Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследований 11
1.1 Причины замены минерального топлива на возобновляемое биологическое топливо 11
1.1.1 Запасы, производство и потребление нефти по странам мира 11
1.1.2 Общие сведения о биотопливе
1.2 Опыт использования жидкого биотоплива в двигателях автотракторной техники 18
1.3 Сырьевая база для производства жидкого биотоплива 28
1.4 Устройства для конструктивной адаптации дизелей автотракторной техники к работе на биотопливе
1.4.1 Обзор топливных систем дизелей для работы на биотопливе 32
1.4.2 Обзор смесителей растительного масла и минерального топлива 38
1.5 Обоснование темы, цель и задачи исследований 43
2 Расчётно-теоретическое обоснование показателей дизеля при работе на смесевом редечно-минеральном топливе 45
2.1 Обоснование выбора масличной культуры для производства дизельного смесевого топлива 45
2.2 Определение жирнокислотного состава и низшей теплоты сгорания редечного масла и смесевого редечно-минерального топлива
2.2.1 Жирнокислотный состав редечного масла 50
2.2.2 Оценка влияния добавки товарного минерального дизельного топлива на соотношение высших жирных кислот в смесевом редечно-минеральном топливе 52
2.2.3 Влияние ультразвука на соотношение высших жирных кислот в редечно-минеральном топливе 53
2.2.4 Элементарный состав и расчет низшей теплоты сгорания смесевого редечно-минерального топлива
2.3 Особенности и методика расчёта показателей рабочего процесса, индикаторных и эффективных показателей дизеля при работе на редечно-минеральном топливе 59
2.4 Расчёт эксплуатационных показателей пахотного агрегата при работе на
смесевом редечно-минеральном топливе 66
Выводы 75
3 Программа и методика экспериментальных исследований
3.1 Программа и объект исследований
3.2 Методика лабораторных исследований по определению плотности и вязкости редечного масла и смесевого редечно-минерального топлива
3.2.1 Оборудование и приборное обеспечение 78
3.2.2 Методика определения плотности и вязкости редечного масла и смесевого редечно-минерального топлива 79
3.3 Методика безмоторных исследований дизельной топливной аппаратуры 79
3.4 Методика стендовых исследований тракторного дизеля Д-243 при работе на минеральном топливе и смесевом редечно-минеральном топливе различного состава 82
3.4.1 Оборудование и приборное обеспечение 82
3.4.2 Методика экспериментальной оценки показателей дизеля при работе на минеральном топливе и смесевом редечно-минеральном топливе 88
3.5 Методика исследования колесного трактора в составе пахотного агрегата (МТЗ-82+ПЛН 3-35) в эксплуатационных условиях при работе на
минеральном и смесевом редечно-минеральном топливах 89
Выводы 93
4 Результаты экспериментальных исследований дизеля и тракторного агрегата при работе на смесевом редечно-минеральном топливе и их анализ . 95
4.1 Экспериментальные топливные системы тракторных дизелей 95
4.1.1 Краткие сведения о топливной системе трактора МТЗ-82 95
4.1.2 Предлагаемые двухтопливные системы питания тракторного дизеля 97
4.1.3 Предлагаемые смесители растительного и минерального компонентов дизельного смесевого топлива 103
4.2 Результаты моторных исследований дизеля при работе на минеральном и смесевом редечно-минеральном топливах и их анализ 108
4.3 Результаты эксплуатационных исследований тракторного агрегата при работе на минеральном и смесевом редечно-минеральном топливах и их анализ 1 26
Выводы 131
5 Экономическая эффективность от использования смесевого редечно-минерального топлива в дизелях тракторной техники 134
Выводы 139
Заключение 140
Список использованной литературы
- Сырьевая база для производства жидкого биотоплива
- Жирнокислотный состав редечного масла
- Методика безмоторных исследований дизельной топливной аппаратуры
- Предлагаемые смесители растительного и минерального компонентов дизельного смесевого топлива
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время многие научно-исследовательские и образовательные учреждения проводят исследования, направленные на решение задач обеспечения экономии моторного минерального топлива путем его частичной (или полной) замены топливами не нефтяного происхождения. Одним из видов моторного топлива является дизельное смесевое топливо (ДСТ), биологическим и минеральным компонентами которого являются растительное масло и товарное минеральное дизельное топливо (ДТ). Однако из-за различий физических и теплотворных свойств ДСТ от аналогичных свойств минерального ДТ дизели серийно выпускающейся и находящейся в эксплуатации тракторной техники не в полной мере конструктивно приспособлены к эффективной работе на таком альтернативном топливе. В качестве биологического компонента ДСТ наиболее изучены метиловый эфир рапсового масла, рапсовое, сурепное, сафлоровое и горчичное масла. Сравнительный анализ свойств различных растительных масел показывает, что одним из перспективных биологических компонентов для производства ДСТ является редечное масло (РедМ).
В связи с этим исследования, направленные на оценку эффективности применения смесевого редечно-минерального топлива в тракторных дизелях, являются актуальными и практически значимыми для АПК России и других отраслей, эксплуатирующих дизельную тракторную технику.
Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина», тема «Повышение эффективности машинно-тракторных агрегатов эксплуатационными методами» (ГР № 01201157952).
Степень разработанности темы. В научных трудах российских и зарубежных учёных приведены результаты исследований по применению ДСТ в качестве моторного топлива дизельной тракторной техники, биологическим компонентом которого являются рапсовое, сурепное, сафлоровое и горчичное масла. Однако в данных работах недостаточно полно исследованы вопросы теоретической оценки эксплуатационных показателей машинно-тракторного агрегата (МТА), которые бы учитывали изменение мощностных и топливно-экономических показателей дизеля, конструктивные и кинематические показатели дизеля и МТА, а также физико-химические и теплотворные свойства растительных масел, применяемых в качестве биокомпонента ДСТ и, в частности, редечного масла. Кроме того, известные до настоящего времени технические средства не в полной мере адаптируют дизельную тракторную технику к работе на таком двухкомпонентном топливе. Поэтому решение данных вопросов требует дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.
Актуальность темы исследований подтверждена поручением президента Российской Федерации №2097 от 14.12.2006 г. по ускоренному развитию производства и потребления биотоплива, распоряжением Правительства РФ №1-Р от 08.01.2009 г. «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года».
Цель исследований – оценка эффективности применения редечного масла в качестве биологического компонента дизельного смесевого топлива.
Задачи исследований:
1. Выполнить хроматографический анализ натуральных (не обработанных ультразвуком) и обработанных ультразвуком редечного масла и смесевого редечно-минерального топлива в различных соотношениях биологического и минерального ком-1
понентов; определить их жирнокислотный и углеводородный состав, низшую теплоту сгорания, плотность и вязкость.
-
Теоретически определить показатели рабочего процесса, индикаторные и эффективные показатели тракторного дизеля при его работе на товарном минеральном топливе и смесевом редечно-минеральном топливе.
-
Провести моторные исследования дизеля и экспериментально определить мощностные, топливно-экономические и экологические показатели при работе на товарном минеральном дизельном топливе и смесевом редечно-минеральном топливе, обработанных и не обработанных ультразвуком.
-
Разработать, изготовить и исследовать смеситель и двухтопливную систему питания дизеля, обеспечивающие работу тракторной техники на смесевом редечно-минеральном и минеральном топливах; провести эксплуатационные исследования трактора в составе пахотного агрегата при работе дизеля на минеральном и смесевом редеч-но-минеральном топливах.
-
Обосновать выбор рационального состава смесевого редечно-минерального топлива по показателям рабочего процесса, мощностным, топливно-экономическим и экологическим показателям дизеля, а так же по эксплуатационным показателям трактора в составе пахотного агрегата; оценить экономическую эффективность от частичной замены минерального дизельного топлива смесевым редечно-минеральным топливом.
Объект исследований – физические и теплотворные свойства редечного масла и редечно-минерального топлива; мощностные, топливно-экономические, экологические показатели дизеля Д-243(4Ч11/12,5) и эксплуатационные показатели трактора в составе пахотного агрегата (МТЗ-82 + ПЛН 3-35) при работе на смесевом редечно-минеральном топливе.
Предмет исследований – закономерности изменения физических и теплотворных свойств редечного масла и редечно-минерального топлива, мощностных, топ-ливно-экономических, экологических показателей дизеля и эксплуатационных показателей трактора в составе пахотного агрегата при работе на смесевом редечно-минеральном топливе, состоящем из редечного масла и товарного минерального дизельного топлива в соотношениях 25:75, 50:50, 75:25, 90:10 и смесевого топлива 90:10 (УЗ), обработанного ультразвуком.
Научную новизну работы представляют:
- оценка жирнокислотного и углеводородного состава, определение низшей
теплоты сгорания, плотности и вязкости натурального редечного масла, смесевого
редечно-минерального топлива различного состава, а также характер их изменения
после обработки ультразвуком;
теоретическое и экспериментальное обоснование применения в дизелях тракторной техники смесевого редечно-минерального топлива по показателям рабочего процесса, индикаторным, эффективным, экологическим показателям дизеля и эксплуатационным показателям пахотного агрегата;
оценка влияния добавки редечного масла к минеральному дизельному топливу и ультразвуковой обработки смесевого редечно-минерального топлива на показатели дизеля и эксплуатационные показатели пахотного агрегата;
технические средства для конструктивной адаптации дизеля тракторной техники к работе на смесевом редечно-минеральном топливе.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ на изобретения № 2476716 «Двухтопливная система питания дизеля с автоматическим регулированием состава смесевого топлива», №2484290 «Двухтопливная система питания трактор-2
ного дизеля», №2486000 «Смеситель-дозатор», №2500463 «Смеситель-дозатор минерального топлива и растительного масла» и решением ФИПС на выдачу патента РФ на изобретение по заявке №2015109440.
Практическая значимость работы. Использование смесевого редечно-минерального топлива, например состава 25%РедМ+75%ДТ, обеспечивает экономию минерального (нефтяного) топлива на величину его замещения биокомпонентом РедМ (на 25%), при незначительном снижении эффективной мощности дизеля (до 4,6%), и некотором увеличении удельного эффективного расхода смесевого топлива (до 8,1%), уменьшает дымность отработавших газов (на 14,2%) и содержание оксида углерода (на 30%); также незначительно возрастает погектарный расход топлива пахотного агрегата(на 3,8%), уменьшается его производительность за час чистой работы (на 0,9%) и эксплуатационная мощность (на 0,4%) по сравнению с работой дизеля МТА на товарном минеральном ДТ, что позволяет рекомендовать его в качестве моторного топлива дизельной тракторной техники.
Для конструктивной адаптации тракторной техники к работе на смесевом ре-дечно-минеральном топливе разработаны смеситель-дозатор растительного и минерального компонентов и двухтопливная система питания, обеспечивающая пуск, прогрев и останов дизеля на минеральном ДТ, работу на остальных режимах – на смесе-вом топливе.
Достоверность результатов исследований подтверждается сравнительными моторным исследованиями дизеля в стендовых условиях и тракторного агрегата в условиях эксплуатации при работе на минеральном и редечно-минеральном топливах, применением апробированных методик по определению показателей дизеля и тракторного агрегата, сходимостью результатов расчётов показателей рабочего процесса, индикаторных, эффективных показателей дизеля и эксплуатационных показателей трактора в составе пахотного агрегата с результатами моторных и эксплуатационных исследований.
Реализация результатов исследований. Эксплуатационные исследования пахотного агрегата, оснащённого экспериментальной системой питания, адаптированной для работы на смесевом редечно-минеральном топливе, проводились в условиях СПК (колхоз) имени Калинина 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 МТА при работе на минеральном и редечно-минеральном топливах. Обработка экспериментальных данных выполнена с применением пакета прикладных программ Microsoft Excel, Mathcad и др.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и одобрены на Всероссийских научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2012-2015г.), Международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина» (2012-2013г.) и ФГОУ ВО Пензенская ГСХА (2015г.), Международном научно-техническом семинаре имени В.В. Михайлова ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н. И. Вавилова» (2012-2013г.).
Публикации результатов исследований. По результатам исследований опубликовано 18 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях, указанных в «Перечне ... ВАК», получено 4патента на изобретения и решение ФИПС о выдаче патента
РФ на изобретение по заявке №2015109440 от 17.03.2015г., без соавторов опубликовано 4 статьи. Общий объём публикаций 5,1 п.л., из них автору принадлежит 2,3 п. л.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованной литературы из 174 наименований и приложения на 51 с. Общий объём диссертации с приложением составляет 211 с., содержит 58 рис. и 14 табл.
Сырьевая база для производства жидкого биотоплива
Однако незначительный объем экспериментальных исследований и противоречивость полученных результатов работоспособности дизелей на растительных маслах или смесевых топливах не позволяют пока однозначно судить об оптимальности применения конкретного вида масла или продуктов его переработки в качестве биотоплива. Использование результатов этих исследований даже для сравнительной оценки эффективности и расчета технико-экономических показателей работы автотракторной техники затруднено. Это обусловлено неодинаковыми условиями проводимых экспериментов и практической эксплуатации дизелей, трудными для сопоставления.
Главной проблемой повсеместного применения биотоплива в качестве моторного топлива на автотракторной технике является недостаточная приспособленность конструкции дизелей в силу различий его свойств со свойствами минерального топлива. От этих свойств зависят параметры процессов впрыскивания, смесеобразования и сгорания топлива и, как следствие, мощностные, топливно-экономические и экологические показатели дизеля. Поэтому при переводе дизеля с минерального топлива на биотопливо необходимо провести экспериментальные исследования, позволяющие оценить работу серийного двигателя на смесевых топливах различного состава.
В России и за рубежом на сегодняшний день используют в двигателях автотракторной техники следующие виды биотоплива [34-40]: - натуральное техническое растительное масло - масло, изготовленное из масличных культур путем прессования, отжима или аналогичных процедур, рафинированное или нерафинированное, химически не модифицированное, с низшей теплотой сгорания 35-37 МДж/кг в зависимости от жирно-кислотного состава, используемое в качестве биотоплива для соответствующих типов двигателей, соответствующее установленным нормам выбросов вредных веществ; - биодизельное топливо - сложный метиловый (или этиловый) эфир растительного масла с низшей теплотой сгорания 37,1-37,4 МДж/кг, обладающий свойствами, близкими к свойствам минерального дизельного топлива, и используемый в качестве моторного топлива в дизельных двигателях. - дизельное смесевое топливо (ДСТ) -бинарное топливо, изготовляемое путем смешивания товарного минерального дизельного топлива и растительного масла с низшей теплотой сгорания 37-39 МДж/кг. Данные компоненты хорошо смешиваются, а полученное смесевое топливо имеет физико-химические и теплотворные свойства, близкие к свойствам минерального дизельного топлива, что позволяет использовать их в дизельном двигателе без существенных конструктивных изменений. Растительные масла. В качестве сырья для производства моторных топлив используются растительные масла: рапсовое [28-41]; подсолнечное [5, 17, 43]; хлопковое [44]; соевое [37, 40, 42]; оливковое [44, 45]; пальмовое [17, 28, 46, 47]; сафлоровое [48-50]; горчичное [51-4]; рыжиковое [55-57], сурепное [56, 58], редечное [59-64] и др.
Процесс производства натуральных растительных масел в условиях отдельно взятого сельскохозяйственного предприятия относительно прост и не требует сложного оборудования и больших капиталовложений. В натуральном виде растительное масло используется в системе питания дизелей, устанавливаемых на серийно выпускаемых тракторах «Fendt820 Variogreentec» фирмы Fendt, оснащенных микроволновой установкой для обработки масла. Так же начали выпуск адаптированных дизелей для с.-х. техники и тракторов -SameDeutz-Fahr, AGCO, JohnDeere, Case, Steyr [59, 65-68].
Отличительные свойства растительных масел в натуральном виде от свойств ДТ, оказывающие влияние на протекание рабочих процессов дизельных двигателей [16, 32, 59]: - увеличенная вязкость; - повышенная и сильно зависящая от температуры плотность; - более низкая удельная теплота сгорания; - меньшая сжимаемость; - большее поверхностное натяжение; - повышенное содержание кислорода (около 11%); - отсутствие сернистых и ароматических углеводородных соединений. Растительные масла при нормальных условиях - маслянистые жидкости с повышенной, по сравнению с ДТ, плотностью (обычно р=900-940 кг/м3) и температурой самовоспламенения, лишь немного превышающей температуру самовоспламенения ДТ (tCB=230-300oC). При этом цетановое число различных растительных масел изменяется в пределах от 33 до 50 единиц, что сопоставимо с цетановым числом ДТ (ЦЧ=40-55) [59, 66, 70, 71].
Недостатками растительных масел (как моторных топлив) являются: высокая температура застывания, обусловленная наличием в их составе насыщенных жирных кислот; склонность к окислению при хранении, высокая агрессивность к конструкционным и уплотнительным материалам из-за наличия свободных кислот, оказывают негативный эффект на элементы топливной системы - полимеризация отложений, забивание и коррозия топливных фильтров и топливопроводов; изменение свойств масла (разжижение) при длительном хранении [69, 70, 72, 73].
Возможны два пути практического применения растительного масла для дизелей автотракторной техники [74, 75]: - изменение конструкции двигателей; - доведение его качества до уровня нефтяных топлив. Биодизельное топливо. Его вязкость и плотность на порядок меньше, чем у растительных масел, но в 1,5-2,0 раза выше плотности и вязкости ДТ.
В Европе и США биодизельное топливо используют в качестве альтернативных дизельных топлив и добавок к нефтепродуктам. Самым распространенным из них является метиловый эфир рапсового масла (RME), его качество нормируется европейским стандартом EN 14.214.2003 (Е) [76, 77]. При использовании RME не нужен подогрев топлива, в меньшей степени образуются отложения на деталях цилиндро-поршневой группы [78-81]. В работе [82], при испытаниях двигателя F2L51I (2410/10,5) на биодизельном топливе из рапсового масла, КПД двигателя увеличился на 4,1%. Недостатками биодизельного топлива являются [83]: - сложности при хранении. Метиловые эфиры жирных кислот склонны к окислению и чувствительны к проникновению воды, из-за чего, вследствие гидролиза, могут дойти до разложения и микробиологического поражения; - повышенное нагарообразование в камерах сгорания, что требует введения в топливо моющих присадок; - агрессивность к неметаллическим частям двигателя; - больший, чем у нефтяного, на 10-15% расход топлива; - сложность достижения, даже в заводских условиях, постоянного высокого качества топлива. - высокая стоимость биодизеля. По данным специалистов, в зависимости от объемов и технологической оснащенности, только стоимость оборудования составляет: более 5 тыс. долл. - в условиях одного фермерского хозяйства и более 120 тыс. долл. - автоматизированный завод производительностью около 100м3 биодизеля в сутки.
Работа двигателей «DeutzFahr» тракторов «Agrotron», адаптированных для работы на данном виде биотоплива, при условии более частой смены топливных фильтров и постоянной очистки впускных и выпускных клапанов от сажи, показала удовлетворительные результаты. Адаптация потребовала оптимального расположения форсунок, имеющих большее число распыляющих отверстий, использования насосов более высокого давления, подогрева масла ультразвуком или нагрева самого моторного блока [84].
Жирнокислотный состав редечного масла
Определение плотности проводилось ареометром, а в случае отклонения температуры от 20 С плотность приводилась к данной температуре по формуле [136, 137]: p2o = Pt +y(t - 20),Kr/M3 , (3.1) где pt - плотность топлива по шкале прибора, кг/м3; у - температурная поправка плотности на 1 (для редечного масла у = 0,607); t - температура в момент замера, С. Определение вязкости осуществлялось вискозиметром ВПЖ-2 и рассчитывалась по формуле: v= g t-K, мм2 /с , (3 2) 9,807 где g - ускорение свободного падения, мм2/с; t - время истечения жидкости, с; К - постоянная вискозиметра (К = 0,00358).
Предметом контрольных безмоторных исследований агрегатов дизельной топливной аппаратуры являлись насос высокого давления (ТНВД) секционного типа 4УТНМ-1111005, отрегулированный на параметры дизеля 4411/12,5 (Д-243) и комплект рабочих форсунок ФД-22 с топливопроводами.
Параметры ТНВД проверялись по 10578-95 и ОСТ 23.1.362-81, топливоподкачивающих насосов по ГОСТ 15829-89. Контрольные испытания и регулировка рабочих форсунок проводились на приборе КИ-3333 в соответствии с ГОСТ 10579-88.
Полученные при контрольных испытаниях значения регулировочных параметров, отвечающие требованиям соответствующих Госстандартов и технических условий, были приняты за исходные (начальные) перед проведением экспериментальных исследований.
Экспериментальная безмоторная установка для проверки и регулировки ТНВД включала (рисунок 3.2): стенд для испытания и регулировки дизельной топливной аппаратуры КИ-15711М-01 -ГОСНИТИ, укомплектованный приборами для снятия необходимых параметров (частоты вращения кулачкового вала ТНВД, числа циклов, давления и температуры топлива на входе в наполнительную полость ТНВД, углов геометрического начала нагнетания и начала впрыскивания топлива, производительности насосных секций); ТНВД 4УТНМ-1111005; комплекты форсунок ФД-22 и нагнетательных топливопроводов.
Безмоторные испытания ТНВД проводились на минеральном дизельном топливе марки «Л-0,2-62» ГОСТ 305-82 при температуре топлива на входе в наполнительную полость ТНВД 30±2 С.
Общий вид экспериментальной безмоторной установки: 1 - потенциометр КСП-4; 2 - насос топливный 4УТНМ-1111005 в комплекте с форсунками; 3 - стенд КИ-15711М-01-ГОСНИТИ За оценочные показатели ТНВД были приняты: средняя объемная цикловая и часовая подачи топлива, неравномерность подачи топлива по линиям нагнетания [138-141].
Определение регулировочных показателей ТНВД производилось по результатам безмоторных испытаний на режимах регуляторной характеристики.
Расчет регулировочных показателей ТНВД осуществлялся по следующим формулам [139]: - средняя объемная цикловая подача топлива V-103 з/ (33) 0 z-i где V - суммарный объем топлива, поступившего в мерные емкости, см3; z - число линий нагнетания; і - число циклов; (T6- V nK PT, кг/ч, (3.4) і где пк- частота вращения кулачкового вала ТНВД, мин1; рт- плотность топлива при условиях испытаний, кг/м3; - неравномерность подачи топлива по линиям нагнетания 8 = 2-(УШИ-УШ,О)І%І з.5) V max+V min где Vmax, Vmin - подача топлива секциями соответственно с максимальной и минимальной производительностью, см3.
Для получения закономерности изменения цикловой подачи топлива замеры проводились на следующих частотах вращения кулачкового вала ТНВД: пусковой, максимального крутящего момента, номинальной, начала действия регулятора, максимальной холостого хода, полного выключения подачи топлива регулятором.
Предметом моторных экспериментальных исследований являлся тракторный дизель Д-243 (4411/12,5) в штатной комплектации. Все системы и механизмы двигателя были проверены и отрегулированы в соответствии с инструкцией по эксплуатации трактора МТЗ-82.
Моторная установка для исследования работы дизеля на ДСТ включала (рисунок 3.3): тракторный дизель Д-243 (44 11/12,5) с системой отвода отработавших газов, динамометрическую машину KS-56/4 со штатными контрольно-измерительными приборами (весовое устройство тормоза, тахометр), измерительно-регистрирующий комплекс (ИРК) и систему подачи ДСТ - редечно-минерального топлива.
В состав ИРК входили (рисунок 3.4): измерители температуры окружающего воздуха и эксплуатационных материалов (охлаждающей жидкости, моторного масла в поддоне картера и главной масляной магистрали (прибор ЭМДП), топлива в расходомере и на входе в нагнетательную полость ТНВД (мультиметр DT-838 DIGITAL MULTIMETER с хромель-копелевым термодатчиком), расходомер воздуха и топлива, датчики (ВМТ (рисунок 3.5) частоты вращения коленчатого вала (рисунок 3.6), отметок зубьев маховика, температуры охлаждающей жидкости и моторного масла, тензостанция 8АНЧ-7М, прибор ИМД-ЦМ, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) LA-2USB, персональный компьютер (ноутбук) на базе Pentium І7, стабилизированный блок питания, измеритель дымности отработавших газов КИД-2, газоанализатор АВТОТЕСТ СО-СН-Д.
Измерение давления газов при индицировании четвертого цилиндра дизеля (как наиболее теплонапряженного) осуществлялось датчиком давления газов ЛХ-612М с принудительным охлаждением. Датчик устанавливался в специальный переходник, вворачиваемый в головку цилиндров (рисунок 3.9) и соединялся каналом с центральной частью камеры сгорания. Подвод охлаждающей жидкости к датчику осуществлялся от водопроводной сети. Для преобразования сигнала использовался АЦП LA-2USB, который устанавливался в цепь между датчиком и компьютером.
Измерение дымности (Д, %) отработавших газов на каждом виде ДСТ при работе дизеля на нагрузочно-скоростных режимах осуществлялось дымомером КИД-2. Для определения концентрации в отработавших газах оксида углерода (СО, %) использовался газоанализатор АВТОТЕСТ СО-СН-Д [142-147].
Ультразвуковая обработка смесевого редечно-минерального топлива осуществлялась ультразвуковым низкочастотным диспергатором УЗДН-2Т с магнитострикционными излучателями на 44 кГц (рисунок 3.10).
Методика безмоторных исследований дизельной топливной аппаратуры
Экономическая эффективность работы трактора, дополнительно оснащенного двухтопливной системой питания, определялась путем расчёта затрат на модернизацию топливной системы питания дизеля и сравнения затрат при его работе на минеральном ДТ и смесевом редечно-минеральном топливе следующих составов 25% РедМ + 75% ДТ и 50% РедМ + 50% ДТ.
В качестве исходных данных для расчета приняты действующие значения различных коэффициентов, тарифных ставок тракториста-машиниста, стоимости минерального ДТ и редечного масла [164-174].
В общем виде эффективность от использования новых видов моторных топлив на один трактор определяется зависимостью [167, 170, 171, 173, 174]: Э=гт І2.Z1lEiL+ (Hr И2) - Ен -(К2- К1) _ б (51) где П1, П2 - соответственно приведенные затраты при работе на минеральном ДТ и при работе на смесевом редечно-минеральном топливе, руб.; Т1, Т2 - годовые объемы работ, ч; Р1 Р2 - доли отчислений от балансовой стоимости трактора на восстановление; И1, И2 - расходы (издержки) на эксплуатацию трактора у потребителя, руб.; К1 К2 - сопутствующие капитальные вложения, руб. При использовании новых видов моторных топлив сопутствующие капитальные вложения К1 отсутствуют, К2 - представляют собой капиталовложения на модернизацию штатной системы питания дизеля для работы на смесевом редечно-минеральном топливе, а величины П1 и П2 в большинстве случаев не являются определяющими, тогда формула (5.1) приобретает вид: [(И ЫЕ К2)] Р2+Ен FJ 5 Доля отчислений от балансовой стоимости трактора на восстановление Р2 = 1/ Сс = 0,2, (5.3) где Сс - срок службы трактора до капитального ремонта, лет. Сс= ТрН/ Тга = 5 лет, (5.4) где Трн - наработка трактора до капитального ремонта, Трн = 6000 ч; Тгн - годовая нормативная наработка трактора, Тга = 1200
Расчет годовой экономии при применении смесевых редечно-минеральных топлив осуществляем по формуле Зг = Иі-И2,руб., (5.5) где Иі - годовые эксплуатационные издержки при работе трактора на минеральном дизельном топливе, руб.; Иг - годовые эксплуатационные издержки при работе трактора на смесевых редечно-минеральных топливах, руб. Годовые эксплуатационные издержки рассчитываем по формуле [134] И = Сот + Ст + Са+ Стор + Спр, руб., (5.6) где Сот - оплата труда механизатора, руб.; Ст - затраты на топливные и смазочные материалы, руб.; Са - амортизационные отчисления на полное восстановление трактора, руб.; СТОр - затраты на техническое обслуживание и ремонт трактора, руб.; СПр - прочие прямые затраты (стоимость вспомогательных материалов, затраты на хранение и пр.), принимаем Спр =0 руб. Оплата труда механизатора, руб. Сот = Сч Ко Тгн + ССОц, (5.7) где Сч- тарифная ставка, руб. (часовая тарифная ставка тракториста-машиниста Сч = 76,8 руб./ч.); Ко - коэффициент увеличения оплаты труда по тарифу. Коэффициент Ко = Кі К2 К3 К4 к5 рассчитываем при работе тракторов МТЗ-80/82: Ki - коэффициент, учитывающий надбавку за классность (Ki= 1,1... 1,2); 6 K2 - коэффициент, учитывающий дополнительную заработную плату (К2= 1,08); Кз - коэффициент, учитывающий отчисления на страховые платежи (К3 = 1,2); К4 - коэффициент доплат за продукцию (К4 = 1,25... 1,50); К5 - коэффициент, учитывающий оплату отпусков (К5 = 1,06... 1,1).
Тогда коэффициент увеличения оплаты труда будет равен Ко = 1,1- 1,08- 1,2- 1,25 1,08 = 1,92 Отчисления на социальные нужды Г -КСОЦ-(Сч 0 гн) соц шо где Ясоц - величина отчислений на социальные нужды, %. Ксоц = 20,2%. Ссзд = 2а2-(7б 92-1200) .35743 руб. Сот = 76,8 1,92 1200 + 35743 = 212 690 руб. Годовые затраты на моторное топливо Величину годового расхода моторного топлива при работе трактора на минеральном ДТ и смесевом редечно-минеральном топливе, принимаем по их фактическому расходу, полученному в результате эксплуатационных исследований. Годовые затраты на моторное топливо, руб.: Ст = Тгн GT Сдст, (5.9) где GT - часовой расход смесевого редечно-минерального топлива двигателем трактора при работе под нагрузкой (например, для состава 50%РедМ+50%ДТ, GT = 14,8 кг/ч); Сдст - цена ДСТ, руб./кг. Цена смесевого редечно-минерального топлива 50%РедМ+50%ДТ составит: Сдст = СДТ-КІ+СРЄДЬКМ-К2 = 39,5-0 5+28-0,5 = 33 75 руб./кг, (5.10) где Ki, К2 - доля дизельного топлива и редечного масла в смесевом редечно-минеральном топливе, Ki= 0,5, Кг= 0,5; Сдт, Средм - цена минерального ДТ и редечного масла, руб./кг, Сдт= 39,5 руб./кг, СРедм= 28 руб./кг.
Предлагаемые смесители растительного и минерального компонентов дизельного смесевого топлива
Коэффициент избытка воздуха определялся как отношение действительного количества воздуха (GBfl) к теоретически необходимому (GBT) для полного сгорания смесевого редечно-минерального топлива [148]. a = GBfl/ GBT. (3.7)
Для определения действительного количества воздуха использовался расходомер (рисунок 3.11), состоящий из ёмкости объёмом, равным 200 объёмов одного цилиндра двигателя, сопла для определения скорости движения воздуха, дифференциального манометра для измерения перепада давления в сопле и термометра для замера температуры поступающего воздуха. G 3600-f ф-д/2е-Н-рв сх о\ GBT i0-GT-l(T2 где f - площадь проходного сечения сопла, м2 (f = 0,00126 м2); ф - коэффициент расхода воздуха через сопло; g - ускорение свободного падения, м/с2; Н - перепад давления в сопле, мм вод. ст.; рв - плотность воздуха, кг/м3; IQ- теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кг воздуха/кг топлива; GT - часовой расход топлива, кг/ч (определятся экспериментально по результатам моторных исследований дизеля). Плотность воздуха Рв=Р 2/з,до 760 -7Л где р плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м3, (р = 1,293 кг/м3); Во -барометрическое давление окружающего воздуха, МПа; То - температура окружающего воздуха, К (То = to + 273).
Коэффициент наполнения определялся как отношение действительного количества воздуха (GBfl) к теоретически возможному при температуре и давлении свежего заряда, равных температуре и давлению окружающей среды (GB0):
Моторные исследования дизеля по мощностным, топливно-экономическим и экологическим показателям выполнялись при работе дизеля на корректорной ветви регуляторной характеристики на различных скоростных режимах при полной нагрузке на тормозе.
Отклонения оценочных показателей дизеля при работе на смесевом редечно-минеральном топливе определялись по отношению к их значениям при работе на товарном минеральном дизельном топливе с неизменными регулировками основных систем и механизмов. Установочный угол опережения впрыска топлива оставался неизменным и равным 26 град, п.к.в.
Экспериментальные исследования проводились на товарном минеральном дизельном топливе (ДТ) Л-0,2-62 и смесевом редечно-минеральном топливе, в соотношениях компонентов: 25%РедМ + 75% ДТ; 50%РедМ + 50%ДТ; 75%РедМ + 25%ДТ; 90%РедМ + 10%ДТ. Смесевое топливо с содержанием редечного масла 90% дополнительно обрабатывалось на ультразвуковом диспергаторе УЗДН-2Т с частотой излучения 44 кГц в течение 50 минут.
Перед измерениями параметров и регистрацией электрических сигналов в условиях стабильного протекания рабочего процесса в цилиндре, дизель на заданном режиме работал не менее 5 мин.
Результаты измерений заносились в протокол испытаний в трехкратной повторности на данном режиме работы дизеля. Мощностные и топливно-экономические показатели дизеля рассчитывались по известным формулам [149-151]: Исследования трактора МТЗ-82 осуществлялись на вспашке опытных загонок на полях в СПК (колхоз) имени Калинина Ульяновской области.
Оценка эксплуатационных показателей тракторного агрегата, работающего на смесевом редечно-минеральном топливе, проводилась путем их сравнения с показателями трактора, работающего на минеральном дизельном топливе (100%ДТ).
За оценочные показатели пахотного агрегата были приняты рабочая скорость трактора, погектарный расход топлива, сменная производительность агрегата, дымность отработавших газов и эксплуатационная мощность [127,128,131,152,153].
Определение погектарного расхода топлива. Для определения погектарного расхода топлива трактор агрегатировался с трехкорпусным плугом ПЛН-3-35 (рисунок 3.12) на вспашке с глубиной обработки 20-22 см и удельным сопротивлением супесчаной выщелоченной черноземной почвы среднего механического состава 44-49 кПа. Площадь опытных загонок определялась саженью и визуально отмечалась вешками. Объем израсходованного моторного топлива определялся с помощью объемного расходомера, установленного на наружной поверхности кабины трактора.
Экспериментальный МТА Для оценки тягового усилия на сцепном устройстве и сопротивления на самопередвижение трактора использовался считывающий динамометр РТТК-АФИ (рисунок 3.13), который предварительно тарировался в соответствии ГОСТ 9500-84, ГОСТ 8.401-80 на образцовом динамометрическом стенде ДО-2-5. Техническая характеристика динамометра, представлена в приложении П.2.32. Динамометр (считающий работомер) РТТК-АФИ состоит из датчика тягового усилия стержневого типа, датчика пути, передаточных механизмов и интегрирующего измерительного устройства с двумя счетчиками: тяговых усилий и пути. Перед динамометрированием записывают начальные, а по окончании -конечные показания счетчиков.