CC BY
20
УДК 621.436+631.3-6:321.89
БИОДИТЫ - АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ВИД МОТОРНОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
А. П. Уханов, доктор техн. наук, профессор; В. А. Рачкин, канд. техн. наук, доцент; Д. А. Уханов, канд. техн. наук, доцент; В. А. Иванов, инженер
ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. 8 (412) 62-85-17, e-mail: ukhanov. penza@mail. ru
В статье приведены результаты безмоторных и стендовых исследований тракторного дизеля Д-243 (4Ч11/12,5) при работе на минерально-растительном моторном топливе, состоящем из товарного дизельного топлива (ДТ) и рапсового масла (РМ) в процентном соотношении 25 %РМ +75 %ДТ; 50 %РМ+50 %Дт; 75 %РМ+25 %ДТ.
Ключевые слова: трактор, дизель, рапсовое масло, биодит, мощностные, экономические и экологические показатели.
Рост цен на минеральное дизельное топливо, истощение мировых запасов нефти и ужесточающиеся требования к токсичности отработавших газов вынуждают производителей автотракторной техники искать альтернативные виды энергоносителей. К таким энергоносителям относится растительное топливо, производимое из семян рапса.
Натуральное рапсовое масло, используемое в качестве моторного топлива, имеет плохие пусковые свойства при пониженной температуре, склонность к окислению при хранении, а из-за наличия свободных кислот оно более агрессивно к конструкционным и уплотнительным материалам. На сегодняшний день техническое рапсовое масло в натуральном виде используется в системе питания дизелей, устанавливаемых на серийно выпускаемых тракторах «Fendt 820 Vario greentec» фирмы Fendt. На отечественной автотракторной технике рапсовое масло используется главным образом только в качестве одного из компонентов биодита [1].
Биодит - минерально-растительное топливо, состоящее из смеси рапсового масла (РМ) и минерального дизельного топлива (ДТ). Данные компоненты хорошо смешиваются, а смесевое топливо имеет физико-химические свойства, близкие к свойствам минерального товарного дизельного топлива, что позволяет использовать их в дизельном двигателе без существенных конструктивных изменений [2].
С целью экспериментальной оценки влияния физико-химических свойств био-дитов на регулировочные показатели топливного насоса высокого давления (ТНВД), мощностные, экономические и экологические показатели тракторного дизеля, а также выбора оптимального состава биодита в ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» проведены безмоторные и моторные исследования.
Экспериментальная безмоторная установка включала стенд для испытания и регулировки дизельной топливной аппаратуры КИ-15711М-01-ГОСНИТИ, укомплектованный приборами для снятия необходи-
Таблица 1
Результаты безмоторных испытаний топливного насоса 4УТНМ-1111005 при работе
на различных видах топлива
Показатели по ТУ Вид топлива
Режим 100 %ДТ 25 %РМ +75 %ДТ 50 %РМ +50 %ДТ 75 %РМ +25 %ДТ
1. Режим регулятора
1.1 Частота вращения начала действия регулятора, мин-1 1115...1125 1120 1120 1120 1120
1.2 Частота вращения полного автома-
тического отключения подачи топли-
ва регулятором, мин-1 1210 1185 1185 1185 1185
2. Режим холостого хода
2.1 Частота вращения, мин-1 1160 ±10 1160 1160 1160 1160
2.2 Средняя цикловая подача, мм3/ цикл, не более 27 26 25 24 24
3. Номинальный режим
3.1 Частота вращения кулачкового вала ТНВД, мин-1 1100 1100 1100 1100 1100
3.2 Средняя цикловая подача топлива, мм3/ цикл 75 ± 1 75 75 74 73,5
3.3 Неравномерность подачи топлива по линиям нагнетания, не более, % 3 2,7 1,3 2,7 2,8
4 Режим максимального крутящего
момента
4.1 Частота вращения кулачкового вала ТНВД, мин-1 850 700 700 700 700
4.2 Средняя цикловая подача, мм3/цикл 83...90 91 90 89 87
4.3 Коэффициент коррекции подачи топлива, не более, % 1,12...1,18 1,2 1,2 1,2 1,2
5 Пусковой режим
5.1 Частота вращения кулачкового вала ТНВД, мин-1 100 100 100 100 100
5.2 Средняя цикловая подача, мм3/ цикл, не менее 145 205 195 195 190
мых параметров (частота вращения кулачкового вала ТНВД, число циклов, давление и температура топлива на входе в наполнительную полость ТНВД, углы геометрического начала нагнетания и начала впрыскивания топлива, производительность насосных секций); топливный насос 4УТНМ-1111005; комплект форсунок ФД-22 (с пя-тиструйными распылителями 06.07 АЗПИ) и нагнетательных топливопроводов.
Определение регулировочных показателей ТНВД (средняя цикловая и часовая подачи топлива, неравномерность подачи топлива по линиям нагнетания) производилось на режиме регуляторной характеристики при работе на следующих видах топлива: минеральном дизельном топливе Л-0,2-62 (100 % ДТ) и трех биодитах:
1) 25 % РМ + 75 % ДТ с плотностью смеси р = 855 кг/м3 и кинематической вязкостью v= 8,6 мм2/с;
2) 50 % РМ + 50 % ДТ р = 872 кг/м3, V = 17,0 мм2/с;
3) 75 % РМ + 25 % ДТ р = 897 кг/м3, V = 36,0 мм2/с.
Для приготовления биодитов определенного состава объемные доли рапсового масла и минерального дизельного топлива заливались в емкость и интенсивно перемешивались до однородной массы в течение десяти минут. После чего приготовленный биодит заливался в бак стенда.
Результаты безмоторных испытаний ТНВД 4УТНМ-1111005 при работе на различных видах топлива приведены в табл. 1.
Анализ результатов безмоторных исследований работы ТНВД на биодитах показывает, что изменение регулировочных показателей топливного насоса высокого давления на всех видах биодита не превышает 6 % по сравнению с товарным ДТ.
Так, на номинальном режиме (частота вращения кулачкового вала ТНВД пк = 1100 мин. -1) максимальное снижение средней цикловой подачи (рис. 1, а) и увеличение часовой подачи (рис. 1, б) топлива от-
100
ДТ100% 25%ДТ 5 0%ДТ + 75%ДТ + +75%РМ 50%РМ 25%РМ
а) средняя цикловая подача топлива
ДТ100% 25%ДТ 50%ДТ+ 75%ДТ + +75%РМ 50%РМ 25%РМ
б) часовая подача топлива
Рис. 1. Регулировочные показатели топливного насоса 4УТНМ-1111005 при работе на топливах различного состава: Ш - номинальный режим; П - режим максимального крутящего момента
мечается при работе ТНВД на биодите 75 % РМ + 25 % ДТ. При этом средняя цикловая подача снизилась на 2 % (с 75 до 73,5 мм3/цикл), а часовая подача топлива увеличилась на 5,5 % (с 16,4 до 17,3 кг/ч). На режиме максимального крутящего момента (пк = 700 мин. -1) снижение цикловой подачи составило 4,6 % (с 91 до 87 мм3/цикл), а часовая подача топлива увеличилась на 4 % (с 12,6 до 13,1 кг/ч).
На всех исследуемых режимах работы ТНВД на биодитах незначительное снижение средней цикловой подачи (на 2...4,6 %) и повышение часовой подачи (на 4.5,5 %) объясняется повышенной вязкостью и плотностью биодитов по сравнению с минеральным ДТ.
Стендовые исследования дизеля проводились на тормозной установке путем воспроизведения различных нагрузочно-скоростных режимов, характерных для условий эксплуатации.
Элементарный состав и низшая теплота сгорания исследуемых топлив приведены в табл. 2.
Экспериментальная моторная установка включала серийный дизель Д-243 (4Ч11/12,5), динамометрическую машину КБ-56/4 со штатными контрольно-измерительными приборами, расходомер топлива, прибор ИМД-ЦМ с датчиком частоты вращения коленчатого вала, мультиметр (РТ-
838 DIGITAL MULTIMETER) с хромель-копелевым термодатчиком (вворачивается в головку ТНВД), дымомер КИД-2, газоанализатор АВТОТЕСТ СО-СН-Д [3].
Эксперименты выполнялись при атмосферном давлении Pa = 750.758 мм рт. ст., температуре воздуха в помещении 23.30 °С и температуре топлива в наполнительной полости ТНВД, равной 40.53 °С.
Таблица 2
Элементарный состав и низшая теплота сгорания исследуемых топлив
Вид топлива Элементарный состав
С Н О
100 % ДТ 0,870 0,126 0,004
100 %РМ 0,765 0,119 0,116
25 % РМ + 75 % ДТ 0,810 0,124 0,032
50 % РМ + 50 % ДТ 0,795 0,122 0,060
75 % РМ + 25 % ДТ 0,780 0,121 0,088
Исследования дизеля проводились в условиях регуляторной характеристики с частотами вращения коленчатого вала от 1400 мин.-1 (режим максимального крутящего момента) до 2200 мин.-1 (номинальный режим) с интервалом 200 мин.-1 на режиме полных нагрузок и режиме частичных нагрузок (с нагрузкой на тормозе стенда 80 %, 90 %), а также в условиях характеристики холостого хода с частотами враще-
ния коленчатого вала от 800 мин.-1 (минимально устойчивая частота вращения к. в.)
до 2330 мин.-1 (максимальная частота вращения к. в.).
56
550
о
X
3
§47
к
§44
и!
§41
75% РМ+25%ДГ 1
ДТ
! 50%РМН 50%ДГ
У* Л>5%РМ+7 ¡%ДГ
/
г/
1400 1600 1800 2000 2200 Частота вращення коленчатого вала, мин1
а) эффективная мощность
18
16
% 14
и
о :
12
10
50%РМ+5Ст 75%РМН ДТ / 25%ДГ
ДГ
25< /»РМ+75%ДТ
1400 1600 1800 2000 2200 Частота вращения коленчатого вала.ммн1
б) часовой расход топлива
25°/оРМ+ 75°/оДГ
0%РМ+50%,Е / 7 Г )%РМ+25%ДГ
1400
1600 1800 2000 2200 Частота вращения коленчатого вала, мин1
в) удельный эффективный расход топлива
65
е) содержание оксидов углерода
= 60
ь
^ - -
о
150
45 40 35 30 25 20
Д1
X 25(
/ЬРМ+75°/оЛ]
5( '%РМ+50%Д
1 ,--
75%РМН ■25%ДГ
---—/_
1400 1600 1800 2000 2200 Частота вращения коленчатого вала, мин-1
д) дымность
0,002
ЗГ
и
о
О
н
«0.001
ДТ, 25°/оРМ+75°/ 50°/оРМ+50°/ 75°/оРМ+25°/ ДГ; ДГ, ДГ;
1400 1600 1800 2000 2200 Частота вращении коленчатого вала, мин-1
г) содержание углеводородов
Рис. 2. Изменение показателей дизеля Д-243 (4Ч11/12,5) в условиях регуляторной характеристики при работе на топливах различного состава
Мощностные, экономические и экологические показатели дизеля при работе на биодитах сравнивались на сходственных режимах с соответствующими показателями на минеральном ДТ.
На номинальном режиме (при полной подаче топлива и частоте вращения к. в. 2200 мин.-1) максимальное снижение мощности и увеличение расхода топлива отмечается при работе на биодите 75 % РМ+ 25 % ДТ. При этом мощность (рис. 2 а) дизеля упала на 2,7 % (с 55 до 53,5 кВт), часовой (рис. 2 б) и удельный эффективный (рис. 2 в) расходы топлива возросли соответственно на 7 % (с 15,65 до 16,7 кг/ч) и 9,8 % (с 284,5 до 312,5 г/кВтч).
Незначительное снижение мощности (3 %) объясняется тем, что меньшая теплота сгорания биодита компенсируется большим процентным содержанием в нем атомов свободного кислорода, участвующего в процессе сгорания.
При работе дизеля на биодите 25 % РМ + 75 % ДТ снижение мощности не наблюдается, а часовой и удельный эффективный расходы топлива возрастают соответственно на 4,6 % (с15,65 кг/ч до 16,4 кг/ч) и 5 % (с 284,5 г/кВтч до 299 г/кВтч).
С точки зрения экологических показателей наименьшее содержание вредных веществ в отработавших газах, при полной подаче топлива и частоте вращения к. в. 2200 мин-1, отмечается при работе дизеля на биодите 75 % РМ + 25 % Дт. По сравнению с работой дизеля на минеральном дизельном топливе содержание в отработавших газах оксида углерода снижается на 24 % (с 0,25 % до 0,19 %), дымность на 48 % (с 50 % до 26 %), а содержание углеводородов остается неизменным (прибор не фиксировал наличие углеводородов в отработавших газах).
Снижение концентрации оксидов углерода и дымности в отработавших газах дизеля объясняется меньшим содержанием в биодитах атомов углерода по сравнению с минеральным дизельным топливом (табл. 1).
На всех частотах вращения к. в. без нагрузки (режим холостого хода) топливная экономичность дизеля при работе на био-дитах была несколько хуже в сравнении с минеральным ДТ: на минимальной частоте вращения к. в. 800 мин.-1 при работе на биодите 75 % РМ + 25 % ДТ часовой расход топлива (рис. 2 а) возрос на 30,1 % (с
Я "
к ч с
о н
ч
о
* ■
8 ■ а
О
50%РЬ 1+50%; 75%РЬ/ 1Г +25?'оД 1 Г , 1 л
25? ;рм+7 %дт ДТ
г" 1
800
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2330 Частота вращения коленчатого вала, мин1
а) часовой расход топлива
б) дымность
0,4
-0,3
э Й-
I ¡0.2
>>
Я
О
0.1
5 )%РМ+ .[1%ДТ
75° ЬРМ+2! / %дт
д г 25%1 М+75
ДТ
0.002
"0,001
Ё Я
я
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2330 Частота вращения коленчатого вала, мнн"1
в) содержание оксидов углеода
ЦТ, 25?-;РМ+75?-; 50%РМ+50% 75%РМ+25% 90%РМ+10°/сД ЦТ, ЦТ, ЦТ, Г;
800 1000 1200 1400 1600 Частота вращения коленчатого вала, мнн-1
г) содержание углеводородов
Рис. 3. Изменение показателей дизеля Д-243 (4Ч 11/12,5) в условиях характеристики холостого хода при работе на топливах различного состава
1,3 кг/ч до 1,7 кг/ч), а на биодите 25 % РМ +75 %ДТ на 15,4 0% (с 1,3 кг/ч до 1,5 кг/ч), что объясняется большей плотностью био-дитов, а следовательно, увеличением массы топлива, впрыскиваемого в цилиндры дизеля.
Наибольшее снижение - на 51 %% (с 41 до 20 о%) - дымности отработавших газов на максимальных оборотах режима холостого хода (п=2330 мин.-1) (рис. 3 б) отмечается при работе дизеля на биодите 75 % РМ + 25 о% ДТ, однако содержание в отработавших газах оксида углерода увеличивается на 31 % (с 0,09 до 0,13) (рис. 3 б), а количество углеводородов остается неизменным (рис. 3 г).
Таким образом, результаты сравнительных исследований дизеля при работе на минеральном дизельном топливе и био-дитах позволяют сделать следующее заключение: наилучшим биодитом с точки зрения наименьшего снижения мощности и некоторого повышения расхода топлива является минерально-растительное топливо, состоящее из смеси 25 % РМ + 75 %
ДТ; по экологическим показателям наилучшим биодитом является смесь 75 % РМ + 25 % ДТ.
Литература
1. Использование рапсового биотоплива на автотракторной технике / А. П. Уха-нов, В. А. Рачкин, Д. А. Уханов [и др.] // Организация и развитие информационного обеспечения органов управления научных и образовательных учреждений АПК: материалы науч.-практ. конф. - М.: ФГНУ «Рос-информагротех», 2007. - Ч. 1. - С. 163-173.
2. Уханов, А. П. Рапсовое биотопливо -альтернатива нефтяному моторному топливу / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, В. А. Рачкин, Н. С. Киреева // Нива Поволжья. -2007. - № 2(3). - С. 37-40.
3. Уханов, А. П. Особенности производства и использования рапсового биотоплива на автотракторной технике / А. П. Уханов, В. А. Рачкин, М. А. Уханов, Н. С. Киреева // Нива Поволжья. - 2008. - № 1(6). -С. 36-42.
