CC BY
18
УДК 621.436
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СУРЕПНО-МИНЕРАЛЬНОГО ТОПЛИВА НА ПОКАЗАТЕЛИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ
Е. А. Сидоров, канд. техн. наук, доцент
ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П. А. Столыпина», Россия, e-mail: sidorovevgeniy@yandex. ru
А. П. Уханов, доктор техн. наук, профессор ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия, e-mail: dspgsha@mail.ru
Для оценки целесообразности использования сурепного масла в качестве биологического компонента дизельного смесевого топлива проведены экспериментальные исследования по влиянию сурепно-минерального топлива на показатели рабочего процесса тракторного дизеля Д-243 (4Ч11/25). За оценочные показатели рабочего процесса дизеля приняты коэффициент избытка воздуха, коэффициент наполнения и максимальное давление цикла. Установлено, что при работе дизеля на смесевом сурепно-минеральном топливе наблюдается уменьшение максимального давления цикла дизеля по сравнению с работой на минеральном дизельном топливе, по мере увеличения концентрации сурепного масла в смесевом топливе происходит повышение коэффициентов избытка воздуха и наполнения цилиндров свежим зарядом.
Ключевые слова: сурепное масло, минеральное дизельное топливо, дизельное сме-севое топливо, сурепно-минеральное топливо, показатели, дизель.
К альтернативным топливам биологического происхождения относится дизельное смесевое топливо (ДСТ), которое получают перемешиванием двух компонентов: растительного масла и минерального дизельного топлива (ДТ) [1].
Биологические компоненты на основе растительных масел можно производить более чем из 50 масличных культур, однако наиболее распространённой и изученной масличной культурой в Европе и России является рапс [2-9]. Технология получения рапсового масла хорошо отлажена, однако агротехника возделывания рапса достаточно сложна и затратна, а урожайность нестабильна и невелика. Поэтому необходимо изучение возможности применения других масличных культур для производства растительного масла, используемого в качестве биологического компонента ДСТ. Одной из таких масличных культур является сурепица [10].
Сурепица введена в культуру из сорняка, который распространен во всем северном полушарии. Издавна известна она в Афганистане, Пакистане, Западном Китае, Иране, Турции. В России сурепицу начали высевать в XIX веке. В настоящее время ее возделывают на полях Украины, Закавказья и других регионов. Намечается расширить ее посевы в Сибири, Казахстане, Белоруссии.
Сурепица в культуре представлена яровыми (Brassica campest) и озимыми (Bras-
sica rapa oleifera) формами. Относится к семейству Капустные — Brassicaceae. Это однолетнее травянистое растение высотой от 0,5 до 1 м, цветки желтые. Плод - стручок длиной 3...5 см. Семена шаровидные, коричневые с серым налетом, с крупносетчатой поверхностью. Масса 1000 семян 2...3 г. Масличность 47...49 % [11, 12].
В России наиболее распространена яровая сурепица. Вегетационный период ее 75-90 дней. Всходы появляются на 6-7-й день после посева. Цветение начинается через 30-45 дней после всходов и продолжается 20-35 дней.
Сурепица нетребовательна к условиям произрастания, холодостойка. Семена начинают прорастать при температуре плюс 1...3°С, более дружные всходы появляются при плюс 9...10°С. Лучшая температура для роста вегетативной массы 15...20°С, для цветения и созревания семян 22...23°С. Всходы могут переносить заморозки до минус 5...8 °С. К почвам сурепица не предъявляет высоких требований, может произрастать почти на всех почвенных разностях, в том числе на глинистых тяжелых почвах.
Озимая сурепица по биологии мало отличается от озимого рапса, более зимостойка, вегетационный период ее равен 275...310 дням. Для различных регионов России существуют высокоурожайные сорта озимой сурепицы, сочетающие высокую продуктивность с зимостойкостью и качеством семян [13].
Нива Поволжья № 4 (25) 2012 71
Для практического использования сурепного масла (СурМ) в качестве биокомпонента ДСТ было необходимо провести экспериментальные исследования дизеля с целью оценки влияния смесевого суреп-но-минерального топлива на показатели рабочего процесса тракторного дизеля Д-243 (4411/12,5). За оценочные показатели рабочего процесса дизеля были приняты коэффициент избытка воздуха (а), коэффициент наполнения (nv) и максимальное давление цикла (Pz).
Оценка влияния сурепно-минерального топлива на показатели рабочего процесса осуществлялась на экспериментальной установке, в состав которой входили дизель с системой отвода отработавших газов, динамометрическая машина KS-56/4 со штатными контрольно-измерительными приборами, измерительно-регистрирующий комплекс (ИРК) и система подачи ДСТ [10,14].
В состав ИРК входили измерители температуры окружающего воздуха и эксплуатационных материалов (охлаждающей жидкости, моторного масла в поддоне картера, топлива в расходомере и на входе в нагнетательную полость ТНВД), расходомер воздуха и топлива, датчики (ВМТ, частоты вращения коленчатого вала (к. в.), отметок зубьев маховика, температуры охлаждающей жидкости и моторного масла), тензостанция 8АНЧ-7М, прибор ИМД-ЦМ, аналого-цифровой преобразователь LA-2USB, персональный компьютер (ноутбук) на базе Pentium Dual-Core Inside, стабилизированный блок питания.
Измерение давления газов при индици-ровании четвёртого цилиндра дизеля (как наиболее теплонапряжённого) осуществлялось датчиком давления газов ЛХ-612М с принудительным охлаждением. Датчик устанавливался в специальный переходник, вворачиваемый в головку цилиндров, и соединялся каналом с центральной частью камеры сгорания дизеля. Подвод охлаждающей жидкости к датчику осуществлялся от водопроводной сети.
Для преобразования сигналов от датчиков использовался аналого-цифровой преобразователь LA-2USB, устанавливаемый в цепь между датчиком и компьютером.
Исследования проводились при работе дизеля в режиме номинальной мощности (n=2200 мин-1) на минеральном ДТ марки Л-0,2-62 и ДСТ следующих составов: 25 % СурМ + 75 % ДТ; 50 %СурМ + 50 %ДТ; 75 %СурМ + 25 %ДТ; 90 %СурМ + 10 %ДТ.
Максимальное давление цикла определяли как среднее арифметическое зна-
чение (не менее чем из пятнадцати значений) ординат снятой развернутой индикаторной диаграммы [15, 16]:
Ря = МР
(1)
(2)
■7пр, МП а,
где Мр - масштаб диаграммы по оси ординат, МПа/мм; Рщ - величина ¡-ой ординаты, мм; гпр - число ординат индикаторной диаграммы.
Коэффициент избытка воздуха определялся по результатам эксперимента как отношение действительного количества воздуха (Свд) к теоретически необходимому ((Звт) для полного сгорания ДСТ:
/
Для определения действительного количества воздуха (Свд) использовался расходомер, состоящий из ёмкости объёмом, равным 200 объёмам одного цилиндра двигателя, сопла для определения скорости воздуха, дифференциального манометра для измерения перепада давления в сопле, и термометра для замера температуры поступающего воздуха.
Действительный расход воздуха
= ЗШ - {- ф Н"Рв, кг/Ч, (3)
где ^ - площадь проходного сечения сопла, м2, ф - коэффициент расхода воздуха через сопло; д - ускорение свободного падения, м/с2; Н - перепад давления в сопле, Па; рв - плотность воздуха, кг/м3.
Плотность воздуха
Я* =! Р ■
(4)
?№7у
где р - плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м3 (р = 1,293 кг/м3); В0 - барометрическое давление окружающего воздуха, МПа; Т0 - температура окружающего воздуха, К (Т0 = 10 + 273).
Теоретический расход воздуха
10"*. (5)
где £0 - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кг воздуха/кг топлива; Ст - часовой расход топлива, кг/ч.
Коэффициент наполнения определялся как отношение действительного количества воздуха (СВд) к теоретически возможному при температуре и давлении свежего заряда, равных температуре и давлению
окружающей среды (СВо):
~ ' (6)
где - рабочий объем двигателя, л; п -частота вращения к. в. двигателя, мин"1.
Показатели рабочего процесса дизеля при работе на сурепно-минеральном и минеральном топливах представлены на рис. 1-3.
Анализ проведённых исследований показывает, что при повышении в сурепно-минеральном топливе доли биологического
Рис. 1. Коэффициент избытка воздуха дизеля Д-243 в режиме номинальной мощности при работе на сурепно-минеральном топливе
Рис. 2. Коэффициент наполнения дизеля Д-243 в режиме номинальной мощности при работе на сурепно-минеральном топливе
3 7,6
а я
ч
7,4 7,2 7 6,8 6,6 6,4 6,2
7,54
6,98
6,82 6,68
100°оДГ
2 5° о СурМ+ 7 5° оДГ 50° о СурМ+ 5 0° оДГ 7 о СурМ+2 5° ..,1.1
Рис. 3. Максимальное давление цикла дизеля Д-243 в режиме номинальной мощности при работе на сурепно-минеральном топливе
Нива Поволжья № 4 (25) 2012 73
компонента происходит увеличение коэффициентов избытка воздуха и наполнения. Так, по сравнению с работой дизеля на минеральном ДТ, при увеличении в сурепно-минеральном топливе доли биологического компонента до 25, 50 и 75 % коэффициент избытка воздуха увеличивается соответственно на 0,9, 1,7 и 2,9 %, а коэффициент наполнения увеличивается соответственно на 0,9, 1,3 и 1,5 %.
Максимальное давление цикла дизеля при повышении в сурепно-минеральном топливе доли биологического компонента снижается. Так, по сравнению с работой дизеля на минеральном ДТ, при увеличении в сурепно-минеральном топливе доли биологического компонента до 25, 50 и 75 % максимальное давление цикла дизеля Д-243 уменьшается соответственно на 7,4, 9,5 и 11,4 %.
Из анализа результатов экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
1. При работе дизеля на смесевом су-репно-минеральном топливе наблюдается уменьшение максимального давления цикла по сравнению с работой на минеральном ДТ.
2. По мере увеличения концентрации сурепного масла в ДСТ происходит повышение коэффициентов избытка воздуха и наполнения.
Литература
1. ГОСТ Р 52808-2007 Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Термины и определения. - М.: Стандартин-форм, 2008. - 25 с.
2. Федоренко, В. Ф. Состояние и развитие производства биотоплива: науч.- ана-лит. обзор / В. Ф. Федоренко, Ю. Л. Колчин-ский, Е. П. Шилова. - М.: ФГНУ «Росин-формагротех», 2007. - 130 с.
3. Результаты испытаний и перспективы эксплуатации дизелей на биотопливе / В. Ф. Федоренко, Д. С. Буклагин, С. А. На-горнов, А. П. Зазуля. - М.: ФГНУ «Росин-формагротех», 2008. - 136 с.
4. Tickell, Joshua. From the fryer to the fuel tank. The complete guide to using vegetable oil as an alternative fuel / Joshua Tickell
// Media Productions. - New Orleans, Louisiana, 2003. - 162 p.
5. Pahl, Greg. Biodiesel: growing a new energy economy. Chelsea Green Publishing Company, White River Junction, Vermont, 2005. - 281 р.
6. Pahl, Greg. Biodiesel: Growing a New Energy Economy. Chelsea Green, 2d ed., 2010, - 298 p.
7. Девянин, С. Н. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей / С. Н. Девянин, В. А. Марков, В. Г. Семенов. - М.: Изд-во МГАУ им. В. П. Го-рячкина, 2007. - 400 с.
8. Уханов, А. П. Рапсовое биотопливо: монография / А. П. Уханов, В. А. Рачкин, Д. А. Уханов. - Пенза: РИО ПГСХА, 2008. -229 с.
9. Савельев, Г. С. Производство и использование биодизельного топлива из рапса: монография / Г. С. Савельев. - М.: ГНУ ВИМ, 2007. - 96 с.
10. Уханов, А. П. Дизельное смесевое топливо: монография / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, Д. С. Шеменев. - Пенза: РИО ПГСХА, 2012. - 147 с.
11. Медведева, С. Е. Продуктивность и технологические приемы возделывания яровой сурепицы в Нечерноземной зоне: авто-реф. дис.... канд. с.-х. наук / С. Е. Медведева. - М., 2009. - 16с.
12. Ротмистров, В. Г. Возделывание рапса и сурепицы / В. Г. Ротмистров. - Киев: Земледелие, 1982. - 62 с.
13. Милащенко, Н. З. Технология выращивания и использования рапса и сурепицы / Н. З. Милащенко, В. Ф. Абрамов. - М.: Агропромиздат, 1989. - 223 с.
14. Биотопливо из рыжика / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, В. А. Рачкин и др. // Тракторы и сельхозмашины. - 2011. - № 2. -С. 8-11.
15. Николаенко, А. В. Теория, конструкция и расчёт автотракторных двигателей / А. В. Николаенко. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1992. - 414 с.
16. Николаенко, А. В. Определение показателей рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания по индикаторным диаграммам с применением ЭВМ / А. В. Николаенко, Е. П. Павлов, С. И. Чермидов. - Л.: ЛОТКЗСХИ, 1982. - 22 с.
