ ВО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» (2012 г.).
Конструкторские разработки и материалы исследований представлялись на Всероссийском конкурсе научных работ студентов и аспирантов ВУЗов МСХ РФ г. Уфа (2012 г.) и г. Саратов (2013 г.), Всероссийском конкурсе «Лучшее рацпредложение в сфере энергосбережения и энергоэффективности» г. Москва (2013 г.), конкурсе проектов молодежного инновационного форума Приволжского федерального округа г. Ульяновск (2015 г.), XIX Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД» г. Москва (2016 г.), где отмечены грамотами, дипломами и медалями.
Публикации результатов исследований. По результатам исследований опубликовано 21 работа, в том числе 3 статьи в изданиях, указанных в «Перечне…ВАК», 1 статья в международной базе Agris, получено 2 патента на изобретение, без соавторов опубликованы 2 статьи. Общий объем публикаций оставляет 5,02 п.л., из них 1,9 п.л. принадлежит автору.
Личный вклад автора. Непосредственное участие в анализе научной и патент-3
ной информации по теме диссертации, составление программы и частных методик исследований, создание ключевых элементов смесителя двухтопливной системы питания дизеля, определении химических, физических и теплотворных свойств рыжико-минерального топлива, теоретическом расчете показателей дизеля и МТА при работе на рыжико-минеральном топливе, проведении экспериментальных исследований в стендовых и эксплуатационных условиях, обработке и анализе экспериментальных данных, апробации теоретических и экспериментальных результатов исследований, подготовке публикаций и материалов заявок на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованной литературы из 151 наименований и приложения на 41 с. Общий объем диссертации с приложением составляет 219 с., содержит 70 рис. и 16 табл.
Виды и формы камер сгорания дизелей автотракторной техники
Согласно данной классификации FАО [144]: 1) к твердому биотопливу относятся: - твердые продукты лесопромышленного комплекса (ЛПК): лес, отхо ды деревообработки, пеллеты, древесный уголь; - твердые продукты агропромышленного комплекса (АПК): солома, стебли, жмых, лузга, древесный уголь из данных видов биотоплива; - биологическая часть твердых бытовых отходов (ТБО). 2) к жидкому биотопливу относятся: - жидкие продукты ЛПК: черный щелок, метанол, пиролизное масло; - жидкие продукты АПК: этанол, сырые растительные масла, масляный эфир (биодизель), метанол, пиролизное масло из твердого агротоплива; - жидкая часть биологических муниципальных отходов (иловые осадки сточных вод, пиролизное масло из твердых бытовых отходов); 3) газообразному биотопливу относятся: продукты газификации и пиролиза биотоплива из продуктов ЛПК и АПК; биогаз; генераторный газ; свалочный газ; канализационный газ. Важное место среди различных видов жидкого биотоплива занимает моторное биотопливо для транспорта.
Жидкое биотопливо – это продукт переработки растительного сырья (сахарной свеклы и тростника, рапса, кукурузы и др.), с использованием в технологии переработки биологических процессов (закисления, брожения и др.) является перспективным классом биотоплива. Сырьем для производства является широкий ассортимент растений – от злаковых (пшеница, рожь и др.) до бобовых и корнеплодов, а также отходов лесоперерабатывающей промышленности. Основное применение – двигатели внутреннего сгорания.
Жидкое биотопливо подразделяется на: биоэтанол, биометанол, биобу-танол, диметиловый эфир, биодизель.
Биоэтанол - этанол получаемый путем переработки растительного сырья и используемый как биотопливо. Этанол (этиловый спирт или хлебный спирт), как продукт используется в смеси с бензином. Обладает способностью повышать октановое число, обеспечивает снижение содержания в газах выхлопа вредных веществ. Основным технологическим процессом получения этанола является брожение зерновых культур, с последующей дисцилля-цией барды. Сырьем могут являться не только зерновые, но и древесина, со 17 лома и сено. Этанол, полученный из этого сырья получил название – биоэтанол. Смеси с низким содержанием этанола (до 10 % этанола и 90 % и более бензина) имеют марку E10, используются как добавка для повышения октанового числа и снижения концентрации выбросов, как альтернативные виды топлива не рассматриваются. Смеси, содержание 85 % и более этанола, в соответствии с Законом от 1992 г., нормирующем энергетическую политику, относят к альтернативным видам топлива. Производят смеси 85 % - этанола и 15 % - бензина имеют марку E85, предназначены для использования в машинах оборудованных топливной системой универсального типа, которая позволяет им работать как на чистом бензине, так и на этаноловой смеси. Смеси 95 % - этанола и 5 % - бензина имеют марку E95.
Основным производителем этанола является США, его производство было организовано с целью не только снижения зависимости экономики от нефти, но и получению дополнителдьных доходов фермерами страны.
Достоинства биометанола [125]: - низкий объем выбросов углекислого газа; - возможность производить переработку (рециклинг) образующихся отходов животноводства и сельскохозяйственного производства. Недостатки биометанола: - низкий энергетический КПД — максимум 68%; - бесцветное пламя, что может привести к аварийным ситуациям; - срок окупаемости проекта — до 20 лет; - метанол негативно действует на алюминий, поэтому использование алюминиевых карбюраторов и инжекторных систем подачи топлива в ДВС является проблемными; - гидрофильность, так как метанол втягивает воду, образуются желеобразные ядовитые отложения, это вызывает засорение систем подачи топлива; - уменьшенная летучесть при низкой температуре. Двигатели, рабо тающие на метаноле, имеют проблемы с запуском и до достижения рабочей температуры отличаются повышенным расходом топлива. Биобутанол - (бутиловый спирт, бутанол C4H10O) – представляет собой бесцветную жидкость с характерным запахом сивушного масла. Промышленным бутанол получают технологией оксосинтеза из пропилена в присутствии катализатора из никель-кобальтова при 20…35 МПа и 130…150 C.
В настоящее время основными способами получения бутанола являются пути переработки следующего сырья: - сахара или крахмала растительных культур сельскохозяйственного назначения (биобутанол I поколения); - целлюлозы растений (биобутанол II поколения); - химическим синтезом сырья (бутанол). К преимуществам биобутанола можно отнести: 1) бутанол содержит на 25% больше энергии, чем биоэтанол; 2) низкая испаряемость ( в шесть раз ниже биоэтанола и в 13,5 раз меньше бензина), что обеспечивает его использование без изменений процентного содержания в смеси в любое время года. 3) низкую агрессивную активность, что позволяет проводить его транспортировку продуктопроводами, используемыми для транспортировки товарных углеводородов; 4) легко смешивается с товарными углеводородными топливами в силу низкого давления паров; 5) может являться, по своим физико-химическим свойствам, стопроцентным заменителем бензина, в то время как другие биотоплива могут использоваться только в смеси с углеводородным топливом; 6) энергетическая ценность биобутанола, по сравнению с биоэтанолом, по уровню ближе к показателю бензина (биобутанол содержит около 85% плотности энергии бензина); 7) в присутствии воды смесь, содержащая биобутанол, не расслаивается, в отличие от смеси «этанол-бензин», что позволяет использовать существующую инфраструктуру дистрибуции без модификации установок для смешивания, хранилищ или заправок.
Теоретический расчёт мощности привода смесителя минерального топлива и растительного масла
Наиболее перспективным и малозатратным способом применения растительных масел в качестве биологического компонента дизельного смесево-го топлива является адаптация штатной топливной системы. Обзор источников литературы, патентный поиск показал, что в настоящее время разработаны топливные системы, обеспечивающие работу автотракторных двигателей на дизельном смесевом топливе. Но все они имеют свои недостатки, поэтому рассмотрим некоторые конструкции систем питания дизелей, представляющие наибольший практический интерес. Известна многотопливная система питания двигателя внутреннего сгорания (рис. 1.14) [66].
Система питания двигателя 1 состоящая из бака 2 для расхода углеводородного топлива, бака 3 для расхода другого вида топлива, фильтры 4 и 5 очистки топлив углеводородного и другого типа, клапана 6 управления конструктивного исполнения позволяющего соединить оба расходных бака и выводить топливо в один канал и управляемого с помощью электромагнитного привода, насоса топливоподкачивающего 9, насоса топливного высокого давления 7, форсунки топливной 8, нейтрализатора в выпускном коллекторе отработавших газов каталитического 10, датчика температуры отработавших газов 11 с блоком управления 12 соединенный с датчиком 11 и позволяющий управлять приводом клапана 6.
Принцип работы системы обеспечивает использование углеводородного топлива при режимах пуска и прогрева двигателя, и соответственно в режиме холостого хода, а при увеличении нагрузки на двигатель - перевод его на ра 49 боту на топливо из растительного сырью. Переход осуществляется по сигналам датчика температуры отработавших газов и подачи команды с блока управления на управляющий клапан о закрытии канала углеводородного топлива и открытии канала топлива из растительного сырья.
Недостатком многотопливной системы является невозможность приготовления дизельного смесевого топлива непосредственно в системе питания дизеля.
Известна система питания дизеля двухтопливная (рис. 1.15) [68], включающая бак для углеводородного топлива 1, бак для топлива растительного 2, фильтры очистки топлива 3,4,5, электрические насосы подкачки топлив 6 и 7, насос высокого давления топлива 8, форсунки впрыска топлива 9, топливные магистрали 10 и смеситель топлив 11 с входных каналами 12, 13 и выходным каналом топлива 14, дозаторы топлива 15, 16 работающие от электродвигателей 17, 18, электронный блок управления 19, осуществляющий контроль сигналов с датчиков нагрузки 20, скорости 21 и температуры двигателя 22 и осуществляющий передачу сигнала на электродвигатели дозаторов для регулировки объемов подаваемого углеводородного и топлива из растительного сырья.
Система питания двухтопливная дизеля (наименование позиций в тексте) Принцип работы системы обеспечивает использование углеводородного топлива при режимах пуска и прогрева двигателя, и соответственно в режиме холостого хода при полностью открытом дозаторе 16 и закрытом дозаторе 15, а при увеличении нагрузки на двигатель - перевод его на работу на топливо из растительного сырья. Переход осуществляется по сигналам датчика температуры охлаждающей жидкости 40…50С и подачи команды с блока управления на дозаторы 15 и 16 и электродвигателей 17, 18. При этом в смесителе 11 происходит перемешивание топлив и его поступление в топливный насос высокого давления 8 и через форсунки 9 впрыск в цилиндры дизеля.
Недостатком рассмотренной системы является то, что при смешивании компонентов дизельного смесевого топлива не учитывается их температура, особенно растительного масла, поэтому в смеси не выдерживается необходимое процентное содержание топливных компонентов.
Известна система питания дизеля двухтопливная с автоматическим регулированием состава смесевого топлива (рис. 1.16) [69].
Рисунок 1.16 - Схема двухтопливной системы питания дизеля с автоматическим регулированием состава смесевого топлива (наименование позиций в тексте) Данная система питания включает бак для углеводородного топлива 1, бак для топлива растительного 2, систему подачи стандартного и растительного топлив 3 и 5, фильтры очистки топлива 6 и 15, электрические насосы подкачки топлив 7и редукционного клапана 8, насос высокого давления топлива 16, форсунки впрыска топлива 17, топливные магистрали 10 и смеситель топлив 9 с входных каналами 10, 11 и выходным каналом топлива 12, дозаторы топлива 18, 19 с приводом от регулируемых тяг 20 и 21 со штоком 22 мембранного исполнительного механизма 23, другой конец штока 22 соединен с мембраной 24, нагруженной пружиной 25, причем полость 26 исполнительного механизма 23 с размещенной в ней пружиной 25 сообщена с впускным коллектором 27 дизеля., электронный блок управления 19, осуществляющий контроль сигналов с датчиков нагрузки 20, скорости 21 и температуры двигателя 22 и осуществляющий передачу сигнала на электродвигатели дозаторов для регулировки объемов подаваемого углеводородного и топлива из растительного сырья.
Принцип работы системы обеспечивает использование углеводородного топлива при режимах пуска и прогрева двигателя, и соответственно в режиме холостого хода при полностью открытом дозаторе 18 и закрытом дозаторе 19, а при увеличении нагрузки на двигатель - перевод его на работу на топливо из растительного сырью. Переход осуществляется по изменению давления в впускном коллекторе путем перемещения тяг 20 изменяя подачу топлив дозаторами 18 и 19. При этом в смесителе 9 происходит перемешивание топлив и его поступление в топливный насос высокого давления 16 и через форсунки 17 впрыск в цилиндры дизеля.
Недостатком данной системы питания, является возможность регулирования содержания компонентов в дизельном смесевом топливе, только на одинаковый процент.
Известна система питания двухтопливная с ручной регулировкой сме-севого топлива (рис. 1.17) [77], включающая бак для углеводородного топлива 2, бак для топлива растительного 1, фильтры очистки топлива 4, 8 18, электрические насосы подкачки топлив 5 с редукционным клапаном 6, насос высокого давления топлива 20, форсунки впрыска топлива 21, топливные магистрали 7, 19 и смеситель топлив 9 с входных каналами 10, 11 с размещенными в них дроссельными заслонками 12, 13, закрепленными на поворотных осях 14, 15, и выходным каналом топлива 16, центробежный регулятор час тоты вращения коленчатого вала играет роль блока управления с управлением через рычаг 22.
Рычаги управления 23, 24 дроссельных заслонок 12, 13 соединены тягой 26 и компенсирующим звеном 27 с органом управления подачей смесево-го топлива, в виде двуплечего рычага 28 поворотного типа, шарнирно закрепленной на оси 29, при этом верхний конец рычага 28 под действием внешней нагрузки может перемещаться в пазах сектора 30, с закрепленным указателем 31, отклонение которого показывает числовое значение соотношения растительного и углеводородного топлива в смеси.
Методика определения плотности и вязкости рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива
Смеситель топлива минерального и масла растительного с активным приводом, содержит корпус 1 с патрубками ввода компонентов 2, 3 и вывода смеси 4, нагнетающую крыльчатку 5 и смешивающую крыльчатку 6, соединенную посредством вала 7 с приводом 8, при этом патрубки ввода компонентов 2 и 3 установлены в передней крышке 9 корпуса 1, а выводной патрубок смеси 4 размещен в задней крышке 10 корпуса 1, в полости 11 которой установлена сетка-успокоитель 12, в корпусе 1 имеются четыре отверстия 13, соединяющие рабочую полость 14 со смесевой полостью 15, при этом крыльчатка 5, типа «беличье колесо» с лопатками 16, жестко установлена на валу 7 привода 8, а крыльчатка смешивающая 6 кинематической схемой через планетарную передачу (корпус 1, коронная шестерня 17, сателлиты 18, водило 19 и шестерня вала 20).
Мощность необходимая для привода нагнетающей и смешивающей крыльчаток смесителя определяется: Р =Рш+ Рс2 , (2.75) где Рш - мощность, необходимая для привода нагнетающей крыльчатки, Вт; РС2 - мощность, необходимая для привода смешивающей крыльчатки, Вт.
Так как энергия, необходимая для осуществления циркуляции, в случае механического перемешивающего устройства, сообщается объему перемешивания компонентов топлива через рабочие органы крыльчаток, то мощность, расходуемая на перемешивание, в общем виде может быть записана как: Р=Мк-сэ, (2.75) где Мк - крутящий момент на валу крыльчатки, Нм; - угловая скорость лопастей крыльчатки, с -1. Крутящий момент на валу крыльчатки определяется: MK=F-R, (2.77) где F - сила, действующая на лопасти крыльчатки при перемешивании компонентов топлива, Н; R - расстояние от оси вала до центра тяжести лопасти, м. Сила, действующая на лопасть крыльчатки при перемешивании топливной смеси определяется: F Р Ъ где - плотность топливной смеси (в расчетах принимаем максимальную плотность, соответствующую рыжиковому маслу), кг/м3; SЛ - площадь лобовой поверхности, охватываемая одной лопаткой; м2; Л - осевая скорость компонентов топливной смеси по участкам лопасти, м/с. Выразим угловую скорость лопастей крыльчатки и осевую скорость компонентов топлива по участкам лопасти через частоту вращения крыльчатки: сок=Ъп-пк, (2.79) ол=2-ж-пк-Ят, (2.80) где п - частота вращения крыльчатки, мин-1. Решая совместно уравнения (2.75 - 2.80), получим уравнение для определения мощности на валу крыльчатки, требуемой для перемешивания компонентов топлива: P = 4-x3-n3-R3-p-S. (2.81) Нагнетающая крыльчатка жестко закреплена на валу и имеет два ряда лопастей.
Центр тяжести лопастей внешнего ряда расположен на расстоянии R1 = 0,043 м от оси вращения. Принимаем внешний ряд из m1 = 12 лопастей, площадь лобовой поверхности которых определяется: a1-b1-m1 л1= (2 82) cos а , . где а1 - ширина лопасти, м; b1 - расстояние между колесами на которых закреплены лопасти, м; - угол наклона лопасти к осевой плоскости, град. Центр тяжести лопастей m11 = 4 лопастей внутреннего ряда расположен на расстоянии R11 = 0,018 м, площадь лобовой поверхности которых определяется: S11=a11-V 1, (2.83) где а11 - ширина лопасти, м; b11 - длина лопасти, м. Учитывая, что для предотвращения вспенивания компонентов биотопливной композиции необходимо, чтобы частота вращения вала крыльчаток n = пі 100 мин"1 или (щ 1,67 с"1) проведем расчет мощности необходимой для привода нагнетающей крыльчатки: Рт=Рг+Р, (2.84) где Р1 и Р11 – мощности необходимые для привода верхнего и нижнего ряда лопастей нагнетающей крыльчатки, Вт. Решая совместно формулы (3.107 – 3.110) определим мощность необходимую для привода нагнетающей крыльчатки: cos от Ru all-bll-mll) (2.85) РЯ1=4-ЗД4 3-1,67 3-0,043 3-920-а010 а80 12 + cos 30 +4-3,143-1,673-0,0183-920-0,015-0,080-4 = 0,48 Вт. Смешивающая крыльчатка вращается от вала через планетарный редуктор (рис. 2.2). Рисунок 2.2 – Схема планетарного редуктора: 1 - солнечная шестерня; 2 - сателлит; 3 - коронная шестерня; Н – водило В соответствии с рисунком 2.2 определим передаточное число планетарного редуктора иР=иъш = 1-U \ zj\z2/ + zl (2.86) где U\H - передаточное число редуктора при заторможенной коронной шестерне; и" - передаточное число редуктора при заторможенном водиле; Zj-число зубьев солнечной шестерни; Z2- число зубьев сателлита; Z3- число зубьев коронной шестерни.
Тогда передаточное число редуктора Z иР-1+І[- (2.87) f/P =1 += 4,25 а частота вращения смешивающей крыльчатки P Пі=й (2-88) 100 мин или n = 0,39 с . 23,5 -1 2 -1 п2 4,25 Лопасти смешивающей крыльчатки имеют форму сектора кольца и ограничиваются внешним R2 = 0,045 м, внутренним г2 = 0,025 м радиусами и углом сектора 30 град..
Так как лопасти расположены под углом ф = 45 град. к плоскости вращения, то площадь их лобовой поверхности определяется: s2 = 7t--(i?2 2 -r2 2 )-/M2-cos ; (2.89) где m2 - количество лопастей, шт. Решая совместно формулы (2.86 и 2.94) и учитывая, что КПД планетарной передачи (л =0,8) определим мощность необходимую для привода смешивающей крыльчатки: 4-x3-n3-R3-p-v -(%-гЯт2-со5 р рС2= Ш і (2.90) 4.3,143-0,393.0,0353.920.3,14. .( 0,0452-0,0252 ).12.со,45 РС2= 60 = 0,001 Вт. 0 0,8 Тогда, необходимая мощность для привода смесителя: Р = 0,48+0,001=0,481 Вт. Для привода смесителя выбираем моторедуктор 84.3730 со следующими техническими характеристиками: напряжение U=12 В; сила тока I=4/4,7 А; мощность P=60 Вт; крутящий момент на выходном валу T=5 Нм; частота вращения выходного вала n=45/65 мин-1; масса m=1,5 кг.
Для эффективной работы тракторного дизеля при использовании ДСТ требуется точное дозирование компонентов смесевого топлива.
Теоретическое обоснование влияния пропускной способности входных каналов смесителя на состав смесевого рыжико-минерального топлива проводилось в зависимости от хода штока клапанов электродозаторов.
Основной сложностью дозирования компонентов смесевого топлива являются их различные физические свойства (плотность, вязкость), а также переменный расход топлива на различных нагрузочно - скоростных режимах дизеля.
В предлагаемом смесителе расход ДСТ (Qдст) состоит из двух потоков: (рисунок 2.3), тогда общий расход определяется: Qдст=Qдт + QРыжМ, (2.91) где Qдт, QРыжМ – расход соответственно минерального топлива и растительного масла, м3/с. Так как в качестве дозирующих устройств, применяются регулируемые дроссели (электродозаторы), то расход через них рассчитывается по формулам [14]: Qffi=vm-sm. p -P 2 дт дст, (2.92) Рдт Рисунок 2.3
Гидравлическая схема двухтопливной системы питания дизеля: 1, 2 – топливные баки соответственно минерального топлива и растительного масла; 3,4 – насосы подачи соответственно минерального топлива и растительного масла; 5 – топливный насос высокого давления; 6,7 – перепускные клапаны; ДР1, ДР2 – регулируемые дроссели (электродозаторы) соответственно минерального топлива и растительного масла; РДТ, РРМ, РДСТ – давления в магистралях соответственно минерального топлива, растительного масла и смесевого топлива. где цДР1, Цдр2- коэффициенты расхода дросселей соответственно минерального топлива и растительного масла; 8ДР1, 8дР2- площади проходных сечений дросселей соответственно минерального топлива и растительного масла, м2; Рдт, Ррыжм, Рдст - давления в магистралях соответственно минерального топлива, растительного масла и смесевого топлива, Па; рдт, ррыжм - плотности соответственно минерального топлива и растительного масла, кг/м3. Подставив формулы (2.92 и 2.93) в (2.91) получим:
Работа электронного блока управления электродозаторами смесителя минерального топлива и рыжикового масла с активным приводом
Растительное рыжиковое масло состоит из молекул высших алифатических кислот, представляющих собой высокомолекулярные кислородсодержащие соединения с углеводородным основанием и связанных с молекулой глицерина. Это моно-, ди- и триацилглицерины.
Молекулярный состав рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива определялся на основании следующих исходных данных: число атомов в молекуле каждой кислоты таких элементов как кислород, углерод и водород, масса молекулярная кислот, содержание каждой из кислот, в процентом значении, в исследуемом масле растительном.
Хроматографический анализ рыжикового масла сорта «Пензяк» (100%РыжМ) и рыжико-минерального топлива в виде смеси с процентным содержанием компонентов: 25%РыжМ и 75%ДТ; 50%РыжМ и 50%ДТ; 75%РыжМ и 25%ДТ; 90%РыжМ и 10%ДТ проводился на хроматографе «Кристалл-2000М» (рис. 4.1) в ГНУ Пензенский НИИСХ Россельхозакадемии.
Результаты проведенного хроматографического анализа натурального рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива в процентном соотношении компонентов 25:75, 50:50, 75:25 и 90:10 по составу и содержанию высших жирных кислот (ВЖК) приведены в таблице 4.1 [96].
Результаты хроматографического анализа натурального рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива
Наименование ВЖК ХимическаяформулаВЖК Относительное содержание ВЖК, % 100% РыжМ 90%РыжМ + 10% ДТ 75%РыжМ+ 25%ДТ 50%РыжМ + 50%ДТ 25%РыжМ+ 75%ДТ Мононенасыщенные, в том числе: - 26,4 27,88 26,37 26,42 25,71 Пальмиголеиновая СібН3о02 0,07 0,026 0,09 0,11 0,17 Олеиновая Сі8Нз402 12,73 13,531 12,63 12,60 12,09 Нервоновая С24Н4б02 0,03 0,619 0,03 0,08 0,16 Эруковая С22Н4202 2,38 2,452 2,41 2,49 2,54 Эйкозеновая с20н38о2 11,19 11,248 11,21 11,14 10,75 Насыщенные, в том числе: - 8,5 8,07 8,62 8,87 9,71 Миристиновая Сі4Н2802 0,04 0,006 0,03 0,03 0,01 Пальмитиновая Сі6Н3202 4,30 4,254 4,22 4,23 4,23 Бегеновая с22н44о2 0,31 0,339 0,33 0,34 0,38 Стеариновая Сі8Нз602 2,30 2,276 2,27 2,23 2,14 Лигноцериновая с24н48о2 0,50 0,143 0,51 0,53 0,56 Пентадекановая Сі5Н30О2 0,01 0,0019 0,22 0,47 1,36 Арахиновая С20Н40О2 1,04 1,049 1,04 1,04 1,03 Полиненасыщенные, в том числе: - 69,1 64,05 65,01 64,71 64,58 у-линоленовая Сі8Н30О2 0,01 0,032 0,04 0,06 0,13 а-линоленовая Сі8Н30О2 36,92 36,033 36,93 36,80 36,60 Линолевая Сі8Н3202 24,29 24,240 24,15 23,96 23,92 Арахидоновая с20н32о2 1,88 1,828 1,88 1,87 1,84 Эйкозадиеновая C20H36O2 1,52 1,523 1,55 1,56 1,62 Докозатриеновая с22н38о2 0,24 0,379 0,24 0,25 0,26 Докозадиеновая с22н40о2 0,24 0,016 0,22 0,21 0,21 Содержание высших жирных кислот в натуральном рыжиковом масле составило: насыщенных 8,5 %; мононенасыщенных 26,4 %; полиненасыщен 115 ных 69,1 %. Самое высокое процентное содержание составили следующие кислоты: а-линоленовая 36,92 %; линолевая 24,29 %; олеиновая 12,73 % и эйкозеновая 11,19 %.
При смешивании рыжикового масла и товарного минерального дизельного топлива наблюдалось повышение процентного содержания пентадека-новой, пальмитолеиновой, нервоновой и снижение содержания пальмитиновой, стеариновой, миристиновой жирных кислот при увеличении доли минерального ДТ в смесевом рыжико-минеральном топливе.
Элементарный (углеводородный) состав и низшую теплоту сгорания рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива определяли по следующей методике [115,116,119]. По известному процентному содержанию (г) в каждой кислоте CxHYOz высших алифатических кислот и содержащихся в них чисел атомов (у) водо рода, (х) углерода и кислорода (z), рассчитываем для каждого элемента сред нее число атомов в рыжиковом натуральном масле по следующим формулам хср = 1х;Т;; уср = ІуіТі; zcp = T.zi-ri. (4.1) Проведем расчет элементарного (углеводородного) состава рыжикового масла с учетом данных, представленных в таблице 2.1: уср=(28-0,04+30-(0,01+0,07+36,92+0,01)+32-(4,3+24,29+1,88)+34-12,73+ +36(2,3+1,52)+38(11,19+0,24)+40(1,04+0,24)+42-2,38+440,31+460,03+ +48-0,5)- 0,01 = 32,81; хср=(140,04+150,01+16(4,3+0,07)+18(2,3+12,73+36,92+24,29+0,01)+ +20(1,04+11,19+1,88+1,52)+22(0,31+2,38+0,24+0,24)+24(0,5+0,03))0,01=18,38; zcp=2-(4,3+2,3+0,01+l,04+0,5+0,31+0,04+12,73+ll,19+2,38+0,07+0,03+ +36,92+24,29+1,88+1,52+0,24+0,24+0,01) 0,01= 2. 116 В этом случае химическая усредненная формула жирных выделенных КИСЛОТ РЫЖИКОВОГО МаСЛа СОСТаВИТ Ci8,38 32,8l02 Рассчитаем усредненную молекулярную формулу рыжикового масла: ЗС18І38НЗ2,8ІО2+СЗН5(ОН)3-ЗН2О=ЗС18І38НЗ2,8ІО2+СЗН2= С58І14Н100,4ЗО6. (4.2) Определим среднюю молекулярную массу рыжикового масла по формуле: МРыжА (х-3+3) -С+(у-3+2) -H+z-3-O, (4.3) где х, у, z - число атомов, соответственно, углерода, водорода и кислорода усредненной химической формулы рыжикового масла; С, Д О - массы молекулярные углерода, водорода и кислорода (С=12,011г/моль, Я=1,0079 г/моль, 0=15,9994 г/моль). Тогда MtoM=(18,38-3+3) -12,011 + (32,81-3+2) -1,0079 + (2-3) -15,9994 = 895,536 г/моль. Рассчитаем суммарные молекулярные массы каждого элемента находящегося в рыжиковом масле по формулам: ЕМ(С) = М(С) -хср; Ш(Н) = М(Н) уср; Ш(О) = М(О) -zcp. (4.4) Тогда Ш(С) = 12,011-58,14 = 698,32 г/моль; Ш(Н) = 1,0079-100,43 = 101,22 г/моль; Ш(О) = 15,9994-6 = 95,996 г/моль. Чтобы получить относительные доли углерода (С), водорода (Я) и кислорода (О) разделим их суммарные молекулярные массы на молекулярную массу рыжикового масла: С = ZM(С)/ МРыжМ; (4.5) Н = ЕМ(Н)/ МРыжМ; (4.6) О = Ш(О)/ МРыжМ. (4.7) Тогда С=698,32 / 895,536 = 0,766; Н= 101,22 / 895,536 = 0,119; 0=95,996 / 895,536 = 0,115. 117 Следовательно, элементарный (углеводородный) состав рыжикового масла: С = 0,766; Н = 0,119 и 0 = 0,115. Далее определяем элементарный (углеводородный) состав смесевого рыжико-минерального топлива, состоящего из рыжикового масла и товарного минерального ДТ марки Л-0,2-62 с процентным (по массе) содержанием РыжМ 25, 50, 75 и 90%. Элементарный (углеводородный) состав рыжико-минерального топлива: Сдст = Kj -СрЬІжМ + К2 СДТ, (4.8) Hdcn = Kj -НРьіжМ + К2 -НДТ, (4.9) Odcm = КгОРыжМ + К2-Одт, (4.10) где Сдт, Одт, Ндт - элементарный (углеводородный) состав товарного минерального ДТ марки Л-0,2-62 (С = 0,87, Ндт = 0,126 и Ощ =0,004 ); СРыжМ, 0РыжМ, НРыжМ - элементарный (углеводородный) состав рыжикового масла; Kj - доля товарного минерального дизельного топлива; К2 - доля рыжикового масла.
Элементарный (углеводородный) состав смесевого рыжико-минерального топлива, состоящего из 25% рыжикового масла и 75% минерального ДТ, будет равен: С25= СрыжМ-0,25 + Сдт-0,75=0,766-0,25 + 0,87-0,75=0,844; Н25= НрыжМ-0,25 + Ндг0,75=0,119-0,25 + 0,1260,75=0,125; 025= ОрЬ1Жм-0,25 + ОдТ-0,75=0,115-0,25 + 0,004-0,75=0,031. Аналогичным образом определены элементарные (углеводородные) составы смесевого рыжико-минерального топлива с процентным (по массе) содержанием РыжМ 50, 75 и 90%: С50= СрыжМ-0,5 + Сдт-0,5=0,766-0,5 + 0,87-0,5=0,818; Н5о= НрыжмО,5 + Ндт-0,5=0,1190,5 + 0,1260,5=0,123; О50= ОрЬ1Жм-0,5 + Одт-0,5=0,115-0,5 + 0,004-0,5=0,059; С75= СрыжМ-0,75 + Сдт-0,25=0,766-0,75 + 0,87-0,25=0,792;