Разработка топливной системы тракторного дизеля для работы на биотопливе

Дипломный проект

" Разработка топливной системы тракторного дизеля для работы на биотопливе"

Уфа 2006

В современном сельском хозяйстве страны основным источником энергии является дизельный двигатель, работающий на топливе нефтяного происхождения.

Ресурс дизельного двигателя ограничен, к тому же само топливо постоянно дорожает. В этой связи большой практический интерес представляет изыскание альтернативных видов топлив. Одним из них может быть рапсовое масло.

О перспективе использования производных рапсового масла в качестве моторного топлива говорится уже давно. В связи с быстро возрастающей дефицитностью жидких топлив нефтяного происхождения и продолжающимся ужесточением мировых норм на токсичность выхлопных газов концепция биодизеля представляется одним из лучших вариантов решения указанных проблем.

Теперь поговорим о заманчивости использования нового биотоплива и его экономической выгоде. Во-первых, стоимость дизельного топлива на сегодняшний день составляет примерно 16 рублей за литр, а себестоимость литра биотоплива основанного на рапсовом масле составляет примерно 4−5 рублей за литр. А если учесть и то, что при изготовлении рапсового масла получают такие продукты как жмых, который используется в сельском хозяйстве как корм животным, то выгода, получаемая, при этом снизит себестоимость биотоплива до 2−3 рублей за литр.

Сам процесс изготовления рапсового масла намного проще и дешевле чем процесс получения дизельного топлива. Особенностями производства рапсового масла является осуществление непрерывного цикла производственного процесса. Преимуществами технологии получения биотоплива выступают:

— использование возобновляемого сырья (рапса) для получения основного компонента;

— получение ценных сопутствующих продуктов: твердого топлива, жмыха для приготовления кормов, технического мыла, глицерина;

— небольшое количество сточных вод;

— отсутствие вредных газообразных выбросов;

— технология получения биотоплива является материалои ресурсосберегающей.

Отсюда следует что при переходе двигателя с дизельного топлива на биотопливо приводит к снижению затрат на топливо примерно в 2−4 раза. Выгода — очевидна.

Следующий положительный момент при использовании биотоплива — это его экологичность. Помимо пониженной температуры затвердевания (а это ой как важно для наших зимних погодных условий), биотопливо, как моторное топливо, обладает рядом ценных качеств. Его применение существенно продлевает время жизни двигателя, так как такое топливо обладает лучшей смазывающей способностью, чем горючее из нефти. При этом на 90% снижается риск раковых заболеваний. За счет того, что биотопливо содержит 11% кислорода, количество углекислого газа уменьшается на 80%, угарного газа — на 35%, окислов серы — на 100%, аэрозолей (дымовых частиц размером менее 10 микрон) — на 32%. Ясно, что эти впечатляющие показатели имеют первостепенное значение для улучшения экологической ситуации.

Однако существуют и проблемы связанные с использованием рапсового масла. Основными проблемами применения такого топлива стали:

— потеря мощности;

— проблемы при холодном запуске;

— сбои в работе выпускных клапанов.

По своим свойствам рапсовое масло имеет большие отличия от дизельного топлива. Это, прежде всего, относится к вязкости, которая является важнейшим параметром, определяющим качество распыления и сгорания топлива. Вязкость масла может быть понижена нагреванием или разжижением путем добавления дизельного топлива. Рапсовое масло, будучи более вязкотекучим, чем дизельное топливо, при использовании в качестве топлива должно быть достаточно теплым. При слишком низких температурах оно требует подогрева. Нагреватель биотоплива, который предложен мною, делает возможным переход двигателя на биотопливо.

1. Анализ производственной деятельности ОПХ «Баймакское»

1.1 Общая характеристика предприятия

ОПХ «Баймакское» является базовым научным центром в области земледелия и растениеводства для Зауральских хозяйств РБ. Основано 8 апреля 1959 г. на базе БМСК. Специализируется на производстве семян высших репродукций (зерно, картофель, многолетние травы), племенного молодняка КРС и лошадей башкирской породы.

В ОПХ «Баймакское» сосредоточено 5 научных групп:

1) Земледелие — научные работы в области земледелия, разработки почвообрабатывающих орудий.

2) Агрохимия — дозы и сроки внесения удобрений, испытание новых видов микрои макроудобрений.

3) Растениеводство и семеноводство — внедрение новых технологий в области растениеводства и семеноводства.

4) Защита растений — изучение различных гербицидов и пестицидов.

5) Кормопроизводство — научные разработки в области кормопроизводства и семеноводства кормовых культур.

Все вышеописанные научные группы работают от Башкирского научно-исследовательского Института Российской Академии Наук. За период существования ОПХ научными сотрудниками завершены 48 научных разработок, в т. ч.:

— по земледелию — 15;

— по агрохимии и удобрениям — 18;

— по кормопроизводству — 6;

— по садоводству — 3;

— по коневодству и овцеводству — 6.

ОПХ «Баймакское» — село Куян-Тау расположено на территории Баймакского района — в Зауральской степной зоне.

Расстояние от районного центра (г. Баймак) составляет 12 км. Расстояние до ближайшей железнодорожной станции, элеватора и мясомолочного комбината (г. Сибай) — 50 км. Расстояние до г. Уфа — 550 км.

Территория хозяйства граничит с востока и северо-востока с колхозом «Таналык», с запада — с колхозом «Рассвет» и с юга, юго-востока — с ПСК «Баймакский».

Климат континентальный и засушливый. Среднее годовое количество осадков составляет 327.6 мм, а за вегетационный период — 192.5 мм. Сумма активных температур — 2200 °C. Средняя годовая температура воздуха составляет + 0.9 °С. Средняя температура воздуха за июль + 17.6°С, а максимальная + 38 °C; средняя температура за январь — 15.9°С, а минимальная — 33 °C.

1.2 Анализ показателей растениеводства

Таблица 1.1. Структура земельных угодий

Как видно из таблицы значительный удельный вес в структуре сельхозугодий занимает пашня — 65%. Пастбища занимают — 12.6%, что благоприятствует развитию отрасли животноводства.

Таблица 1.2. Структура посевных площадей, га

Как видно из таблицы 1.2 площади под возделываемые культуры по годам меняются. Увеличилась площадь под яровые зерновые и многолетние травы, уменьшились площади под картофель и зернобобовые. В 2004 году начали выращивание однолетних трав.

Таблица 1.3. Урожайность сельскохозяйственных культур, т/га

Как видно из таблицы 1.3 урожайность зерновых и зернобобовых за 2004 год достигла наибольшего значения по сравнению с предыдущими годами, что объясняется засушливой погодой в остальные года. Урожайность картофеля увеличилась в 2005 году, из-за принятых мер по орошению.

Таблица 1.4 Структура валовой продукции в натуральном виде, т

Как видно из данной таблицы валовой сбор продукции растениеводства из года в год сильно изменяется, что объясняется засушливой погодой Зауральской зоны.

Важным экономическим показателем в растениеводстве является себестоимость отдельных видов продукции растениеводства.

Таблица 1.5 Себестоимость продукции растениеводства по годам, руб./т

Как видно из данной таблицы себестоимость продукции растениеводства из года в год растет, это объясняется повышением цен на топливно-смазочные материалы и удобрения. Но при этом себестоимость одной тонны картофеля снизилась, что объясняется высокой урожайностью. Поэтому можно сделать вывод, что основное влияние на себестоимость продукции оказывают погодные условия.

1.3 Анализ показателей животноводства

В отрасли животноводства хозяйство специализируется в мясомолочном направлении, используя при этом современные технологии и методы. Так же занимается разведением лошадей башкирской работы.

Таблица 1.6. Поголовье скота и его продуктивность

Как видно из данной таблицы среднегодовой удой молока на 1 корову увеличивается, несмотря на то, что поголовья коров молочного направления не изменяется, это объясняется улучшением условий содержания, механизации животноводства и повышением кормовых единиц в рационе кормления.

Таблица 1.7 Себестоимость продукции животноводства, руб./т

Как видно из таблицы себестоимость продукции животноводства из года в год растет, это объясняется повышением цен на корма и топливно-смазочные материалы.

Таблица 1.8. Финансовые показатели хозяйства

Как видно из данной таблицы хозяйство является рентабельным. Из этой таблицы видно, что прибыль из года в год возрастает. Уровень рентабельности и производство валовой продукции держится примерно на одном уровне. В целом финансовые показатели хозяйства нормальные, но надо стремиться повесить их.

1.4 Анализ состава и показателей использования машинно-тракторного парка

Тракторы занимают важное место в сельскохозяйственном производстве. С их помощью выполняют большую часть работ в растениеводстве и животноводстве.

Таблица 1.9. Наличие тракторов в хозяйстве

Как видно из данной таблицы, количество тракторов из года в год уменьшается, что объясняется списанием старой техники и отсутствием средств для приобретения новой.

Таблица 1.10. Наличие сельскохозяйственных машин и орудий, шт.

Основным показателем уровня использования машинно-тракторного парка является сменная, годовая наработка на эталонный и физический трактор, удельный расход топлива и коэффициент сменности.

Таблица 1.11. Использование тракторного парка

Как видно из данной таблицы годовая наработка из года в год уменьшается из-за старения тракторов. Коэффициент технической готовности низкий из-за недостаточной организации технического обслуживания тракторов.

Таблица 1.12. Использование зерноуборочных комбайнов

Как видно из таблицы количество комбайнов за прошедшие три года не изменилось, но наработка на один комбайн небольшая, что говорит об их частых поломках.

Таблица 1.13. Показатели работы автопарка

Как видно из данной таблицы среднегодовое количество автомобилей из года в год уменьшается, это объясняется их списанием и отсутствием запасных частей. Низкий коэффициент использования грузоподъемности объясняется неправильной организацией грузоперевозок. Из года в год уменьшается общий пробег автомобилей, что объясняется их старением и отсутствием запасных частей.

Таблица 1.14. Техническая оснащенность хозяйства

Как видно из данной таблицы нагрузка на 1 условный трактор составляет около 91 га пашни, что меньше среднереспубликанского значения.

1.5 Организация нефтехозяйства

Нефтехозяйство представляет собой подразделение, включающее комплекс сооружений и оборудований для транспортировки, приема, хранения и отпуска нефтепродуктов. Нефтехозяйство находится в отличном состоянии, оно оснащено емкостями для дизельного топлива; бензина-А-76, А-92; моторных масел; трансмиссионных масел и отработанных масел.

Поставщиком топливо смазочных материалов является ОАО «Башкир-нефтепродукт», оплата за топливо производится за безналичный расчет. Доставка топливно-смазочных материалов осуществляется своими транспортными средствами. Во время полевых работ заправка тракторов и комбайнов осуществляется передвижными заправщиками непосредственно на поле. Во время полевых работ дизельное топливо выдается всем без лимита, а количество бензина выдается в зависимости от транспортного средства и от выполняемой работы.

1.6 Организация хранения машин

В хозяйстве для хранения сельскохозяйственной техники применяют открытый способ. Для этого выделена специальная территория. Место хранения машин имеет площадку с твердым покрытием, площадку для списанной техники, приспособления и подставки для установки машин, противопожарное оборудование и инвентарь, ограждение и освещение. Площадка имеет уклон для отвода талых и дождевых вод.

Перед постановкой машин на хранение проводят техническое обслуживание. Снятые с машин агрегаты и детали хранятся в специально оборудованных складах. В хозяйстве технология хранения сельскохозяйственной техники выполняется согласно правилам.

2. Анализ существующих конструкций подогревателей топлива При проектировании подогревателя топлива произвел поиск по патентным фондам с глубиной до 40 лет. Так же изучил конструкции и работу существующих подогревателей топлива в литературе по автотракторным двигателям.

Среди всех рассмотренных подогревателей выделил несколько наиболее перспективных для модернизации и усовершенствования.

Подогреватель топлива по авторскому свидетельству № 1 160 089 листа.

Рисунок 2.1. Устройство для подогрева жидкого топлива в двигателе внутреннего сгорания: 1-корпус; 2-перегородка; 3,4 - топливная и обогревательная камеры; 5,6 - подающий и отводящий патрубки для топлива соответственно; 7,8 - подающий и отводящий патрубки для жидкости соответственно; 9-электронагреватель; 10-привод; 11-блок управления; 12-поплавок; 13-пластина; 14-тензоэлемент; 15-провода; 16-теплоизолирующий материал

Устройство для подогрева жидкого топлива в двигателе внутреннего сгорания. Перед пуском двигателя, так как топливо, подаваемое в двигатель не подогрето, блок 11 управления подключает электронагреватель 9 к источнику питания, в связи, с чем топливо, находящееся в топливной камере 3, нагревается и обеспечивает легкий пуск и устойчивая работа двигателя в режиме прогрева. После прогрева двигателя обогревающая жидкость, проходящая через обогревательную камеру 4, через криволинейную перегородку 2 передает тепло жидкому топливу, проходящему через камеру 3. Так как перегородка 2 выполнена криволинейной, то обеспечивается высокая эффективность теплообмена между топливом и жидкостью.

Жидкое топливо, подаваемое через подводящий патрубок 5 в нижнюю часть топливной камеры 3, подогревается теплом охлаждающей жидкости и электронагревателя 9 и, поднимаясь вверх, подается к дозирующему приспособлению (не показано) системы питания через отводящий патрубок 6. С увеличением температуры подогрева топлива его плотность понижается, в связи с чем при заданной температуре топлива поплавок 12 смещается вниз, а тензоэлемент 14 выдает на вход блока 11 управления сигнал, по которому электронагреватель 9 отключается от источника питания. После этого подогрев жидкого топлива осуществляется теплом обогревающей жидкости, проходящей через обогревательную камеру 4. Если тепла, отводимого от жидкости, не хватает для подогрева топлива до заданной температуры, то вследствие увеличившейся плотности топлива поплавок 12 поднимается вверх, а тензоэлемент 14 подает сигнал на вход блока 11 управления, обеспечивающего подключение электронагревателя 9 к источнику питания. После подогрева топлива до заданной температуры электронагреватель 9 отключается от источника питания, как описано.

Отрицательный эффект данной конструкции заключается в том, что оно не обеспечивает равномерного нагрева топлива. Это снижает точность поддержания температуры топлива, особенно при пуске двигателя и его работы в условиях низких температур окружающей среды.

Подогреватель топлива по авторскому свидетельству № 2 030 621 листа.

Подогреватель топлива работает следующим образом. Перед запуском двигателя автотранспортного средства при низких температурах включается источник тока 19. Это может быть, как бортовая электрическая система автотранспортного средства, так и любой внешний источник тока. При прохождении тока через нагревательные элементы (позисторы) 8, они нагреваются и нагревают окружающие их парафинированное топливо. Электрический ток, проходя через позисторы 8, приводит в действие устройство механического перемешивания, например, электродвигатель 5 с мешалкой 7, которая, вращаясь, перемешивает топливо в емкости 3, обеспечивая, таким образом, конвективный теплообмен между движущимся топливом и позисторами 8, что существенно уменьшает период тепловой подготовки системы топливоподачи к запуску. При нагреве топлива до заданной температуры и обеспечении требуемой жидкотекучести, которая является характеристикой позисторов 8, Они отключаются («запираются»), т. е. сопротивление позисторов 8 возрастает, как минимум, в тысячу раз, что снижает силу тока после позисторов 8 до такой степени, что электродвигатель 5 отключается и перемешивание топлива не происходит. При этом также отключается сигнальная лампочка (не показана), что свидетельствует о готовности системы топливоподачи к запуску. После этого, производится запуск двигателя автотранспортного средства на необходимом для запуска количестве подогретого в емкости 3 топливе.

При снижении температуры топлива уменьшается сопротивление позисторов 8, они пропускают электрический ток, которых их нагревает и приводит в действие электродвигатель 5 с крыльчаткой 7 для перемешивания и ускорения прогрева топлива. Таким образом, кроме тепловой подготовки топлива непосредственно перед пуском, подогреватель автоматически поддерживает температуру топлива при работе двигателя автотранспортного средства.

Рисунок 2.2. Подогреватель топлива: 1-теплоизолированный топливопровод; 2-бак; 3-емкость; 4 - теплоизолированный материал; 5-электродвигатель; 6-вал; 7-крыльчатка; 8 - позисторы; 9 - полая цилиндрическая кассета; 10,13 - перемычки; 11,12,24 - положительный и отрицательные контакты; 14-пробка; 15,17 - клеммы; 16,18,21 - электропровода; 19-источник тока; 20-корпус контакт; 22-контакт; 23,25 - диэлектрические прокладки

При этом целесообразно подключать подогреватель топлива к бортовой электрической системе, а при запуске, особенно при разряженной аккумуляторной батарее целесообразно подогреватель подключать к внешнему источнику тока. При замерзании топлива и отказе электродвигателя его перемешивание производится вручную, рукояткой (не показана), соединенной с валом 6 крыльчатки 7. Термоизоляция емкости 3 и топливопровода 1 позволяет экономить расход электроэнергии и уменьшить потери тепла.

Предлагаемый подогреватель позволяет обеспечить быстрый прогрев необходимого запаса топлива для гарантированного" запуска двигателя. Включение электродвигателя с мешалкой последовательно после позисторов позволяет не только перемешивать топливо, но главное позволяет обеспечить автоматизацию процесса тепловой подготовки топлива без электронных элементов как например, подогреватели на базе полевых транзисторов, которые очень сложны и дорогостоящи. Стоимость изготовления предлагаемого подогревателя в 12-15 раз меньше транзисторного. Кроме этого, применение в качестве нагревательных элементов позисторов позволяет обеспечить пожароопасность подогревателя. Применение в практике зимней эксплуатации подобных подогревателей, позволяет по экспериментальным данным уменьшить на 10. - 15% расход топлива, снизить токсичность отработанных газов на 15-20%. снизить простои по техническим причинам. При этом существенно сокращается продолжительность и трудоемкость тепловой подготовки двигателя при низких температурах.

Подогреватель топлива по авторскому свидетельству № 2 022 150 листа.

Рисунок 2.3. Устройство для подогрева жидкости: 1-корпус; 2,3 - основной и дополнительный термоэлектропроводящие элементы соответственно; 4-полупроводниковые нагреватели; 5-цанговый фиксатор; 6,7 - токопроводящие контакты; 8-пружина; 9,14 - верхняя и нижняя крышки соответственно; 10,15 - подводящий и отводящий штуцера соответственно; 11,12,13 - отверстия; 16-прокладка; 17-иглообразные выступы; 18,19 - выступы

Устройство для подогрева жидкости. Устройство подключают к источнику питания ДВС при минусовой температуре окружающего воздуха перед запуском ДВС «при помощи контактов 6 и 7. Ток проходит через токопроводящую пружину 8, дополнительные термоэлектропроводящие элементы 3, достигает полупроводниковых нагревателей 4, которые, нагреваясь, отдают тепло элементам 2 и 3, Вследствие того, что термоэлектропроводящие элементы выполнены в виде отдельных пластин, последние всей поверхностью участвуют в передаче тепла от нагревателя к жидкости.

Холодное топливо поступает в корпус 1 через расположенные в верхней крышке 9 корпуса штуцер 10 и отверстия 11. Обтекая размещенные в корпусе 1 элементы 3 с иглообразными выступами 19, топливо нагревается и направляется к отверстиям 12. При этом отверстия 12 (фигура 3) расположены напротив нагревателей 4, чтобы поток топлива, обтекая их, обеспечивал максимальный теплосъем. Через отверстия 12 нагретое топливо перетекает на нижнюю часть элемента 2 и, перемещаясь от периферии к центру, обтекает иглообразные выступы 17, нагреваясь еще больше.

Рисунок 2.4 Саморегулирующийся подогреватель топлива: 1-корпус; 2-нагревательный элемент; 3,4 - контактные болты; 5-кожух; 6-спираль; 7-турбулизатор; 8-прокладка

Саморегулирующийся подогреватель топлива. Посредством болтов 3 и 4 подогреватель электрически соединяют с электросистемой подвижного транспортного средства и оставляют постоянно включенным. При неработающем двигателе движения топлива через подогреватель нет. Та часть топлива, которая находится в подогревателе, нагревается и передает часть теплоты через прокладку 8 керамическому нагревательному элементу (позистору) 2, который при этом увеличивает свое сопротивление, и ток в цепи снижается. За счет термосифонной передачи теплоты от топлива в подогревателе к топливу в баке происходит периодическое самовключение нагревателя с незначительным значением тока в цепи. Во время запуска и при дальнейшей работе двигателя теплообмен в подогревателе возрастает и керамический нагревательный элемент 2 (позистор) более длительное время находится в «открытом» состоянии и ток в цепи нагревателей при этом максимальный. При этом основной нагрев происходит от работы нихромовой спирали 6. По мере нагревания часть теплоты передается по корпусу через прокладку 8 к позистору и сопротивление в цепи увеличивается, что приводит к снижению тока, а следовательно, и мощности подогревателя. Для более интенсивного уравнения температуры в подогревателе и его равномерного нагрева служит турбулизатор 7.

Данная конструкция не обеспечивает немедленного прогрева топлива, что приводит к простою транспорта для прогрева топлива.

Подогреватель топлива по авторскому свидетельству № 2 002 095 листа.

Устройство для подогрева топлива и стабилизации его температуры. Топливо поступает через штуцер 18 в кольцевой сборник 21. Далее через окна топливо поступает в канал 8, где омывает термочувствительный элемент 7 и затем через штуцер 5 подается в топливную систему двигателя.

Если температура топлива ниже необходимой, то обечайка 11, закрепленная на силовом штоке 9, перекрывает окна ряда, расположенного в зоне кольцевого сборника 21. Топливо из сборника 21 через канал 19, где оно через стенку корпуса 1 нагревается за счет теплоты жидкости системы охлаждения, и окна, размещенные у днища 2 корпуса 1, поступает во внутреннюю полость, образованную направляющей 3, обечайкой 11 и днищем 2. а затем в канал 8.

Рисунок 2.5. Устройство для подогрева топлива и стабилизации его температуры: 1-корпус; 2-днище; 3-направляющая; 4-наконечник; 5-штуцер для отвода топлива; 6-крепежный элемент; 7-термочувствительный элемент; 8-цилиндрический канал; 9-силовой шток; 10-винт; 11-обечайка; 12-водяная рубашка; 13-днище водяной рубашки; 14-зазар; 15,19 - канал; 16-щтуцер для подвода жидкости; 17-щтуцер для отвода жидкости; 18-штуцер для подвода топлива; 20-внутренная полость; 21-кольцевой сборник

Если температура топлива повышается выше необходимой, то силовой шток 9 термочувствительного элемента 7 перемещает закрепленную на нем обечайку 11 влево, полностью или частично перекрывая окна, расположенные у днища 2 и открывая окна, размещенные в зоне кольцевого сборника 21, открывая доступ топлива непосредственно из сборника 21 в канал 8.

Таким образом, осуществляется стабилизация температуры топлива на выходе из устройства.

Подогрев топлива в канале 19 осуществляется за счет теплоты жидкости системы охлаждения двигателя, поступающей через штуцер 16 в зазор 14, затем в канал 15 и штуцер 17.

Данная конструкция подогревателя имеет низкую точность регулирования.

Проанализировав все рассмотренные конструкции подогревателей топлива, установил, что все они имеют свои недостатки. Таким образом, новая конструкция подогревателя топлива должна быть достаточно надежна, обеспечивать необходимую температуру нагрева топлива при минимальных затратах энергии. Также она должна быть проста в изготовлении и обслуживании, экономически обоснованной.

3. Расчет и конструирование нагревателя топлива

Прежде чем начать конструирование нагревателя топлива необходимо произвести сравнение дизельного топлива с рапсовым маслом и произвести тепловой расчет двигателя на дизельном топливе и рапсовом масле.

3.1 Показатели дизельного топлива и рапсового масла

Ниже проанализированы наиболее важные характеристики рапсового масла (в сравнении с товарным дизельным топливом).

Растительные масла являются липидами, эфирами жирных кислот или глицеринами. Обладая высокой теплотворной способностью, они содержат прямые углеводородные цепи, что обуславливает их относительно высокие цетановые числа. В таблице 1 приведены значения низшей теплоты сгорания, вязкости и цетанового числа рапсового масла и дизельного топлива среднего состава.

Таблица 3.1. Физико-химические показатели рапсового масла и товарного ^оС дизельного топлива.

Как видно из таблицы 3.1, рапсовое масло обладает близкими энергетическими возможностями по отношению к дизельному топливу, но его вязкость в 11 с лишнем раза выше. Это создает определенные трудности в организации рабочего процесса дизеля, т. к. увеличивает сопротивление топливоподаче, уменьшает производительность топливного насоса, ухудшает распыливание и смесеобразование. Все это приведет (если не принять необходимые меры) к увеличению удельного расхода топлива и интенсивному нагароотложению на стенки деталей цилиндропоршневой группы двигателя.

С целью снижения вязкости рапсового масла можно снижать его температуру (таблица 3.2).

Таблица 3.2. Влияние температуры на плотность и вязкость рапсового масла

Данные таблицы 3.2 свидетельствуют о возможности снижения вязкости рапсового масла путем его подогрева.

При использовании рапсового масла в качестве моторного топлива требуется ввести в топливную систему двигателя специальные подогреватели (теплообменники), обеспечивающие его локальный подогрев и, как следствие, снижающий вязкость.

Вязкость рапсового масла можно снижать, как показывают литературные данные, и замещением трехвалентных молекул глицерина посредством добавления небольшого количества метанола или этанола. На 1000 кг растительного масла обычно добавляют 110 кг метилового или этилового спирта и получают 1000 кг метилового или этилового эфира и 110 кг глицерина.

После такой трансэтерфикации (замещения трехвалентных молекул глицерина тремя одновалентными молекулами спирта) рапсовое масло приобретает свойства, весьма близкие к дизельному топливу (таблице 3).

Таблица 3.3. Показатели рапсового масла после метилэтерфикации

Достигнутые, положительные качества объясняются тем, что добавленные метилы и этилэфиры по сравнению с рапсовым маслом имеют лучшие моторные качества. К тому же при их использовании на стенках деталей цилиндропоршневой группы не образуют нагароотложения.

Однако эфиры (особенно метилэфиры) нестабильны (при низких температурах образуют кристаллы масличного эфира) и поэтому требуют частого контроля качества. К тому же они взаимодействуют с материалами деталей топливной системы. Эти обстоятельства затрудняют применение трансэтерфикации.

Важными характеристиками рапсового масла являются йодное число, характеризующее термическую стабильность рапсового масла, и кислотность, определяющая коррозийный износ деталей системы топливоподачи и степень на тепловыделения при сгорании.

Как видно из таблицы 3.4, рапсовое масло имеет незначительные показатели кислотности и Йодного числа.

Таблица 3.4. Некоторые химические показатели растительных масел

Это результат того, что насыщенные масла, к числу которых относятся и рапсовое, имеют лучшие сами по себе характеристики, чем не насыщенные, например, подсолнечное.

Величина поверхностного натяжения масла позволяет судить о возможности возникновения проблем её испарения и отрыва капель с поверхности камеры сгорания. В таблице 3.5 приведены данные поверхностного натяжения рапсового масла на границе топливо-воздух при 101,3 кПа.

Таблица 3.5. Значения величины поверхностного натяжения рапсового масла и дизельного топлива

Характеристики результатов испытаний рапсового масла и дизельного топлива при пониженных температурах позволяют предусмотреть мероприятия для сохранения работоспособности систем топливоподачи и фильтрации. В таблице 3.6 приведены эти характеристики для рапсового масла и дизельного топлива — температуры помутнения, застывания, фильтруемости и плавления.

Таблица 3.6. Некоторые физические показатели рапсового масла и дизельного топлива

В целом, по совокупности рассмотренных физико-химические показателей в целом можно утвердить, что для производства биотоплива вполне может использоваться рапсовое масло. Основой при этом является обязательный подогрев с целью снижения его вязкости.

3.2 Тепловой расчет двигателя

3.2.1 Процесс впуска

Температура Т_а в К в конце процесса впуска определяем по формуле:

(3.1)

где Т_о — температура окружающей среды, К;

? Т — подогрев свежего заряда, К;

_r — коэффициент остаточных газов;

Т_r — температура остаточных газов, К;

Т_о= 293 К при работе двигателя без наддува.

? Т = 10…40^о — для дизеля без наддува. Он зависит от конструкции и установки на двигатель впускного трубопровода, оптимизации его подогрева и скоростного режима двигателя. Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда и, таким образом, отрицательно влияет на наполнение двигателя.

Принимаем для дизельного топлива? Т = 25^о, для биотоплива? Т = 100^о;

_{r -} характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания. С увеличением _r уменьшается количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процесса впуска. Для 2-х тактных дизелей без наддува _r = 0,03…0,06.

Примем для дизельного топлива _r = 0,03, для биотоплива ^д_r = 0,06.

В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха устанавливается значение температуры Т_r.

Т_{r =} 700…900 К.

Принимаем для дизельного топлива Т_{r =} 850 К, для биотоплива Т_r=700 К.

Подставив все значения в формулу (3.1) найдем температуру в конце процесса впуска и биотоплива:

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

Давление Р_а в кПа в конце впуска находим по формуле:

(3.2)

где Р_о — давление окружающей среды. Примем Р_о = 100 кПа.

— для дизельного топлива:

Р_а = (0,85…0,9)•100 = 0,90•100 = 90 кПа,

— для биотоплива:

Р_а = (0,85…0,9)•100 = 0,85•100 = 85 кПа, Коэффициент з_v наполнения найден по формуле:

= • (3.3)

где Е — степень сжатия, Р_r — давление остаточных газов, кПа.

Для двигателя Д-21 Е = 16.

Для автотракторных двигателей без наддува, а также с поддувом и выпуском в атмосферу давление остаточных газов P_r в кПа найдем по формуле:

(3.4)

— для дизельного топлива:

Р_r = 1,25 100 кПа = 125 кПа.

— для дизельного топлива:

Р_r = 1,5 100 кПа = 105 кПа.

Подставив все значения найдем :

— для дизельного топлива:

= ;

— для биотоплива:

= .

3.2.2 Процесс сжатия

Давление P_с в кПа и температура Т_с в К в конце процесса сжатия определяют по уравнению политропического процесса с постоянным показателем n₁:

(3.5)

где n_1 — средний показатель политропы сжатия.

Величину n₁ можно определить по эмпирической формуле профессора В. А. Петрова, как функцию угловой скорости вращения коленвала:

— для двигателя Д-21

(3.6)

где — угловая скорость коленчатого вала, мин^-1,

Находится в мин^-1 по формуле:

(3.7)

где n — частота вращения коленчатого вала, мин^-1,

Для двигателя Д-21 n = 1600 мин^-1.

Отсюда найдем :

Подставив в формулу (3.6) найдем n_1:

Найдем Р_с по формуле (3.5):

— для дизельного топлива:

Р_с = 9016^1,35=3961,4 кПа

— для биотоплива:

Р_с = 8516^1,35=3589 кПа Аналогично найдем температуру Т_с в К в конце сжатия по формуле:

(3.8)

— для дизельного топлива:

Т_с = 333,516^1,35−1= 889,6 К

— для биотоплива:

Т_с = 410,316^1,35−1= 1082,8 К

3.2.3 Процесс сгорания

Состав топлива, задается массовым или объемным содержанием основных элементов: углерода С, водорода Н и кислорода О₂. Нужно иметь в виду, что в топливе присутствуют также сера S, азот N и элементы химических соединений в виде антидетонационных, противодымных и других присадок. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива L_o в кмоль/кг найден по формуле:

(3.9)

где 0,21 — значение объемного содержания кислорода в 1 кг воздуха С — содержание углерода в топливе, кмоль;

Н — содержание водорода в топливе, кмоль;

О — содержание кислорода в топливе, кмоль.

Для дизельного топлива С = 0,87 кмоль; Н = 0, 124 кмоль, О = 0,004 кмоль;

Для биотоплива С = 0,6 кмоль; Н = 0,124 кмоль, О = 0,011 кмоль.

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

Действительное количество воздуха L в моль/кг определяем по формуле:

(3.10)

где — коэффициент избытка воздуха.= 1,65…1,2:

Принимаю для дизельного топлива = 1,65, для биотоплива = 1,2.

Найдем L по формуле (3.10):

— для дизельного топлива:

L= 1,650,492 = 0,81 моль/кг

— для биотоплива:

L= 1,20,38 = 0,456 моль/кг Число молей продуктов сгорания 1 кг топлива М ищем по формуле:

— при б > 1

(3.11)

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

Химический коэффициент молярного изменения в_о можно вычислить по формуле:

(3.12)

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

А действительный коэффициент молярного изменения в найдем по формуле:

(3.13)

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

Определяем теплоемкость газов мС^c_v в кДж/кмоль•град для чистого воздуха по формуле:

(3.14)

где, а =20,16; в = 1,73 810^-3 — постоянные коэффициенты

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

Теплоемкость продуктов сгорания мС^z_v кДж/кмоль•град при > 1 определим из формулы:

(3.15)

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

А теплоемкость мС^z_р кДж/кмоль•град при постоянном давлении найдем по формуле:

(3.16)

где R-универсальная газовая постоянная, она равна R=8,314;

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

Температура в конце сгорания Т_z в К для дизеля определяется из формулы:

(3.17)

где — коэффициент использования тепла;

Q_н — низшая удельная теплота сгорания, кДж/кг;

— степень нарастания давления;

Для дизельного топлива: = 0,7…0,9, примем = 0,85.

Низшая удельная теплотворность равна Q_н = 42 500 кДж/кг.

Для биотоплива: примем = 0,7;

Низшая удельная теплотворность равна Q_н = 37 300 кДж/кг Для вихрекамерных и предкамерных = 1,4…1,8. Примем =1,6.

Выбираем = 0,85, потому что у данного двигателя совершенная форма камеры сгорания за счет чего уменьшаются потери теплоты от газов в стенки.

Величина для дизелей устанавливается по опытным данным в основном в зависимости от количества топлива, подаваемого в цилиндр, формы камеры сгорания и способа смесеобразования. Выбрал =1,6 так как давление в конце процесса сжатия высокое и если выбрать большее значение, то Р_с увеличится, что следовательно будет требовать более дорогой материал поршневой группы.

Подставив значения, получаем:

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

Преобразовав выражение получим квадратное уравнение:

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

Решая эти уравнения получили:

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

Подставив значение Т_z найдем значение теплоемкости продуктов сгорания:

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

Давление Р_z в кПа в конце сгорания найдем по формуле:

(3.18)

— для дизельного двигателя:

— для биотоплива:

3.2.4 Процесс расширения

В результате осуществления процесса расширения происходит преобразование тепловой энергии топлива в механическую работу. В реальных двигателях расширение протекает по сложному закону, зависящий от теплообмена между газами и окружающими стенками, величины подвода теплоты, а результате догорания топлива и восстановления продуктов диссоциации, утечки газов через неплотности и другое. Процесс в действительном цикле протекает по политропе.

Степень предварительного расширения с находится по формуле:

(3.19)

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

Степень последующего расширения д найдем по формуле:

(3.20)

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

Находим давление Р_е в кПа в конце расширения по формуле:

(3.21)

где n₂ — показатель политропы расширения.

Показатель политропы расширения n₂ можно определить по эмпирической формуле профессора В. А. Петрова:

Для дизельного двигателя:

(3.22)

Найдем это значение:

Находим давление в конце сжатия Р_е:

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

Температура Т_е в К в конце расширения:

(3.23)

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

3.2.5 Процесс выхлопа

В современных двигателях открытие выпускного канала проходит за 40−80^о до и.м.т. и с этого момента начинается истечение отработавших газов с критической скоростью 600−700 м/с. За этот период, заканчивающиеся в близи и.м.т. в двигателях без наддува и несколько позже при наддуве, удаляется 60−70% отработавших газов. При дальнейшем движении поршня к В.М.Т. истечение газов происходит со скоростью 200−250 м/м и к концу выпуска не превышает 60−100 мс. Средняя скорость истечения газов за период выпуска на номинальном режиме находится в пределах 60−150 мс. Закрытие выпускного клапана происходит через 10^о-50^о после В.М.Т., что повышает качество очистки цилиндра за счет эжекционного свойства потока газа, выходящего из цилиндра с большой скоростью.

Давление Р_r в кПа в конце выхлопа найдем из формулы:

(3.24)

где k_r = 1,05…1,25 для двигателей без наддува;

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

3.2.6 Индикаторные показатели работы двигателя

Среднее индикаторное давление Р_i в кПа для дизеля найдем из формулы:

(3.25)

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

Действительное среднее индикаторное давление Р_iан в кПа с учетом округления диаграммы и затрат на осуществление насосных ходов поршня определим из уравнения:

(3.26)

где ;

— коэффициент округления.

Коэффициент округления = 0,92…0,95. Возьмем =0,95.

— для дизельного топлива:

Р_iан= 0,95 916,6 -125−90=835,7 кПа

— для биотоплива:

Р_iан= 0,95 855,5 -105−90=797,7 кПа Среднее индикаторное давление Р_i — такое условное постоянное давление, которое действуя в течении 1 хода поршня совершает такую же работу что и переменное давление внутри цилиндра двигателя. Значит, величина среднего индикаторного давления характеризует тепловую напряженность работы двигателя.

Процент несовпадения величин среднего индикаторного давления? Р_i в %, вычисленных, аналитически и графически определяется по выражению:

(3.27)

Допустимая погрешность? Р_i=3…5%;

— для дизельного топлива:

Р_iгр =900 кПа;

Р_iгр=0,95 900 — (125−90)=820 кПа;

— для биотоплива:

Р_iгр =845 кПа;

Р_iгр=0,95 845 — (105−90)=787,7 кПа;

Индикаторный коэффициент полезного действия з_i определяется по формуле:

(3.28)

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

Затем найдем индикаторный удельный расход топлива g_i в кг/кВт•ч находим по формуле:

(3.29)

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

3.2.7 Эффективные показатели работы двигателя

Эффективные показатели работы двигателя, отличается от индикаторных наличием необходимых затрат на преодоление различных механических сопротивлений.

Среднее эффективное давление Р_е в кПа найдем по формуле:

(3.30)

где Р_м — механические потери в кПа, вычисляемые по эмпирической формуле:

(3.31)

где С_n — средняя скорость поршня.

С_n для тракторных дизелей лежит в пределе 6…11 м/с. Принимаем С_n=7,5 потому что увеличение средней скорости поршня возрастают механические потери, повышается тепловая напряженность двигателей, сокращается срок службы двигателя.

Р_м=0,9+(0,117,5)10²=172,5 кПа Подставим Р_м в формулу (3.30) и найдем Р_е:

— для дизельного топлива:

Р_е= 835,7 — 172,5=663,2 кПа

— для биотоплива:

Р_е= 797,7 — 172,5=625,2 кПа Найдем эффективный коэффициент полезного действия з_е из выражения:

(3.32)

где _м — механический коэффициент полезного действия;

Его можно найти из выражения:

(3.33)

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

Определим коэффициент полезного действия _е:

— для дизельного топлива:

_е=0,480,79=0,38

— для биотоплива:

_е=0,420,78=0,33

Эффективный удельный расход топлива g_е в кг/кВтч найдем из выражения:

(3.34)

— для дизельного топлива:

— для биотоплива:

3.3 Тепловой баланс двигателя

Тепловой баланс двигателя характеризует распределение теплоты, выделяемой при сгорании топлива, вводимого в цилиндры двигателя на полезно используемую и отдельные виды потерь характеризуется внешним тепловым балансом. Характер распределения теплоты сгорания по составляющим внешнего теплового баланса определяется особенностями рабочего процесса, а также геометрическими размерами цилиндропоршневой группы, конструкцией деталей и системы охлаждения.