CC BY
42
УДК 621.436
Исследование работы автотракторного
дизеля 4ЧН 11,0/12,5 на смесях дизельного топлива с рапсовым маслом
Плотников Сергей Александрович, доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения»
e-mail: PlotnikovSA@bk.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вятский государственный университет»
Черемисинов Павел Николаевич, аспирант кафедры «Технология машиностроения»
e-mail: Pavlon-ch@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вятский государственный университет»
Карташевич Анатолий Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Тракторы и автомобили»
e-mail: Kartashevich@yandex.ru
Учреждение образования «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия»
Бирюков Александр Леонидович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Энергетические средства и технический сервис»
e-mail: biryukov_alex@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Аннотация. В статье приведены результаты исследования физико-химических свойств дизельных топлив, применяемых в сельскохозяйственной технике, с добавками рапсового масла и показатели работы тракторного дизеля 4ЧН 11,0/12,5 ^-245.5S2) при работе на смесевых топливах различного состава. Определены оптимальные регулировки системы топливоподачи.
Ключевые слова: автотракторный дизель, рапсовое масло, смесевое топливо, система питания, стендовые испытания, эффективные показатели, экологические показатели.
Современное сельскохозяйственное производство характеризуется повышенными эксплуатационными и экологическими требованиями к применяемой технике. Наряду с конструктивными изменениями машин, в связи с истощением традиционных энергоресурсов и необходимостью соответствия ужесточающимся экологическим требованиям, актуальными направлениями являются разработка и исследование эффективности применения новых альтернативных моторных топлив, в том числе смесевых. К ним, прежде всего, относятся растительные масла и их эфиры, спиртовые топлива, генераторный газ и другие [1-9].
Использование в двигателях тракторов, автомобилей и другой сельскохозяйственной техники рапсового масла (РМ) в чистом виде, метиловых эфиров рапсового масла (МЭРМ) или биодита (смеси рапсового масла с дизельным топливом) накладывает некоторые ограничения [1-3, 10-12]. Обязательным является высокая идентичность физико-химических свойств смесевого и дизельного топлив (ДТ). Показатели работы агрегатов и топливной системы в целом должны оставаться неизменными или быть в пределах допустимых регулировок топливной аппаратуры. Надежность и долговечность работы системы питания также должна быть соизмерима с аналогичными для серийной системы условиями.
В ВятГУ и в БГСХА были проведены исследования работы автотракторного дизеля 4ЧН 11,0/12,5 на смесях ДТ и РМ.
Методом хроматографического анализа была произведена оценка жирно-кислотного состава нескольких образцов РМ, произведенных в России и странах СНГ (рис. 1). На основе полученных результатов был установлен образец РМ, позволяющий, предположительно, обеспечивать наибольшую скорость и полноту сгорания впрыснутого в цилиндр дизеля смесевого топлива.
Рисунок 1. Смесевые топлива на основе различных образцов РМ
На первом этапе были проведены исследования кинематической вязкости смесевых топлив [4]. Компоненты отмерялись с помощью электронных весов или мерной колбы. Стеклянные сосуды заполнялись пробами с концентрацией выбранного образца рапсового масла 5, 10, 20, 30, 40, 50 процентов (дизельное топливо во всех случаях - до 100%) по массе. Далее проводилось определение кинематической вязкости смесей. Было установлено увеличение вязкости суммарного топлива
(таблица).
С целью снижения вязкости было опробовано несколько присадок различных классов на основе сложных виниловых эфиров, ненасыщенных кетонов, эфиров и амидов ненасыщенных кислот. Было установлено, что снижение кинематической вязкости смесевых топлив до 22% возможно путем введения депрессорных присадок. В дальнейших исследованиях использовались различные составы смесевых топлив с уже выбранными ингредиентами [5].
Таблица. Кинематическая вязкость смесей на основе дизельного топлива и рапсового масла [4]
Содержание рапсового Без присадки С присадкой в количестве 5%
масла в топливной смеси, % 15 25 50 15 25 50
Кинематическая вязкость, мм2/с 6,90445 8,81833 19,39065 6,27598 8,28081 18,42116
С целью выявления влияния смесевых видов топлива на основе рапсового масла на эффективные и экологические показатели работы дизеля были проведены экспериментальные исследования на нагрузочном стенде RAPIDO (Германия). На рисунке 2 представлен общий вид экспериментальной установки для проведения стендовых испытаний.
Рисунок 2. Общий вид экспериментальной установки
Экспериментальная установка включает в себя электротормозной нагрузочный стенд SAK-N670 производства Германии с балансирной маятниковой машиной, дизель 4ЧН 11,0/12,5 и комплект измерительных приборов с выводом данных на монитор компьютера. Коленчатый вал двигателя соединялся с валом электротормозного нагрузочного стенда посредством карданной передачи. Частота вращения коленчатого вала двигателя измерялась путем установки электронного датчика на коленчатый вал. Крутящий момент на коленчатом валу двигателя измерялся с по-
мощью динамометрического устройства, входящего в состав нагрузочного стенда. Расход топлива определялся массовым способом при помощи электронного расходомера АИР-50 с весовым устройством. Отбор проб отработавших газов (ОГ) производился через установленные на выпускном тракте дизеля газозаборники. Анализ проб ОГ производился с помощью автоматического газоанализатора Maha 1^Т-5. Дымность ОГ измерялась с помощью дымомера СИДА-107 «АТЛАС».
Переводя дизель для работы на смеси рапсового масла с дизельным топливом, важно сохранить его мощностные и экономические показатели на уровне, установленном заводом-изготовителем. Для выполнения этого условия необходимо определить оптимальные регулировки системы топливоподачи дизеля. С этой целью первоначально было установлено влияние добавок рапсового масла в дизельное топливо на значения оптимального установочного угла опережения впрыскивания топлива. Согласно руководству по эксплуатации, установочный угол опережения впрыскивания топлива для тракторного дизеля 4ЧН 11,0/12,5 (Д-245.5S2) при работе на чистом ДТ составляет 0 . = 26°.
1 1 впр
*----к ■ Смесь 80% дизельного топлива с 20% рапсового масла;
□-----□ _ смесь 55% дизельного топлива с 45% рапсового масла.
Рисунок 3. Регулировочная характеристика дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при п = 1800 мин (мощностные и экономические показатели)
Оптимальный установочный угол опережения впрыскивания топлива определялся из соответствующей регулировочной характеристики (рис. 3 и 4), для построения которой снимался ряд нагрузочных характеристик по подаче топлива при различных значениях установочного угла опережения впрыскивания топлива и разных количествах РМ в смеси.
с, %
о-о - Дизельное топливо;
х- — -к - Смесь 80% дизельного топлива с 20% рапсового масла; □-----□ _ смесь 55% дизельного топлива с 45% рапсового масла.
Рисунок 4. Регулировочная характеристика дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при п = 1800 мин -1 (показатели дымности и токсичности)
Из графиков (рис. 3) видно, что при работе дизеля на смеси, содержащей 45% РМ, и угле опережения впрыскивания топлива, равном ©впр. = 260, мощность дизеля наибольшая и составляет 70,2 кВт. Удельный эффективный расход топлива при этом равен 255,6 г/кВт-ч. При уменьшении установочного угла происходит снижение эффективной мощности и увеличение удельного эффективного расхода топлива. При увеличении угла эти показатели изменяются аналогично.
При работе дизеля на смеси, содержащей 20% РМ, характер изменения кри-
вых удельного эффективного расхода топлива и эффективной мощности практически не изменяется.
Значение эффективного КПД имеет наибольшее значение в пределах пе=0,36 при углах ©впр, равных 22 и 26 градусов.
Следовательно, значение угла 0впр =26о следует считать оптимальным и при работе дизеля на смесях ДТ с рапсовым маслом.
Содержание токсичных компонентов в отработавших газах дизеля 4ЧН 11,0/12,5 (Д-245.5S2) в зависимости от установочного угла опережения впрыскивания топлива при частоте вращения 1800 мин-1 представлено на рис. 4.
Видно, что увеличение содержания РМ в смеси вызывает снижение выбросов сажи во всем рассматриваемом диапазоне. Так, при угле ©впр=260 и работе на чистом ДТ, относительное содержание сажи составляет 33%. Добавка 20% и 45% РМ в смесь снижает относительное содержание сажи до 28% и 22% соответственно.
Выброс оксидов азота увеличивается при росте угла ©впр., как при работе на чистом ДТ, так и при работе с добавками РМ.
Работа дизеля на топливе с добавлением рапсового масла сопровождается повышением выбросов оксидов углерода с отработавшими газами (ОГ). Так, для топлива с концентрацией РМ 45% при угле ©впр. = 26° выброс СО составляет 0,082%, что на 58,5% выше, чем при работе дизеля на чистом ДТ. При увеличении установочного угла концентрация СО в ОГ дизеля снижается.
Эмиссия диоксидов углерода с ОГ изменяется в незначительных пределах, как при работе дизеля на ДТ, так и при его работе на смесях ДТ и РМ. Максимальное значение выбросов СО2 для этих топлив достигается при © = 26° и составляет 8,49%. Следует, однако, учитывать, что диоксид углерода является наименее опасным с физиологической точки зрения.
Выводы
1. Введение депрессорных присадок позволяет на 22% снизить кинематическую вязкость смесевых топлив на основе дизельного топлива и рапсового масла.
2. При работе дизеля на топливах с добавками рапсового масла оптимальным установочным углом опережения впрыскивания следует считать угол ©впр. = 26°.
3. Работа дизеля на смесевых топливах с добавками рапсового масла сопровождается снижением выбросов с отработавшими газами частиц сажи.
4. Работа дизеля на смесевых топливах с добавками рапсового масла сопровождается увеличением выбросов с отработавшими газами оксидов азота и оксидов углерода.
5. Эмиссия диоксидов углерода с отработавшими газами изменяется в незначительных пределах как при работе дизеля на ДТ, так и при его работе на смесях ДТ и РМ.
Список литературных источников:
1. Карташевич, А.Н. Применение топлив на основе рапсового масла в тракторных дизелях : монография / А.Н. Карташевич, С.А. Плотников, В.С. Товстыка. - Киров: Авангард, 2014. - 144 с.: ил.
2. Бирюков, А.Л. Улучшение экологических показателей двигателей внутреннего сгорания путём применения топливно-водных смесей: дис. ... канд. техн. наук
/ А.Л. Бирюков. - СПб., 2011. - 144 С.
3. Карташевич, А.Н. Показатели работы тракторного дизеля на рапсовом масле / А.Н. Карташевич, В.С. Товстыка, С.А. Плотников // Двигателестроение. - 2011. - № 2. - С. 39-41.
4. Плотников, С.А. Влияние присадок на кинематическую вязкость топлив на основе рапсового масла. Общество, наука, инновации (НПК-2016) [Электронный ресурс] / С.А. Плотников, П.Н. Черемисинов // Всерос. ежегод. науч.-практ. конф.: сб. статей, 18-29 апреля 2016 г. / Вят. гос. ун-т. - Киров, 2016. - С. 1378-1382.
5. Топливная композиция / С.А. Плотников, А.Н. Карташевич, П.Н. Черемисинов. - Заявка на выдачу патента РФ № 2016133419/17(051858) от 12.08.2016.
6. Работа дизелей на нетрадиционных топливах / В.А. Марков, А.И. Гайворон-ский, Л.В. Грехов, Н.А. Иващенко. - М.: Легион-Автодата, 2008. - 464 с.
7. Картошкин, А.П. Результаты лабораторных исследований теплоты сгорания оксигенантных топлив / А.П. Картошкин, А.В Мокин // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2008. - № 10. - С. 147-150.
8. Киприянов, Ф.А. Параметрический газогенератор с объемным регулированием процесса газификации / Ф.А. Киприянов, А.С. Рассветалов, В.С. Дунаев // Молочнохозяйственный вестник. - 2014. - № 4 (16). - С. 84-89.
9. Бирюков, А.Л. Методика и некоторые результаты исследований показателей работы бензинового двигателя с распределенным впрыском при использовании в качестве топлива бензо-водяной смеси / А.Л. Бирюков, В.А. Коптяев // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания : материалы II Всероссийской научно-практической конференции «Наука - Технология - Ресурсосбережение». - СПб. ; Киров, 2008. - Вып. 5. - С. 43-46.
10. Карташевич, А.Н. Оценка дымности и токсичности тракторного дизеля при работе на рапсовом масле / А.Н. Карташевич, В.С. Товстыка, С.А. Плотников // Тракторы и сельхозмашины. - 2011. - № 9 - С. 11-13.
11. Плотников С.А. Создание новых альтернативных топлив [Электронный ресурс] // Концепт. - 2014. - Спецвыпуск № 10. - Режим доступа: http://e-koncept. ru/2014/14621.htm.
12. Плотников, С.А. Недостатки применения топлив на основе рапсового масла в дизельных двигателях. Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика / С.А. Плотников, П.Н. Черемисинов //Сб. науч. тр. по мат. заоч. науч.-практ. конф. - Воронеж: Научная книга, 2015. - № 4. - Ч. 1 (15-1) -С. 97-101.
References:
1. Kartashevich A. N., Plotnikov S. A., Tovstik V. S. Primenenie topliv na osnove rapsovogo masla v traktornyh dizeljah [The Use of fuels based on rapeseed oil in the tractor diesels]. Kirov, Avangard Publ., 2014. 144 p.
2. Biryukov A. L. Uluchshenie jekologicheskih pokazatelej dvigatelej vnutrennego sgoranija putjom primenenija toplivno-vodnyh smesej. Kan, Diss. [Improving the environmental performance of internal combustion engines through the application of fuel-water mixtures. Can. Diss.]. Saint-Petersburg, 2011. 144 p.
3. Kartashevich A. N., Tawstyka V. S., Plotnikov, S. A. Indicators of tractor diesel on rapeseed oil. Dvigatelestroenie [Engine], 2011, no. 2, pp. 39-41. (in Russian).
4. Plotnikov S. A., Tcheremisinov P. N. The influence of the additive on the kinematic viscosity of the fuels based on rapeseed oil. SOCIETY, SCIENCE, INNOVATION. (TS-2016) Trudy Vserossiysloy ezhegodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii. [Proc. of the annual scientific and practical conference]. Kirov, 2016, pp. 1378-1382. (in Russian)
5. Plotnikov S. A., Kartashevich A. N., Tcheremisinov P. N.
Toplivnaja kompozicija [The fuel composition]. Application for a patent of the Russian Federation No. 2016133419/17(051858), 2016.
6. Markov A. V., Gayvoronsky A. I., Grekhov L. V., Ivashchenko N. Rabota dizelej na netradicionnyh toplivah [Operation of diesel engines on alternative fuels]. Moscow, Legion Avtodata Publ., 2008. 464 p.
7. Kartoshkin A. P., Mokin, V. A. Laboratory Results of the calorific value of fuels oxygenated. Izvestija Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of Saint-Petersburg state agrarian University], 2008, no. 10, pp.147-150. (in Russian)
8. Kiprianov F. A., Rassvetov A. S., Dunaev, V. S., Parametric gas generator with positive displacement process gazifikation. Molochnohozjajstvennyj vestnik [Dairy Bulletin], 2014, no. 4 (16), pp. 84-89. (in Russian)
9. Biryukov A. L., Koptjaev V. A. Technique and some results of investigations of the performance of petrol engine with distributed injection when used as fuel gasoline-water mixture. Trudy II Vserossijskoj nauchno-prakticheskoy konferencii "Nauka -Tehnologija - Resursosberezhenie" [Proc. of the II all-Russian scientific and practical conference "Science - Technology - Resource Economy"]. Saint Petersburg - Kirov, 2008, Vol. 5, pp. 43-46. (in Russian)
10. Kartashevich A. N., Tawstyka V. S., Plotnikov, S. A. Evaluation of smoke and toxicity of a tractor diesel engine when operating on rapeseed oil. Traktory i sel'hozmashiny [Tractors and farm machinery], 2011, no. 9, pp.11-13. (in Russian)
11. Plotnikov S. A. Sozdanie novyh al'ternativnyh topliv [Creation of new alternative fuels]. Concept, 2014, Special issue, no. 10. Available at: http://e-koncept. ru/2014/14621.htm.
12. Plotnikov S. A., Tcheremisinov P. N. The disadvantages of the fuels based on rapeseed oil in diesel engines. Trudy "Aktual'nye napravlenija nauchnyh issledovanij XXI veka: Teorija i praktika" [Proc. of the "Actual directions of scientific researches of the XXI century: Theory and practice"], Voronezh, OOO CPI "Scientific book", 2015, no. 4, P. 1 (15-1), pp. 97-101.
Study of car-and-tractor diesel 4c4ss (4 cylinder 4 stroke supercharger) 11,0/12,5 work on diesel fuel mixtures
with rapeseed oil
Plotnikov Sergey Alexandrovich, Doctor of Sciences (Technics), Professor of the Department "Technology of mechanical engineering" e-mail: PlotnikovSA@bk.ru
The Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the "Vyatka state University"
Tcheremisinov Pavel Nikolaevich, postgraduate student of the Department "Technology of Mechanical Engineering" e-mail: Pavlon-ch@mail.ru
The Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the „Vyatka state University"
Kartashevich Anatoly Nikolaevich, Doctor of Sciences (Technics), Professor of the Department "Tractors and automobiles" e-mail: Kartashevich@yandex.ru
The Institution of Education the "Belarusian State Agricultural Academy"
Biryukov Alexandr Leonidovich, Candidate of Sciences (Technics), Professor, Head of Department "Energy and Technical Service" e-mail: biryukov_alex@mail.ru
The Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Abstract. The article presents the results of the study physico-chemical properties of diesel fuels used in agricultural machinery, with the addition of rapeseed oil and the performance of car-and-tractor diesel 4C4SS (4 cylinder 4 stroke supercharger) 11,0/12,5 (D-245.5S2) when operating on mixed fuels of different composition. The optimal adjustment of the fuel system is established.
Keywords: car-and-tractor diesel, rapeseed oil, mixed fuel, feeding system, stand experiments, effective indicators, ecological values.
