Конструктивная адаптация автотракторной техники к работе на дизельном смесевом топливе
Ю.
В. УхановаБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Уханова
Ю.
В. Конструктивная адаптация автотракторной техники к работе на дизельном смесевом топливе // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 11. – С.
711–715. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/86154.htm.
Аннотация. Для работы автотракторной техники на дизельном смесевом топливе, получаемом смешиванием товарного минерального топлива и растительного масла, разработана, изготовлена и испытана двухтопливная система питания дизеля, которая, наряду с узлами и агрегатами штатной системы питания, включает трехходовой кран и ультразвуковой смеситель минерального топлива и растительного масла. На режимах пуска, прогрева и последующего останова работа двигателя осуществляется на минеральном топливе, на остальных режимах – на смесевом топливе.
Текст статьи
Уханова Юлия Владимировна,соискатель, ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА, г. Пенза Y.Uhanova@yandex.ru
Уханов Александр Петрович, научный руководитель доктор технических наук, профессор кафедры «Тракторы, автомобили и теплоэнергетика» ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА, г. Пензаdspgsha@mail.ru
Конструктивная адаптация автотракторной техникик работе на дизельном смесевом топливе.Аннотация.Для работы автотракторной техники на дизельном смесевом топливе, получаемом смешиванием товарного минерального топлива и растительного масла, разработана, изготовлена и испытана двухтопливная система питания дизеля, которая наряду с узлами и агрегатами штатной системы питания, включает трехходовой кран и ультразвуковой смеситель минерального топлива и растительного масла. На режимах пуска, прогрева и последующего останова работа двигателяосуществляется на минеральном топливе, на остальных режимах –на смесевом топливе. Ключевые слова:дизель, минеральное топливо, растительное масло, смесевое топливо, показатели.
Основным потребителем моторных топлив нефтяного происхождения является автотракторная техника. Причем доля такой мобильной техники, оснащенной поршневым дизельным двигателем, в общей структуре автомобильного и тракторного парка ежегодно возрастает.В энергетической стратегии развития Российской Федерации на период до 2020 года большое внимание уделено необходимости использования возобновляемых источников энергии и, в частности, из растительной биомассы для производства экологически чистого моторного топлива. По ГОСТ Р528082007 к такому биотопливу относится дизельное смесевое топливо, получаемое смешиванием товарного минерального топлива и растительного масла. Приготовление смесевого растительноминерального топлива обычно осуществляется в смесителях статического типа [16], которые относительно качественно смешивают биологический и минеральный компоненты, но не улучшают физикохимические свойства и не повышают энергетический эквивалент такого двухкомпонентного топлива.
Для более качественного смешивания и ультразвуковой обработки биологического и минерального компонентов смесевого топлива непосредственно в процессе работы автотракторной техники разработана, изготовлена и испытана на дизеле Д243 трактора МТЗ80/82 топливная система дизеля, которая наряду с узлами и агрегатами штатной системы 110 (рис.1), дополнительно содержит ультразвуковой смеситель 11 и 12 биологического и минерального компонентов смесевого топлива, бак смесевого топлива 13 и трехходовый кран14. В свою очередь смеситель состоит из высокочастотного пьезоизлучателя 1 (рис.2), размещенного в корпусе 2 с входным 3 и выходным 4 каналами, и соединенного с электронным блоком управления 5 электрическими проводами 6. Питание блока управления 5осуществляется от источника тока с постоянным напряжением 12Вбортовой сети электрооборудования трактора. Работают топливная системаиультразвуковой смеситель следующим образом.
На режимах пуска, прогрева и последующего останова работа двигателя осуществляется на минеральном топливе, на остальных режимах –на смесевом топливе. Напряжение от источника тока подается на электронный блок управления, в котором происходит формированиевысокочастотных командных импульсов, подаваемых в цепь пьезоизлучателя. Последний возбуждает ультразвуковые колебания. Через входной канал во внутреннюю полость корпуса смесителя подается дизельное смесевое топливо, компонентами которого являются растительное масло и минеральное топливо. Под действием ультразвуковых колебаний, создаваемых пьезоизлучателем, биологический и минеральный компоненты не только более качественно смешиваются между собой с образованием однородной мелкодисперсной среды, но и за счет появления эффекта кавитации происходит отрыв радикалов углеводородных групп от одного вида высших жирных кислот, содержащихся в растительном масле, и присоединение их к другому виду жирных кислот, что повышает энергетический эквивалент такого двухкомпонентного топлива. Из внутренней полости корпуса смесителя озвученное смесевое топливо через выходной канал поступает в топливный насос высокого давления и далее форсунками впрыскивается в цилиндры дизеля.
Рис.1.Двухтопливная система питания дизеля:–путь минерального дизельного топлива; –путь смесевого биотоплива; 1–бак минерального топлива; 2 –топливопроводы низкого давления; 3 –фильтргрубой очистки; 4 –фильтр тонкой очистки;
5 –топливоподкачивающий насос; 6 –топливный насос высокого давления; 7 –топливопроводы высокого давления; 8 –форсунка; 9 –цилиндр двигателя; 10 –воздухоочиститель; 11 –корпус пьезоизлучателя; 12 –электронный блок управления; 13 –бак смесевого биотоплива; 14 –трехходовый кран
Рис. 2.Ультразвуковой смеситель: 1пьезоизлучатель; 2 –корпус; 3 –входной канал; 4 –выходной канал; 5 –электронный блок управления; 6 –электропровода
Для оценки влияния смесевого растительноминерального топлива, обработанного и необработанного ультразвуком, на мощностные, топливноэкономические и экологические показатели тракторного дизеля выполнен комплекс экспериментальных исследованийв стендовых (рис. 3,4, 5) и эксплуатационных условиях (рис. 6) при его работе на смесевом топливе, биологическим компонентом которого являлись рапсовое, рыжиковое, редечное, горчичное, сурепное, сафлоровое, соевое и льняное масла с содержанием 25%, 50%, 75% и 90%.
Рис.3.Экспериментальная установка для исследования топливной системы дизеля с ультразвуковым смесителем
а)б)Рис.4.Место установки ультразвукового смесителя на тракторный дизель:а) место установки корпуса смесителя; б) место установкиэлектронного блока управления
В качестве примера в таблице представлены результаты экспериментальных исследований дизеля в номинальном режиме (n=2200 мин1) при работе на минеральном дизельном топливе (ДТ) и сафлороминеральном топливе, обработанном и необработанном ультразвуком, с соотношением биологического и минерального компонентов 50:50.Анализ данных таблицы свидетельствует о том, что при работе дизеля на сафлороминеральном топливе, обработанном ультразвуком, ухудшение мощностных и топливноэкономических показателей дизеля происходит на меньшую величину по сравнению с работой дизеля на сафлороминеральном топливе, необработанном ультразвуком.
Эффективные и экологические показатели дизеля Д243при работе на минеральном и сафлороминеральном топливахВид топливаПоказателиNe,кВтGT,кг/чge,г/кВт·чД, %Минеральное ДТ6114,62394050%СафМ+50%ДТ58,815,62642650%СафМ+50%ДТ (УЗ)59,715,325624Примечание: Nе–эффективная мощность; GТ–часовой расход топлива; gе–удельный эффективный расход топлива; Д –дымность отработавших газов;УЗ –топливо обработано ультразвуком
При работе дизеля на озвученном смесевом топливе 50%СафМ+50%ДТ (УЗ), по сравнению с работой на минеральном ДТ, эффективная мощность снижается с 61 кВт до 59,7 кВт, часовой и удельный эффективный расходы топлива повышаются соответственно с 14,6 кг/ч до 15,3 кг/ч и с 239 г/кВт∙ч до 256 г/кВт∙ч, дымность отработавших газов (ОГ) уменьшается с 40% до 24%, тогда как на необработанном смесевом топливе 50%СафМ+50%ДТ эффективная мощность снизилась с 61 кВт до 58,8 кВт, часовой и удельный эффективный расходы топлива возросли с 14,6 кг/ч до 15,6 кг/ч и с 239 г/кВт∙ч до 264 г/кВт∙ч, а дымность ОГ уменьшилась с 40% до 26%. Применение смесевого топлива 50%СафМ+50%ДТ(УЗ), обработанного ультразвуком, по сравнению с необработанным топливом аналогичного состава 50%СафМ+50%ДТ, приводит к увеличению эффективной мощности с 58,8 кВт до 59,7 кВт, уменьшению часового и удельного эффективного расходов топлива соответственно с 15,6 кг/ч и 264 г/кВт∙ч до 15,3 кг/ч и 256 г/кВт∙ч, а также к снижению дымности ОГ с 26% до 24%. Преимуществами разработанных топливной системы дизеля и ультразвукового смесителя биологического и минерального компонентов дизельного смесевого топлива является практическая возможность одновременного смешивания растительного масла и минерального топлива и их обработки ультразвуком с частотой излучения 25кГц непосредственно на «борту» автотракторной техники, широкая доступность комплектующих изделий, возможность изготовления на малых предприятиях, конкурентоспособность, не требуют больших капитальных вложений, малый срок окупаемости. Смеситель обеспечивает ультразвуковую обработку смесевого топлива с любым видом минерального и биологического компонентов.
Рис.5.Моторные исследования дизеля Д243 в стендовых условиях: 1 –машина динамометрическая КS56/4; 2 –расходомер топлива; 3 –дизель Д243
Рис.6.Лабораторнополевые исследования трактора МТЗ82 на весенней культивации зяби [ 7 ]
Экономическая эффективность от использованияпредлагаемойразработки, обеспечивающей улучшение мощностных, топливноэкономических и экологических показателей дизеля около 15 тыс. руб. на единицу автотракторной техники в год.
Ссылки на источники1. Жидкостный смеситель: пат. 89596 Рос. Федерация. № 2009135355/22; заявл.22.09.2009, опубл. 10.12.2009. Бюл. № 34. 2. Смесительдозатор топлива: пат. 91929 Рос. Федерация.№ 2009141314/22; заявл. 09.11.2009; опубл. 10.03.2010. Бюл. № 7. 3. Смесительдозатор топлива: пат. 2426588 Рос. Федерация. №2009141463/05; заявл. 09.11.2009, опубл. 20.08.2011, Бюл.№23.4. Применение биотопливных композиций на тракторном дизеле / А.П. Уханов [и др.] // Нива Поволжья. 2007. № 4. С.5357.5. Рапсовое биотопливо –альтернатива нефтяному моторному топливу / А.П. Уханов [и др.] // Нива Поволжья. 2007. № 2. С.3740.6. Уханов А.П., Голубев В.А. Разработка и обоснование конструктивнорежимных параметров смесителядозатора дизельного смесевого топлива // Вестник Ульяновской ГСХА. 2013. № 2(22). С.116121.7. Уханов А.П., Сидоров Е.А., Сидорова Л.И. Теоретическая и экспериментальная оценка эксплуатационных показателей пахотного агрегата при работе на дизельном смесевом топливе // Научное обозрение. 2014. №1. С.2124.
Уханов Александр Петрович, научный руководитель доктор технических наук, профессор кафедры «Тракторы, автомобили и теплоэнергетика» ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА, г. Пензаdspgsha@mail.ru
Конструктивная адаптация автотракторной техникик работе на дизельном смесевом топливе.Аннотация.Для работы автотракторной техники на дизельном смесевом топливе, получаемом смешиванием товарного минерального топлива и растительного масла, разработана, изготовлена и испытана двухтопливная система питания дизеля, которая наряду с узлами и агрегатами штатной системы питания, включает трехходовой кран и ультразвуковой смеситель минерального топлива и растительного масла. На режимах пуска, прогрева и последующего останова работа двигателяосуществляется на минеральном топливе, на остальных режимах –на смесевом топливе. Ключевые слова:дизель, минеральное топливо, растительное масло, смесевое топливо, показатели.
Основным потребителем моторных топлив нефтяного происхождения является автотракторная техника. Причем доля такой мобильной техники, оснащенной поршневым дизельным двигателем, в общей структуре автомобильного и тракторного парка ежегодно возрастает.В энергетической стратегии развития Российской Федерации на период до 2020 года большое внимание уделено необходимости использования возобновляемых источников энергии и, в частности, из растительной биомассы для производства экологически чистого моторного топлива. По ГОСТ Р528082007 к такому биотопливу относится дизельное смесевое топливо, получаемое смешиванием товарного минерального топлива и растительного масла. Приготовление смесевого растительноминерального топлива обычно осуществляется в смесителях статического типа [16], которые относительно качественно смешивают биологический и минеральный компоненты, но не улучшают физикохимические свойства и не повышают энергетический эквивалент такого двухкомпонентного топлива.
Для более качественного смешивания и ультразвуковой обработки биологического и минерального компонентов смесевого топлива непосредственно в процессе работы автотракторной техники разработана, изготовлена и испытана на дизеле Д243 трактора МТЗ80/82 топливная система дизеля, которая наряду с узлами и агрегатами штатной системы 110 (рис.1), дополнительно содержит ультразвуковой смеситель 11 и 12 биологического и минерального компонентов смесевого топлива, бак смесевого топлива 13 и трехходовый кран14. В свою очередь смеситель состоит из высокочастотного пьезоизлучателя 1 (рис.2), размещенного в корпусе 2 с входным 3 и выходным 4 каналами, и соединенного с электронным блоком управления 5 электрическими проводами 6. Питание блока управления 5осуществляется от источника тока с постоянным напряжением 12Вбортовой сети электрооборудования трактора. Работают топливная системаиультразвуковой смеситель следующим образом.
На режимах пуска, прогрева и последующего останова работа двигателя осуществляется на минеральном топливе, на остальных режимах –на смесевом топливе. Напряжение от источника тока подается на электронный блок управления, в котором происходит формированиевысокочастотных командных импульсов, подаваемых в цепь пьезоизлучателя. Последний возбуждает ультразвуковые колебания. Через входной канал во внутреннюю полость корпуса смесителя подается дизельное смесевое топливо, компонентами которого являются растительное масло и минеральное топливо. Под действием ультразвуковых колебаний, создаваемых пьезоизлучателем, биологический и минеральный компоненты не только более качественно смешиваются между собой с образованием однородной мелкодисперсной среды, но и за счет появления эффекта кавитации происходит отрыв радикалов углеводородных групп от одного вида высших жирных кислот, содержащихся в растительном масле, и присоединение их к другому виду жирных кислот, что повышает энергетический эквивалент такого двухкомпонентного топлива. Из внутренней полости корпуса смесителя озвученное смесевое топливо через выходной канал поступает в топливный насос высокого давления и далее форсунками впрыскивается в цилиндры дизеля.
Рис.1.Двухтопливная система питания дизеля:–путь минерального дизельного топлива; –путь смесевого биотоплива; 1–бак минерального топлива; 2 –топливопроводы низкого давления; 3 –фильтргрубой очистки; 4 –фильтр тонкой очистки;
5 –топливоподкачивающий насос; 6 –топливный насос высокого давления; 7 –топливопроводы высокого давления; 8 –форсунка; 9 –цилиндр двигателя; 10 –воздухоочиститель; 11 –корпус пьезоизлучателя; 12 –электронный блок управления; 13 –бак смесевого биотоплива; 14 –трехходовый кран
Рис. 2.Ультразвуковой смеситель: 1пьезоизлучатель; 2 –корпус; 3 –входной канал; 4 –выходной канал; 5 –электронный блок управления; 6 –электропровода
Для оценки влияния смесевого растительноминерального топлива, обработанного и необработанного ультразвуком, на мощностные, топливноэкономические и экологические показатели тракторного дизеля выполнен комплекс экспериментальных исследованийв стендовых (рис. 3,4, 5) и эксплуатационных условиях (рис. 6) при его работе на смесевом топливе, биологическим компонентом которого являлись рапсовое, рыжиковое, редечное, горчичное, сурепное, сафлоровое, соевое и льняное масла с содержанием 25%, 50%, 75% и 90%.
Рис.3.Экспериментальная установка для исследования топливной системы дизеля с ультразвуковым смесителем
а)б)Рис.4.Место установки ультразвукового смесителя на тракторный дизель:а) место установки корпуса смесителя; б) место установкиэлектронного блока управления
В качестве примера в таблице представлены результаты экспериментальных исследований дизеля в номинальном режиме (n=2200 мин1) при работе на минеральном дизельном топливе (ДТ) и сафлороминеральном топливе, обработанном и необработанном ультразвуком, с соотношением биологического и минерального компонентов 50:50.Анализ данных таблицы свидетельствует о том, что при работе дизеля на сафлороминеральном топливе, обработанном ультразвуком, ухудшение мощностных и топливноэкономических показателей дизеля происходит на меньшую величину по сравнению с работой дизеля на сафлороминеральном топливе, необработанном ультразвуком.
Эффективные и экологические показатели дизеля Д243при работе на минеральном и сафлороминеральном топливахВид топливаПоказателиNe,кВтGT,кг/чge,г/кВт·чД, %Минеральное ДТ6114,62394050%СафМ+50%ДТ58,815,62642650%СафМ+50%ДТ (УЗ)59,715,325624Примечание: Nе–эффективная мощность; GТ–часовой расход топлива; gе–удельный эффективный расход топлива; Д –дымность отработавших газов;УЗ –топливо обработано ультразвуком
При работе дизеля на озвученном смесевом топливе 50%СафМ+50%ДТ (УЗ), по сравнению с работой на минеральном ДТ, эффективная мощность снижается с 61 кВт до 59,7 кВт, часовой и удельный эффективный расходы топлива повышаются соответственно с 14,6 кг/ч до 15,3 кг/ч и с 239 г/кВт∙ч до 256 г/кВт∙ч, дымность отработавших газов (ОГ) уменьшается с 40% до 24%, тогда как на необработанном смесевом топливе 50%СафМ+50%ДТ эффективная мощность снизилась с 61 кВт до 58,8 кВт, часовой и удельный эффективный расходы топлива возросли с 14,6 кг/ч до 15,6 кг/ч и с 239 г/кВт∙ч до 264 г/кВт∙ч, а дымность ОГ уменьшилась с 40% до 26%. Применение смесевого топлива 50%СафМ+50%ДТ(УЗ), обработанного ультразвуком, по сравнению с необработанным топливом аналогичного состава 50%СафМ+50%ДТ, приводит к увеличению эффективной мощности с 58,8 кВт до 59,7 кВт, уменьшению часового и удельного эффективного расходов топлива соответственно с 15,6 кг/ч и 264 г/кВт∙ч до 15,3 кг/ч и 256 г/кВт∙ч, а также к снижению дымности ОГ с 26% до 24%. Преимуществами разработанных топливной системы дизеля и ультразвукового смесителя биологического и минерального компонентов дизельного смесевого топлива является практическая возможность одновременного смешивания растительного масла и минерального топлива и их обработки ультразвуком с частотой излучения 25кГц непосредственно на «борту» автотракторной техники, широкая доступность комплектующих изделий, возможность изготовления на малых предприятиях, конкурентоспособность, не требуют больших капитальных вложений, малый срок окупаемости. Смеситель обеспечивает ультразвуковую обработку смесевого топлива с любым видом минерального и биологического компонентов.
Рис.5.Моторные исследования дизеля Д243 в стендовых условиях: 1 –машина динамометрическая КS56/4; 2 –расходомер топлива; 3 –дизель Д243
Рис.6.Лабораторнополевые исследования трактора МТЗ82 на весенней культивации зяби [ 7 ]
Экономическая эффективность от использованияпредлагаемойразработки, обеспечивающей улучшение мощностных, топливноэкономических и экологических показателей дизеля около 15 тыс. руб. на единицу автотракторной техники в год.
Ссылки на источники1. Жидкостный смеситель: пат. 89596 Рос. Федерация. № 2009135355/22; заявл.22.09.2009, опубл. 10.12.2009. Бюл. № 34. 2. Смесительдозатор топлива: пат. 91929 Рос. Федерация.№ 2009141314/22; заявл. 09.11.2009; опубл. 10.03.2010. Бюл. № 7. 3. Смесительдозатор топлива: пат. 2426588 Рос. Федерация. №2009141463/05; заявл. 09.11.2009, опубл. 20.08.2011, Бюл.№23.4. Применение биотопливных композиций на тракторном дизеле / А.П. Уханов [и др.] // Нива Поволжья. 2007. № 4. С.5357.5. Рапсовое биотопливо –альтернатива нефтяному моторному топливу / А.П. Уханов [и др.] // Нива Поволжья. 2007. № 2. С.3740.6. Уханов А.П., Голубев В.А. Разработка и обоснование конструктивнорежимных параметров смесителядозатора дизельного смесевого топлива // Вестник Ульяновской ГСХА. 2013. № 2(22). С.116121.7. Уханов А.П., Сидоров Е.А., Сидорова Л.И. Теоретическая и экспериментальная оценка эксплуатационных показателей пахотного агрегата при работе на дизельном смесевом топливе // Научное обозрение. 2014. №1. С.2124.
