Содержание к диссертации
Введение
1 Опыт использования дизельного смесевого топлива 13
1.1 Перспективы использования дизельного смесевого топлива 13
1.2 Способы повышающие работоспособность плунжерных пар ТНВД 24
1.3 Противоизносные и смазывающие свойства нефтяного дизельного топлива 26
1.3.1 Анализ противоизносных и смазывающих свойств нефтяного дизельного топлива 26
1.3.2 Анализ использования растительных масел в качестве биокомпонента дизельного смесевого топлива 30
1.4 Цель и задачи исследований 37
2 Теоретические исследования работоспособности топливной системы тракторных дизелей при использовании смесевого рыжико-минерального топлива 39
2.1 Теоретическая оценка работоспособности плунжерных пар ТНВД при работе на смесевом рыжико- минеральном топливе 39
2.1.1 Теоретический расчет критического кольцевого зазора в сопряжении плунжер – втулка при работе ТНВД на смесевом рыжико- минеральном топливе 39
2.1.2 Теоретический расчет изменения кольцевого зазора в сопряжении плунжер – втулка ТНВД в зависимости от содержания рыжикового масла в смесевом рыжико – минеральном топливе 43
2.2 Теоретическая оценка ресурса плунжерных пар ТНВД при работе на смесевом рыжико - минеральном топливе 47
Выводы 52
3 Программа и методика экспериментальных исследований 54
3.1 Программа исследований 54
3.2 Методика лабораторных исследований кинематической вязкости и плотности рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива 55
3.3 Методика трибологических исследований рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива 59
3.3.1 Методика трибологических исследований рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива на универсальном трибометре 59
3.3.2 Методика трибологических исследований рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива на машине трения СМТ-1 61
3.4 Методика ускоренных испытаний насосных секций ТНВД на износ плунжерных пар 67
3.4.1 Методика снятия и обработки осциллограмм давления топлива на выходе из штуцеров насосных секций ТНВД 67
3.4.2 Методика измерения геометрических размеров деталей плунжерных пар ТНВД и определения зазора в сопряжении плунжер – втулка 76
3.4.3 Методика определения износа плунжерных пар ТНВД весовым методом 78
3.5 Методика эксплуатационных исследований трактора при работе дизеля на минеральном и смесевом рыжико-минеральном топливах 79
3.5.1 Техническое обеспечение трактора для работы дизеля на смесевом рыжико – минеральном топливе 79
3.5.2 Методика эксплуатационных исследований трактора при работе на минеральном и смесевом рыжико-минеральном топливах по показателям работоспособности плунжерных пар ТНВД 87
Выводы 90
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 92
4.1 Результаты лабораторных исследований кинематической вязкости и плотности рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива 92
4.2 Результаты трибологических исследований рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива .94
4.2.1 Результаты трибологических исследований рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива на универсальном трибометре 94
4.2.2 Результаты трибологических исследований рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива на машине трения СМТ-1 96
4.3 Результаты ускоренных испытаний насосных секций ТНВД на износ плунжерных пар до и после исследований 98
4.3.1 Результаты осциллограмм давления топлива на выходе из штуцеров насосных секций ТНВД 98
4.3.2 Результаты измерения геометрических размеров деталей плунжерных пар и определения зазора между плунжером и втулкой 99
4.3.3Результаты определения износа плунжерных пар весовым методом 101
4.4 Результаты эксплуатационных исследований трактора при работе на минеральном и смесевом рыжико-минеральном топливах по показателям работоспособности плунжерных пар ТНВД 102
Выводы 110
5 Экономическое обоснование использования смесевого рыжико-минерального топлива в дизелях тракторов 113
Выводы 117
Заключение 118
Рекомендации производству 121
Перспективы дальнейшей разработки темы 121
Список использованной литературы 122
Приложение 150
- Перспективы использования дизельного смесевого топлива
- Теоретическая оценка ресурса плунжерных пар ТНВД при работе на смесевом рыжико - минеральном топливе
- Техническое обеспечение трактора для работы дизеля на смесевом рыжико – минеральном топливе
- Результаты эксплуатационных исследований трактора при работе на минеральном и смесевом рыжико-минеральном топливах по показателям работоспособности плунжерных пар ТНВД
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Повышение технического ресурса с.–х. тракторов является одной из основных задач агропромышленного сектора РФ.
В аграрных предприятиях страны применяются тракторы различных тяговых классов, оснащенные поршневыми дизелями. При этом дизели всех модификаций потребляют топливо нефтяного (минерального) происхождения, смазывающие свойства которых недостаточны для обеспечения работоспособности прецизионных пар топливной аппаратуры.
Исследования показали, что до 70…80% отказов машин происходит из-за износа узлов трения, а на их ремонт ежегодно расходуются значительные материальные и финансовые средства.
Наибольшему отказу подвержены прецизионные детали топливной аппаратуры (до 54 %). Наиболее частыми отказами топливных насосов высокого давления (ТНВД) являются износ плунжерных пар: плунжера и втулки.
Одним из способов повышения работоспособности плунжерных пар ТНВД является снижение изнашивания сопрягаемых деталей за счет увеличения их твердости, улучшения фильтрованности топлива и повышения смазывающей способности топлива. С точки зрения простоты реализации и получения наибольшего эффекта наиболее перспективным является улучшение смазывающей способности моторного топлива.
Повысить смазывающую способность моторного топлива можно применением жидких топлив биологического происхождения или путем введения растительного масла в товарное минеральное дизельное топливо (ДТ).
Основным потребителем дизельного топлива нефтяного происхождения является с.–х. РФ. Вместе с тем, оно само может удовлетворить свои потребности в дизельном топливе за счет производства и применения моторных топлив растительного происхождения.
В 2012 году принята комплексная программа развития биотехнологий в России на период до 2020 года. Концепцией развития научного обеспечения АПК РФ на период до 2025 года (в соответствии с приказом МСХ РФ № 342 от 25 июня 2007 г.) предусмотрено одно из перспективных направлений развития - разработка оборудования, работающего на возобновляемых источниках энергии и, в частности, на биотопливе.
По данным Международного Энергетического Агенства к 2050 году доля топлив из растительного сырья в отраслях экономики может быть увеличена до 750 млн. тонн в эквиваленте нефтяных топлив, что составит 27…30 % всего мирового объема моторного топлива и обеспечит снижение объемов выбросов автотракторных средств более чем на 20 %, а также уменьшить зависимость потребителей топлив от запасов нефтяных месторождений. Одним из видов биотоплива является дизельное смесевое топливо (ДСТ), компонентами которого являются нефтяное ДТ и растительное масло (например, рыжиковое масло).
Таким образом, использование растительных масел в качестве биокомпонента ДСТ с целью не только экономии нефтяного ДТ и уменьшения экологической безопасности, но и повышения работоспособности плунжерных пар ТНВД является перспективным направлением и его развитие обуславливают следующие факторы:
- стремление к снижению зависимости отдельных государств от импорта нефтяного
топлива и обеспечить собственную топливно–энергетическую безопасность;
- выполнение требований Киотского протокола, предусматривающего сокраще
ние вредных выбросов в атмосферу и снижение парниковых газов;
- обеспечение развития агропромышленного сектора экономики, включая
отрасль переработки отходов сельского хозяйства и создание новых рабочих мест.
В качестве биокомпонента ДСТ используют различные растительные масла, производимые из таких масличных культур как рапс, сурепица, сафлор, лен масличный, горчица белая и другие. Перспективным биокомпонентом считается рыжиковое масло.
Следовательно, повышение работоспособности плунжерных пар ТНВД тракторных дизелей применением смесевого рыжико-минерального топлива является актуальной научной и практически значимой задачей для АПК России.
Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВО Ульяновский ГАУ, тема «Повышение эффективности использования энергетических ресурсов разработкой и совершенствованием энергоресурсосберегающих, энергоэффективных и экологически безопасных средств и технологий» (ГР № АААА–А16–116041110197–6).
Степень разработанности темы исследований. Вопросами эффективности использования растительных масел в качестве биологического компонента ДСТ, а также их влияния на работоспособность узлов и агрегатов топливной аппаратуры, занимались многие российские и зарубежные ученые. Однако практически нет исследовательских работ, связанных с влиянием смесевого рыжико - минерального топлива на работоспособность прецизионных пар и технический ресурс ТНВД. Известны результаты исследований (авторы Быченин А.П., Болдашев Г.И., Ротанов Е.Г., Уханов А.П., Уханов Д.А.) на износ плунжерных пар ТНВД при работе на ДСТ, компонентами которого являлись нефтяное ДТ и рапсовое масло.
Актуальность темы исследований подтверждена Стратегией научно-технологического развития Российской Федерации (Указ Президента страны № 642 от 1 декабря 2016 года) – переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии.
Цель исследований – обеспечение работоспособности топливной системы тракторных дизелей при использовании смесевого рыжико-минерального топлива.
Задачи исследований:
1. Теоретически исследовать влияние смесевого рыжико-минерального топлива на работоспособность топливной системы тракторных дизелей.
2.Провести лабораторные исследования по определению физических
(кинематической вязкости, плотности) и трибологических свойств рыжикового масла и смесевого рыжико-минерального топлива.
-
Провести экспериментальную оценку влияния состава смесевого рыжико-минерального топлива на работоспособность плунжерных пар и параметры топливоподачи на основании результатов сравнительных ускоренных испытаний ТНВД на безмоторном стенде и эксплуатационных исследований с.-х. тракторов в производственных условиях.
-
Выполнить расчет экономического обоснования по использованию смесевого рыжико-минерального топлива в системе питания тракторных дизелей.
Предмет исследований – показатели изнашивания (массовый износ деталей плунжерных пар, зазор в сопряжении «плунжер-втулка», овальность и конусность плунжера и втулки), параметры топливоподачи (цикловая подача топлива, максимальное давление топлива на выходе из штуцера насосных секций ТНВД) насоса 4УТНМ и ресурс плунжерных пар ТНВД при работе на смесевом рыжико–минеральном топливе в соотношении биологического и минерального компонентов 10%РыжМ+90%ДТ, 20%РыжМ+80%ДТ, 30%РыжМ+ 70%ДТ, 40%РыжМ+60%ДТ, 50%РыжМ+50%ДТ. Научную новизну работы представляют: - расчетно-теоретическая оценка износа и ресурса плунжерных пар насосных
секций ТНВД в зависимости от содержания рыжикового масла в смесевом рыжико-минеральном топливе;
- показатели трибологических свойств смесевого рыжико–минерального топлива;
- численные значения показателей износа, ресурса плунжерных пар ТНВД и
параметров топливоподачи насосных секций ТНВД при работе на смесевом рыжико-
минеральном топливе различного состава;
рациональный состав рыжико-минерального топлива по показателям износа и ресурса плунжерных пар ТНВД, а также по параметрам топливоподачи;
количественные оценки показателей работоспособности плунжерных пар ТНВД при эксплуатации машинно-тракторного агрегата;
конструкция ТНВД для сравнительных ускоренных испытаний насосных секций на износ плунжерных пар при его одновременной работе на двух видах моторного топлива (смесевом и минеральном);
технические решения по конструктивной адаптации дизеля для работы на смесевом рыжико-минеральном топливе.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ №2582535
«Двухтопливная система питания дизеля», №2582700 «Смеситель-дозатор
растительного масла и минерального дизельного топлива», № 176574 «Топливный насос высокого давления для сравнительных испытаний насосных секций при его работе на различных видах дизельного топлива».
Практическая значимость работы. Использование рыжикового масла в качестве биокомпонента ДСТ улучшает смазывающие свойства смесевого рыжико-минерального топлива, и параметры топливопадачи дизеля, снижает износ и повышает ресурс плунжерных пар насосных секций ТНВД. Наилучшим составом ДСТ по показателям износа и параметрам топливоподачи является смесевое рыжико-минеральное топливо состава 50%РыжМ + 50%ДТ. При работе ТНВД на смесевом топливе 50%РыжМ+50%ДТ снижаются средний массовый износ плунжерных пар в 4 раза и интенсивность изнашивания плунжерных пар в 3,94 раза, повышаются цикловая подача топлива на 17 мм3/цикл, среднее максимальное давление топлива на выходе из штуцеров насосных секций ТНВД на 1,1 МПа, а увеличение ресурса плунжерных пар ТНВД в 1,6 раза позволяет снизить средние годовые затраты на ремонт ТНВД на 63%, а годовые эксплуатационные издержки на 4% по сравнению с работой трактора на нефтяном ДТ.
Использование экспериментального ТНВД для ускоренных испытаний плунжерных пар на износ позволяет уменьшить продолжительность испытаний и повысить достоверность результатов исследований.
Достоверность результатов исследований подтверждается сравнительными трибологическими исследованиями смесевого рыжико–минерального топлива на универсальном трибометре типа ТУ и машине трения СМТ–1, а также ускоренными стендовыми испытаниями плунжерных пар У16с15 насосных секций по показателям износа и параметрам топливоподачи в идентичных условиях скоростных и температурных режимах на экспериментальном ТНВД; эксплуатационными исследованиями плунжерных пар ТНВД на износ при работе тракторов МТЗ-82 на товарном минеральном дизельном и смесевом рыжико-минеральном топливах; использованием протарированной контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратуры, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Реализация результатов исследований. Трибологические исследования смесевого рыжико–минерального топлива с различным процентным соотношением
компонентов проводились в специализированной лаборатории кафедры «Тракторы и автомобили» ФГБОУ ВО Самарская ГСХА. Лабораторные исследования параметров топливоподачи ТНВД и ускоренные испытания плунжерных пар ТНВД проводили в лаборатории топливной аппаратуры кафедры «Эксплуатация мобильных машин и технологического оборудования» ФГБОУ ВО Ульяновский ГАУ. Измерение геометрических размеров деталей плунжерных пар проводили в центральной заводской лаборатории ОАО «Автодеталь-Сервис» г. Ульяновска. Эксплуатационные исследования проводили в КФХ «Возрождение» Ульяновской области, результаты НИОКР приняты к внедрению, 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 испытаний ТНВД и эксплуатационных исследований трактора в составе МТА при работе на нефтяном и смесевом рыжико-минеральном топливах. Обработка экспериментальных данных выполнена с применением пакета прикладных программ Microsoft Excel, Mathcad, ACDLab и др.
Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты доложены и одобрены на всероссийских научно-практических конференциях ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА (2013 г.), ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА (2016 г.) международных конференциях ФГАОУ ВО Казанский (Приволжский) федеральный университет (2014 г.), ФГБОУ ВО Ульяновский ГАУ (2014-2017 гг.), ФГБОУ ВО Пензенский ГАУ (2015-2017 гг.), ФГБОУ ВО Воронежский ГАУ (2016 г.) и «Science and practice: a new level of integration in the modern world» Шеффилд, Великобритания (2016 г.), а также на 30-м международном НТС им. Михайлова В.В. ФГБОУ ВО Саратовского ГАУ (2017 г.).
Конструкторские разработки и материалы исследований представлялись на Все
российских конкурсах научных работ студентов и аспирантов ВУЗов МСХ РФ г. Уфа
(2012 г.), г. Саратов (2013 г.) и г. Москва (2018г.), 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 35 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых изданиях по «Перечню…ВАК», две статьи – в международных базах, получено 3 патента РФ на изобретение, без соавторов опубликовано две статьи. Общий объем публикаций оставляет 5,02 п.л., из них 3,1 п.л. принадлежит автору.
Личный вклад автора. Непосредственное участие в анализе научной и патентной информации по теме диссертации, составление программы и частных методик исследований, создание ключевых элементов смесителя-дозатора двухтопливной системы питания дизеля и экспериментального топливного насоса высокого давления для сравнительных испытаний насосных секций, определении физических свойств рыжико-минерального топлива, теоретическом расчете износа и ресурса плунжерных пар ТНВД 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 196 наименований и приложения на 49 с. Общий объем диссертации с приложением составляет 198 с., содержит 57 рис. и 13 табл.
Перспективы использования дизельного смесевого топлива
Известно, что двигателями внутреннего сгорания (ДВС) вырабатывается около 90% всей механической энергии, которая используется в процессе деятельности человечества. Поршневые ДВС являются главными потребителями моторных топлив нефтяного происхождения, ресурсы которых зависят от геологических залежей полезных ископаемых, запасы которых ограничены.
Вопросы, связанные с экологией и энергетической безопасностью любой страны, существенно влияют на человека, флору и фауну. Постоянное увеличение загрязнения нашей окружающей среды, изменение теплового баланса в атмосфере приводят к глобальному нарушению общего климата на планете.
Именно по этим причинам начиная с 1988 года в большинстве стран Европы, США и Японии поэтапно начали вводить экологические стандарты ЕВРО – 0…6 (ЕURO) [1,2], которые регулируют содержание вредных, опасных веществ в отработавших выхлопных газах автотранспортных средств, оснащенных как бензиновыми, так и дизельными двигателями.
В настоящее время в Евросоюзе действует стандарт ЕВРО–6 (рис. 1.1) [2], введенный в сентябре 2014 г. и обязательный для автомобилей, выпущенных с сентября 2015г.
Сравнение стандартов ЕВРО–5 и ЕВРО–6 для разных категорий автомобилей (с учетом вида топлива) показывает интересную особенность нового регламента: он оставляет неизменными нормы для бензиновых двигателей. Стандарт ЕВРО–6 направлен только против вредоносного влияния на здоровье людей и окружающую среду дизельных двигателей.
В России в соответствии с Техническим регламентом № 609 от 12 октября 2005 г. «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ» экологический класс ЕВРО–5 вводится с 1 января 2016 года. С этого времени, все автомобили, попадающие на территорию России, должны соответствовать данному экологическому стандарту.
Наряду с введением в действие экологических стандартов ЕВРО–5 и ЕВРО–6 для выпускаемых автотранспортных средств, вводятся современные ГОСТы на топливо ЕН 590:2004 [3].
С 01.01.2016 г. в России предусмотрено использование бензинов и дизельного топлива стандарта не ниже ЕВРО–5 в соответствии с ГОСТ 53268– 2005, ГОСТ 305–2013, ГОСТ 32511–2013, ГОСТ 32513–2013 [4-7].
Применение топлива по стандарту ЕВРО–5 и ЕВРО–6 уменьшает дым-ность отработанных газов автомобиля, снижает выброс продуктов сгорания (твердых частиц, оксидов азота, окиси углерода, несгоревших углеводородов). Кроме этого, топливо данного стандарта улучшает процесс сгорания топлива, снижает уровень шума и вибрации, уменьшает степень коррозии, облегчает пуск двигателя, уменьшает расход топлива. Особенностью развития настоящего мира - это приоритетное внимание всего мирового сообщества, направленное на проблемы рационального и эффективного использования энергоресурсов, а также внедрения технологий, связанных с энергосбережением и поиском альтернативных и возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
В настоящее время развитие возобновляемой энергетики в всем мире принимает ускоренный характер - это связано с все более нарастающими многими факторами кризисных явлений, носящих глобальный характер. В первую очередь можно отметить ограниченность разведанных геологических запасов таких видов топливных ресурсов, как нефть и газ (табл. 1.1), что неизбежно приводит к постоянному росту их цен [8,9]. В то же время, происходит неизбежный рост отрицательного действия экологических факторов, вызванных человеческой жизнедеятельностью.
В основном экологический ущерб, связан с общими глобальными из менениями климата на Земле по причине парникового эффекта наносят главным образом добыча, переработка и сжигание продуктов переработки угля, нефти и газа.
Биотопливо на сегодняшний день занимает важное место в общей структуре ВЭИ. Являясь одним из немногочисленных видов альтернативного топлива в автотранспортном секторе, биотопливо следует рассматривать в качестве одного из важных ресурсов при выборе как источников энергии, так и обеспечения в целом энергетической безопасности, а также развития с.-х. и самих сельских регионов, и в целом смягчения последствий, вызванных изме 16 нением климата за счет снижения парникового эффекта [10].
В настоящее время все виды биотоплива (рис. 1.2) [5] делят на первое и второе поколения.
В целом биомассу, рассматривая как сырье с целью получения биотоплива, можно классифицировать по следующим показателям [11]: «пищевые масло- и сахаросодержащие наземные растения; непищевые и целлюлозосо-держащие растения; непищевые водные растения, т. е. водоросли».
Биотопливо относящееся к первому поколению производят из сахара, крахмала, растительного масла и животного жира, при этом используются традиционные технологии. Главными источниками сырья, в этом случае являются семена масличных культур или зерно. Так, например, из масличных семян рапса получают техническое растительное масло, которое впоследствии используют в биодизеле. Из семян пшеницы производят крахмал, а после процесса сбраживания получают биоэтанол.
Масштабная вырубка лесов, отрицательно воздействует на культурное с.-х., что приводит к дисбалансу при использовании сельскохозяйственных угодий в сторону технических с.-х. культур и вызывает угрозу продовольственной безопасности страны — вот некоторые проблемы, с которыми в последнее время сталкивается человечество при получении биотоплива. Главной проблемой при производстве топлива, получаемого из биомассы - это продовольственная безопасность, потому что биотопливо, относящееся к 1-му поколению производят из с.-х. культур, которые входят в пищевое обеспечение как людей, так и животных (кукуруза, соя, масличная пальма, рапс, сахарный тростник, пшеница, рожь). По этой причине обширные площади, где получали продовольствие, отданы для возделывания технических культур. Так как население Земли неустанно растет, что вызывает всё большую потребность в пище, то отвлечение этих площадей с целью производства биотоплива снижает количество производимых продуктов питания, при этом увеличивается их себестоимость.
Исходя из этого, более перспективным считается биотопливо 2-го поколения, которое производят из непищевого сырья. В этом случае источниками сырья служат лигноцеллюлозные соединения, которые остаются после удаления части растительного сырья пригодного для использования в пищевой промышленности. С этой целью используются быстрорастущие деревья и травы (тополь, ива, мискантус, ятрофа и другие) [11]. По другому их называют энергетическими лесами или плантациями. В настоящее время исследовано более 20 разновидностей растений, как древесных, кустарниковых, так и травянистых.
Преимуществом такого биотоплива является то, что используемые растения для их получения, не вступают в конкуренцию с продовольственными культурами за сельхозугодия. Потому что они могут выращиваться на труднодоступных склонах, холмах, в оврагах, а также на слабо продуктивных и вырождающихся сельхозугодиях, в том числе даже с перспективой их восстановления.
Сегодня, когда число автомобилей на дорогах, объемы потребления топлива и цены на топливо резко возросли, актуализировался вопрос о том, на каком топливе дальше ездить. Нефть и бензин соответственно дорожают. Газ, используемый в качестве топлива, является побочным продуктом переработки нефти и тоже растет в цене.
Теоретическая оценка ресурса плунжерных пар ТНВД при работе на смесевом рыжико - минеральном топливе
Работоспособность дизельной топливной аппаратуры зависит от конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. В процессе эксплуатации автотракторной техники происходит изменение параметров технического состояния топливной аппаратуры, в оосновном, по дпричине износа ее узлов и агрегатов.
Анализ изношенных прецизионных пар топливной аппаратуры дизельных двигателей показал, что такие пары подвергаются, главным образом, абразивному износу частицами, содержащимися в дизельном топливе и проникающими через фильтрующие элементы топливных фильтров [24–27].
Мельчайшие частицы, попадая в зазоры прецизионных пар, изнашивают их и увеличивают первоначальные зазоры, вследствие чего изменяются рабочие процессы впрыскивания топлива, смесеобразования и сгорания (давление, продолжительность, качество распыла, дальнобойность струи и др.). При этом двигатель не развивает необходимой мощности, повышается расход топлива и увеличивается содержание вредных веществ в отработавших газах. Кроме того, износу деталей топливной аппаратуры способствует недостаточная смазывающая способность товарного минерального (нефтяного) дизельного топлива [30, 31].
Одним из перспективных методов снижения износа, а, следовательно, и повышения ресурса прецизионных пар, в частности, плунжерных пар топливных насосов высокого давления (ТНВД), является использование минерального дизельного топлива с добавлением в него рыжикового масла [23].
Размер абразивного зерна и поверхностная твердость материала наряду с давлением и трением, играют важную роль в процессе изнашивания.
Результатом абразивного изнашивания является объемный износ, т.е. объем материала, м3, удаленного абразивными частицами, попавшими в зазор между плунжером и втулкой, с поверхности пар трения за время работы плунжерной пары: Iv=V-K-Nx,M3, (2.21) где V - объем материала, удаленного с поверхности трения одной абразивной частицей, м3; К - число абразивных частиц, попадающих в зазор за один ход плунжера; Nx - количество ходов плунжера в час, 1/ч; t - время работы плунжерной пары, ч.
В момент нагнетания топлива плунжером насосной секции ТНВД созданное давление действует настенки втулки плунжерной пары, что приводит к увеличению кольцевого зазора между плунжером и втулкой и проникновению в него абразивных частиц большего диаметра, чем начальный кольцевой зазор. Допустим, что абразивная частица имеет форму сферы, втулка и плунжер движутся относительно абразивной частицы, которая внедряется одновременно в плунжер и втулку плунжерной пары, закрепляется на одной из поверхностей (в основном на втулке) и прорезает канавку на ддругой поверхности трения (рис. 2.3).
При зуменьшении или увеличении вязкости йтоплива изменяется его зарасход через кольцевой зазор между плунжером и звтулкой, а дтакже количество абразивных частица, попавших в озазор вместе с етопливом. Расход ытоплива, м3/с, через кольцевой зазор смежду плунжером и звтулкой определяют по дуравнению Гагена-Пуазейля [154]
Число абразивных частиц можно определить турбиметрическим методом анализа загрязненности топлива водой и механическими примесями [155]. При этом размер частиц не должен превышать максимального кольцевого зазора плунжерной пары в момент нагнетания топлива [101].
Число ходов (рабочих циклов) плунжера в час Nx зависит от часового расхода топлива:
Проведя по формуле (2.35) расчет ресурса плунжерной пары при работе ТНВД на смесевом рыжико-минеральном топливе с различным процентным содержанием компонентов (приложение 1.3), получили графическую зависимостьэ, представленную на дрисунке 2.4.
Анализ полученной зависимости йпоказал, что бпри работе ТНВД на дминеральном дизельном топливе (по доси абцисс – 0 % РыжМ) ресурс ыплунжерной пары составляет 2455 часовня. При зувеличении содержания рыжикового масла бв смесевом топливе до г50% наблюдается рост рресурса до г3846 часов, а дпри дальнейшем увеличении доли на(более 50 %) рыжикового масла бв смесевом топливе ресурс ыплунжерной пары стабилизируется [156].
Техническое обеспечение трактора для работы дизеля на смесевом рыжико – минеральном топливе
Для адаптации тракторного дизеля к работе на двух типах топлива (товарном минеральном дизельном и смесевом рыжико-минеральном топливах) была разработана и изготовлена двухтопливная система питания дизеля (патент РФ на изобретение № 2582535 (Приложение П.2.2) [170,171].
Предлагаемая двухтопливная система питания обеспечивает приготовление ДСТ в зависимости от нагрузочно-скоростного режима дизеля непосредственно при работе трактора (рис. 3.26).
Согласно полученному патенту: «двухтопливная система питания содержит бак минерального топлива 1 (рис. 3.26), бак растительного масла 2, фильтры грубой очистки минерального топлива 3 и растительного масла 4, фильтр тонкой очистки топлива 5, топливоподкачивающий насос 6, электрический насос подачи растительного масла 7 с обратным клапаном 8, топливный насос высокого давления в комплекте с центробежным регулятором частоты вращения 9, форсунки 10, топливопроводы 11 и смеситель - дозатор растительного масла и минерального дизельного топлива 12, имеющий два входных 13, 14 и один выходной 15 каналы, во входных каналах 13, 14 установлены электродозаторы 16, 17, электрически соединенные через электронный блок управления 18 с датчиком температуры растительного масла 19 и индуктивным датчиком нагрузочно-скоростного режима 20, причем во входных каналах 13, 14 смесителя - дозатора растительного масла и минерального дизельного топлива 12 перед электродозаторами 16, 17 установлены перепускные 21, 22 и нагнетательные 23, 24 клапаны минерального топлива и растительного масла, а между фильтром грубой очистки минерального топлива 3 и нагнетательным клапаном минерального топлива 23 размещен электрический насос подачи минерального топлива 25 с обратным клапаном 26».
«Пуск дизеля, прогрев и останов осуществляются на минеральном топливе. При этом электродозатор минерального топлива 16 полностью открыт, а электродозатор растительного масла 17 полностью закрыт. Минеральное топливо из бака минерального топлива 1, пройдя фильтр грубой очистки минерального топлива 3, поступает в работающий электрический насос подачи минерального топлива 25, который создаваемым давлением топлива, превышающим давление срабатывания нагнетательного клапана минерального топлива 23, открывает клапан 23 и подает минеральное топливо через электродозатор 16, смеситель - дозатор растительного масла и минерального дизельного топлива 12, топливоподкачивающий насос 6, фильтр тонкой очистки топлива 5 в ТНВД 9, и далее форсунками 10 впрыскивается в цилиндры дизеля. Давление топлива, создаваемого электрическим насосом 25, поддержи 81 вается регулируемым перепускным клапаном минерального топлива 21».
«После прогрева дизеля на минеральном топливе включается электрический насос подачи растительного масла 7, который создаваемым давлением масла, превышающим давление срабатывания нагнетательного клапана растительного масла 24, открывает клапан 24 и подает его через электродозатор 17 в смеситель - дозатор растительного масла и минерального дизельного топлива 12. Давление масла, создаваемое электрическим насосом 7, поддерживается регулируемым перепускным клапаном растительного масла 22. Минеральное топливо подается в смеситель - дозатор растительного масла и минерального дизельного топлива 12 аналогично работе дизеля в режиме пуска и прогрева. В смесителе - дозаторе растительного масла и минерального дизельного топлива 12 минеральное топливо и растительное масло перемешиваются, образуя смесевое топливо, которое отводится через выходной канал 15».
«В зависимости от информативных сигналов, поступающих от датчика температуры растительного масла 19 и датчика нагрузочно-скоростного режима 20, через электронный блок управления 18 в электрическую цепь электродозаторов 16, 17, электродозатор растительного масла 17 открывается на соответствующую величину, а электродозатор минерального топлива 16 на аналогичную величину прикрывается, изменяя процентное соотношение минерального топлива и растительного масла в смесевом топливе. При этом перепускные клапаны 21, 22, за счет слива части минерального топлива и растительного масла во всасывающие полости электрических насосов 25, 7, поддерживают постоянное давление во входных каналах 13, 14 смесителя -дозатора растительного масла и минерального дизельного топлива 12 перед электродозаторами, что повышает точность процентного соотношения минерального и растительного компонентов в смесевом топливе независимо от различия их свойств. При отключении одного из электрических насосов 25, 7 нагнетательные клапаны 23, 24 исключают быстрое падение давления топлива и масла перед электродозаторами 16, 17. Кроме того, при малых расходах смесевого топлива и разных уровнях минерального топлива и растительного масла в своих баках, нагнетательные клапаны 23, 24, наряду с поддержанием постоянного давления во входных каналах 13, 14 смесителя - дозатора растительного масла и минерального дизельного топлива 12, при открытых электродозаторах 16, 17, исключают перетекание одного вида компонента в бак другого. Обратные клапаны 8, 26 являются штатными узлами электрических насосов 7 и 25 и предназначены для исключения слива растительного масла и минерального топлива и образования воздушных пробок при выключении электрических насосов 7 и 25. Перед остановом двигателя по сигналу ЭБУ электродозатор минерального топлива 16 полностью открывается, а электродозатор растительного масла 17 полностью закрывается, после выработки смесевого топлива из смесителя и заполнении минеральным дизельным топливом двигатель останавливается».
Таким образом, запатентованная двухтопливная система питания позволяет адаптировать дизельный двигатель для работы на смесевом рыжико-минеральном топливе без существенных конструктивных изменений и обеспечивает заданное процентное содержание компонентов в смесевом топливе в зависимости от нагрузочно-скоростного режима дизеля.
Одним из основных элементов разработанной двухтопливной системы питания тракторного дизеля является смеситель - дозатор растительного масла и минерального дизельного топлива, позволяющий за счет электродозаторов, управляемых электронным блоком управления (ЭБУ), по сигналам датчика нагрузочно-скоростного режима дизеля, обеспечивать подачу дизельного смесевого топлива с различным содержанием компонентов.
При разработке ЭБУ за основу взят микроконтроллер STM 32. Разработана программа для микроконтроллера ЭБУ, которая обеспечивает подачу дизельного смесевого топлива в соответствии с режимом работы дизеля.
Состав смесевого рыжико-минерального топлива устанавливается электродозаторами смесителя по сигналам ЭБУ. Требуемое процентное содержание рыжикового масла и минерального дизельного топлива в ДСТ задается путем нажатия кнопок «состава топлива» управления электродозаторами (рис. 3.27).
Перед запуском трактора подается электропитание на ЭБУ (1 – кнопка вкл./выкл. электропитания). Включается кнопка 2 – 0 состава топлива при этом электродозаторы смесителя обеспечивают подачу только минерального дизельного топлива (на цифровом электронном табло 8 высвечивается 0). Включением соответствующих кнопок состава топлива 3, 4, 5, 6 электродозаторы смесителя обеспечивают подачу ДСТ со следующими процентными содержаниями компонентов: 10%РыжМ + 90%ДТ (1 – состав топлива, на цифровом электронном табло высвечивается 10), 25%РыжМ + 75%ДТ (2 – состав топлива, на цифровом электронном табло высвечивается 25), 50%РыжМ + 50%ДТ (3 – состав топлива, на цифровом электронном табло высвечивается 50) и 75%РыжМ + 25%ДТ (4 – состав топлива, на цифровом электронном табло высвечивается 75).
Каждый состав топлива, кроме нулевого, имеет автоматическую регулировку подачи ДСТ (в пределах заданного состава топлива) по сигналам датчика нагрузочно-скоростного режима дизеля (состоящего из концевого датчика положения топливной рейки и магнитоиндукционного датчика частоты вращения коленчатого вала двигателя (рис. 3.28).
Результаты эксплуатационных исследований трактора при работе на минеральном и смесевом рыжико-минеральном топливах по показателям работоспособности плунжерных пар ТНВД
Наработка и расход топлива тракторов (штатного, работавшего на товарном минеральном дизельном топливе и экспериментального, работавшего на смесевом рыжико-минеральном топливе 50%РыжМ+50%ДТ), осуществляющих одинаковые производственные работы на животноводческом комплексе предприятия представлены в приложении П.4.6.
Скоростные характеристики ТНВД до начала испытаний показаны на рис. 4.10.
Анализируя полученные результаты можно констатировать, что при работе трактора МТЗ-82 с экспериментальной топливной системой, работавшего на смесевом рыжико-минеральном топливе 50%РыжМ + 50%ДТ, производительный расход топлива увеличивается на 0,4 кг/мото-ч по сравнению с трактором МТЗ-82 со штатной топливной системой, работавшего на товарном минеральном дизельном топливе [182-194].
Скоростные характеристики ТНВД тракторов со штатной и экспериментальной топливными системами представлены на рисунках 4.11 - 4.12.
Из анализа скоростных характеристик ТНВД следует, что перед эксплуатационными исследованиями цикловая подача обоих ТНВД в зависимости от оборотов изменяется одинаково (рисунок 4.10) и соответствует показателям ТНВД с новыми плунжерными парами. Скоростные характеристики ТНВД, снятые после эксплуатационных исследований тракторов (после первого и второго сезонов рисунок 4.11 и 4.12), показывают, что наименьшее отклонение кривых от первоначальных положений в сторону уменьшения цикловой подачи топлива, наблюдается у ТНВД трактора, работающего на смесевом рыжико-минеральном топливе и после первого периода наблюдений (наработка 1175 мото-ч) снизилась с Vц=62 мм3/цикл до Vц=55 мм3/цикл, после окончания исследований (суммарная наработка 2168мото-ч) - до Vц=54 мм3/цикл, а цикловая подача ТНВД трактора, работавшего на товарном минеральном дизельном топливе, после первого периода наблюдений (наработка 1198мото-ч) снизилась с Vц=63 мм3/цикл до Vц=42 мм3/цикл, после окончания исследования (суммарная наработка 2218 мото-ч) до Vц=37 мм3/цикл.
Представленные результаты показывают, что плунжерные пары насосных секций ТНВД трактора, работавшего на смесевом рыжико-минерального топливе 50% РыжМ+50% ДТ изношены гораздо меньше.
Осциллограммы давления топлива на выходе из штуцеров насосных секций ТНВД тракторов со штатной и экспериментальной топливными системами, работавшими соответственно на товарном минеральном дизельном топливе (100%ДТ) и на смесевом рыжико-минеральном топливе 50%РыжМ + 50%ДТ, представлены на рисунках 4.13 – 4.15.
Анализируя осциллограммы давления топлива на выходе из штуцеров насосных секций ТНВД (рисунок 4.13), снятые перед эксплуатационными исследованиями, можно констатировать, что среднее максимальное давление топлива на выходе из штуцеров насосных секций ТНВД во всех секциях штатного (20,73МПа) и экспериментального (20,54МПа) ТНВД практически одинаковое.
После первого периода эксплуатационных исследований (рисунок 4.14) среднее максимальное давление топлива на выходе из штуцеров насосных секций ТНВД тракторов работавших соответственно на смесевом рыжико-минеральном топливе 50%РыжМ + 50%ДТснизилось до 19,44 МПа (на 5,4%);на товарном минеральном дизельном топливе снизилось до 18,61 МПа ( на 10,3 %).
По завершении эксплуатационных исследований (рисунок 4.15) среднее максимальное давление топлива на выходе из штуцеров насосных секций ТНВД трактора, работавшего на смесевом рыжико-минеральном топливе, снизилось до 18,43 МПа (на 10,2%); трактора работавшего на товарном минеральном топливе снизилось до 17,34 МПа ( на16,4 %).
После снятия скоростных характеристик насосных секций ТНВД оба насоса разбирали и плунжерные пары взвешивали (табл. 4.3), измеряли геометрические размеры плунжера и втулки П.4.7-П.4.9 (табл. 4.4).
Результаты, приведенные в таблице 4.3, показывают, что после первого периода исследований трактора, работавшего на товарном минеральном дизельном топливе, (1198мото-ч) средний массовый износ плунжерных пар составил 0,0326 г, трактора, работавшего на смесевом рыжико-минеральном топливе 50% РыжМ+50% ДТ (1175мото-ч) – 0,0084 г; после второго периода исследований: при работе трактора на 100% ДТ (1020мото-ч) износ составил 0,0445 г, при работе трактора на 50% РыжМ+50% ДТ(993мото-ч) –0,0107 г.
За все время эксплуатационных исследований при работе трактора на 100% ДТ (2218мото-ч) средний массовый износ составил 0,077 г, при работе трактора на 50% РыжМ+50% ДТ(2168 мото-ч) –0,0191 г. При работе трактора на смесевом рыжико-минеральном топливе интенсивность изнашивания плунжерных пар составила 0,008810-3 г/мото - ч, при работе трактора на 100%ДТ – 0,034710-3 г/мото - ч.
Таким образом при работе трактора на смесевом рыжико-минеральном топливе 50% РыжМ+50% ДТ интенсивность изнашивания плунжерных пар в 3,94 раза ниже, чем при работе на товарном минеральном дизельном топливе.
Результаты измерений зазоров в сопряжениях «плунжер-втулка» плунжерных пар ТНВД за наблюдаемый период приведены в (таблице 4.4).
Результаты, приведенные в таблице 4.4, показывают, что после первого периода исследований при работе трактора на 100% ДТ (1198мото-ч) зазор в сопряжениях всех насосных секций «плунжер-втулка» увеличился в среднем на 0,001 мкм относительно зазора, измеренного до начала исследований, при работе на смесевом рыжико-минеральном топливе (1175мото-ч) – на 0,0005 мкм. За весь период эксплуатационных исследований тракторов при работе на 100% ДТ (2218мото-ч) зазор увеличился в среднем на 0,0035 мм, при работе на смесевом топливе (2168мото-ч) – на 0,001 мм.
При работе трактора на смесевом рыжико-минеральном топливе интенсивность увеличения зазора составила 0,00048 мкм/мото-ч, при работе трактора на 100%ДТ – 0,00153 мкм/мотто-ч. Таким образом, при работе трактора насмесевом рыжико-минеральном топливе50%РыжМ+50%ДТ интенсивность увеличения зазора в сопряжении «плунжер-втулка» в 3,2 раза ниже, чем при работе трактора на товарном минеральном дизельном топливе.
Проведенные эксплуатационные исследования тракторов подтверждают теоретические положения и свидетельствуют о снижении износа плунжерных пар ТНВД при работе на смесевом рыжико-минеральном топливе, что свидетельствует об увеличении ресурса топливного насоса высокого давления.