CC BY
3
DOI 10.12737/18679 УДК 621.436
УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОНСТРУКТИВНОЙ АДАПТАЦИИ ДИЗЕЛЕЙ АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКИ К РАБОТЕ НА БИОМИНЕРАЛЬНОМ ТОПЛИВЕ
Уханов Александр Петрович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Тракторы, автомобили и теплоэнергетика», ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА.
440014, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30.
E-mail: [email protected]
Уханов Денис Александрович, д-р техн. наук, проф. кафедры «Тракторы, автомобили и теплоэнергетика», ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА.
440014, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30.
E-mail: [email protected]
Хохлова Екатерина Алексеевна, инженер, ООО «КФХ Возрождение».
433428, Ульяновская область, Чердаклинский район, с. Озерки, ул. Центральная, 1.
Е-mail: [email protected]
Хохлов Антон Алексеевич, аспирант кафедры «Эксплуатация мобильных машин и технологического оборудования», ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА.
432017, г. Ульяновск, бульвар Новый Венец, 1.
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: дизель, минеральное, смесевое, биоминеральное, растительное, топливо, смеситель.
Цель исследований - разработать и изготовить устройства (двухтопливную систему питания и смеситель компонентов биоминерального топлива) для конструктивной адаптации дизелей автотракторной техники к работе на смесевом биоминеральном топливе. Статья посвящена решению проблемы, связанной с частичным замещением товарного минерального дизельного топлива смесевым биоминеральным моторным топливом, биокомпонентом которого является растительное масло (рапсовое, рыжиковое, редечное, горчичное, сурепное, соевое и др.). Предложены конструктивные варианты устройств (двухтопливных систем питания и смесителей) для адаптации дизелей автотракторной техники к работе на смесевом биоминеральном топливе. Преимуществами разработанных двухтопливных систем и смесителей компонентов биоминерального топлива является универсальность по отношению к различным видам дизельной автотракторной техники (тракторы, автомобили, комбайны и др.), многотопливность, широкая доступность комплектующих изделий, конкурентоспособность, возможность изготовления в условиях предприятий, не требуют больших капитальных вложений, малый срок окупаемости. Использование предлагаемых устройств обеспечивает работу дизеля на смесевом биоминеральном топливе без его существенных конструктивных изменений, а также необходимое процентное соотношение минерального и биологического компонентов смесевого топлива в зависимости от нагрузочно-скоростного режима. Применение смесевого биоминерального топлива, содержащего к примеру 50% минерального топлива и 50% рыжикового масла, позволяет при незначительном снижении эффективной мощности дизеля (не более 6%) и некотором увеличении удельного эффективного расхода смесевого топлива (до 14%) сэкономить 50% топлива нефтяного происхождения, снизить дымность отработавших газов на 17-20% и уменьшить содержание оксида углерода на 35-40% по сравнению с работой дизеля на товарном минеральном дизельном топливе.
Создание условий для расширения сырьевой базы российской экономики, повышения устойчивости топливного обеспечения товаропроизводителей, сокращения потерь сырьевых, материальных и топливно-энергетических ресурсов, снижения уровня загрязнения окружающей среды является основополагающим принципом государственной политики России. Повышение энергоэффективности экономики и развитие возобновляемых источников энергии - важнейшие приоритеты нашего государства, что отражено в комплексной программе развития биотехнологий в России на период до 2020 г. По оценкам Международного Энергетического Агентства к 2050 г. доля биотоплива в транспортной отрасли может увеличиться до 750 млн. т в нефтяном эквиваленте и составить 27% всего моторного топлива, что позволит уменьшить объемы вредных выбросов транспортных средств на 20% и сократить зависимость потребителей от ископаемых видов углеводородного топлива [1- 4].
В то же время ограниченность нефтяных запасов, усложнение условий добычи нефти и нестабильные цены на нефтепродукты диктуют необходимость экономии минеральных моторных топлив. Одним из направлений решения этой проблемы (без существенной модернизации дизелей автотракторной техники, изменения технологии их производства, переобучения работников и пр.) является частичное замещение товарного минерального дизельного топлива смесевым биоминеральным моторным топливом, биологическим компонентом которого является растительное масло, производимое из семян различных масличных культур (рапса, рыжика, редьки масличной, горчицы белой, сурепицы, сои и др.) [ 5-13 ].
Малозатратным и эффективным способом решения данной проблемы является модернизация штатной топливной системы автотракторных дизелей [14-17].
Цель исследований - разработать и изготовить устройства (двухтопливную систему питания и смеситель компонентов биоминерального топлива) для конструктивной адаптации дизелей автотракторной техники к работе на смесевом биоминеральном топливе.
Задачи исследований - провести стендовые и эксплуатационные исследования тракторного дизеля 4Ч 11/12,5 при работе на смесевом биоминеральном топливе.
Результаты исследований. Для работы дизелей автотракторной техники на двух видах моторного топлива (минеральном и смесевом) разработано два конструктивных варианта двухтопливной системы питания дизеля (патент РФ № 2484291; решение на выдачу патента по заявке на изобретение № 2014152644).
Первый вариант системы питания дизеля содержит бак минерального топлива 1 [14, 15] (рис. 1), фильтр грубой очистки минерального топлива 3, фильтр тонкой очистки топлива 5, топливоподкачивающий насос 6, топливный насос высокого давления в комплекте с центробежным регулятором частоты вращения 9, форсунки 10, топливопроводы 11, а также бак 2 растительного масла, фильтры грубой очистки растительного масла 4, электрический насос подачи растительного масла 7 с обратным клапаном 8, смеситель 12, имеющий два входных 13, 14 и один выходной 15 каналы, во входных каналах 13, 14 установлены электродозаторы 16, 17, электрически соединенные через электронный блок управления 18 с датчиком температуры растительного масла 19 и индуктивным датчиком 20 нагрузочно-скоростного режима дизеля, содержащим шток 21, линейное перемещение которого осуществляется с понижением нагрузки пружиной 22 центробежного регулятора частоты вращения, с повышением нагрузки - возвратной пружиной 23 датчика 20, а также обмотку 24, электрически соединенную с электронным блоком управления 18.
а) б)
Рис. 1. Двухтопливная система питания дизеля (первый конструктивный вариант): а) схема системы питания; б) схема работы индуктивного датчика нагрузочно-скоростного режима дизеля
(наименование позиций в тексте)
Работает данная двухтопливная система питания дизеля следующим образом. Пуск дизеля и его прогрев осуществляется на минеральном топливе. При этом электродозатор минерального топлива 16 полностью открыт, а электродозатор растительного масла 17 полностью закрыт. Минеральное топливо из бака 1, пройдя фильтр грубой очистки 3, электродозатор 16, смеситель 12, топливоподкачивающий насос 6, фильтр тонкой очистки 5, далее топливным насосом высокого давления 9 и форсунками 10 впрыскивается в цилиндры дизеля.
После прогрева дизеля на минеральном топливе, включают электрический насос 7, обеспечивающий подачу растительного масла из бака 2 через топливный фильтр 4 и электродозатор 17 в смеситель 12. При этом электродозатор 17, управляемый электронным блоком управления 18, в зависимости от температуры растительного масла, регистрируемой датчиком 19, автоматически регулирует поток, обеспечивая необходимое процентное соотношение минерального топлива и растительного масла в смеси при изменении температуры биологического компонента.
Минеральное топливо при этом подается в смеситель 12 аналогично работе дизеля в режиме пуска и прогрева. В смесителе 12 минеральный и биологический компоненты перемешиваются, и полученное сме-севое биоминеральное топливо подаётся топливоподкачивающим насосом 6, через фильтр тонкой очистки 5, в топливный насос высокого давления 9 и далее форсунками 10 впрыскивается в цилиндры дизеля.
При изменении нагрузочно-скоростного режима работы дизеля срабатывает индуктивный датчик 20. При понижении нагрузки шток 21 датчика 20 линейно перемещается под действием пружины 22 центробежного регулятора частоты вращения, что приводит к изменению индуктивности обмотки 24, воспринимаемой электронным блоком управления 18. Командный сигнал с блока 18 поступает в электрическую цепь электродозаторов, которые срабатывая, изменяют процентное соотношение компонентов смесевого топлива в сторону соответствующего уменьшения подачи минерального топлива и увеличения подачи растительного масла, поступающих в смеситель 12. При повышении нагрузки перемещение штока 21 осуществляется возвратной пружиной 23 датчика 20, тем самым увеличивая подачу минерального топлива и уменьшая подачу растительного масла.
Для обеспечения заданного процентного содержания минерального и биологического компонентов смесевого топлива в зависимости от нагрузочного и скоростного режимов работы дизеля разработан второй вариант конструкции двухтопливной системы питания дизеля, которая, наряду с узлами и агрегатами штатной системы питания, дополнительно оснащается перепускными 21, 22 (рис. 2) и нагнетательными 23, 24 клапанами, а в линии подачи минерального топлива размещен электрический насос подачи 25 с обратным клапаном 26.
Работает такая двухтопливная система питания дизеля следующим образом. Пуск и прогрев дизеля осуществляется на минеральном топливе.
Рис. 2. Двухтопливная система питания автотракторного дизеля (второй конструктивный вариант)
(наименование позиций в тексте)
После прогрева дизеля на минеральном топливе включается электрический насос подачи растительного масла 7, который подает его через электродозатор 17 в смеситель 12. Минеральное топливо подается в смеситель 12 аналогично работе дизеля в режиме пуска и прогрева. В смесителе 12 минеральное топливо и растительное масло перемешиваются, образуя смесевое топливо, которое отводится через выходной канал 15.
В зависимости от информативных сигналов, поступающих от датчика нагрузочно-скоростного режима 20 и датчика температуры растительного масла 19 через электронный блок управления 18 в электрическую цепь электродозаторов 16, 17, электродозатор растительного масла 17 открывается на соответствующую величину, а электродозатор минерального топлива 16 на аналогичную величину прикрывается, изменяя процентное соотношение минерального топлива и растительного масла в смесевом биоминеральном топливе.
Одним из основных элементов описанных двухтопливных систем питания дизеля является смеситель компонентов биоминерального топлива. Разработано два конструктивных варианта смесителей (патент на изобретение РФ № 2503491, решение на выдачу патента по заявке на изобретение № 2014152680).
Смеситель компонентов биоминерального топлива с активным приводом (рис. 3) работает следующим образом [16, 17].
с активным приводом (наименование позиций в тексте)
Смешиваемые компоненты биоминерального топлива через патрубки ввода компонентов 2 и 3, размещённые на передней крышке 9 корпуса 1, поступают в рабочую полость 14 смесителя. В рабочей полости смесителя происходит интенсивное перемешивание минерального и биологического компонентов основной 5 и дополнительной 6 крыльчатками, которые вращаются с разной частотой. Разная частота вращения крыльчаток 5 и 6 достигается тем, что основная крыльчатка 5, выполненная в виде «беличьего колеса» с лопатками 16, жёстко закреплена на валу 7 привода 8. Дополнительная крыльчатка 6 кинематически соединена с валом 7 через планетарную передачу, содержащую коронную шестерню 17, запрессованную внутри корпуса 1, три сателлита 18, водило 19, жестко соединенного с дополнительной крыльчаткой 6 и солнечную шестерню 20, установленную на шлицах заднего конца вала 7.
Готовая смесь (дизельное смесевое топливо) из рабочей полости 14 смесителя через отверстия 13 в корпусе 1 попадает в смесевую полость 15, и, пройдя через сетку-успокоитель 12 и полость 11, выходит из смесителя через патрубок вывода смеси 4 в конусной крышке 10. При этом повышение качества смешивания компонентов обеспечивается за счет разной частоты вращения основной 5 и дополнительной 6 крыльчаток.
Общий вид смесителя с активным приводом, установленного на дизель трактора МТЗ-82, представлен на рисунке 4.
Рис. 4. Смеситель компонентов биоминерального топлива с активным приводом
Другим конструктивным вариантом смесителя является статический смеситель компонентов биоминерального топлива (рис. 5). Для уменьшения длины топливопровода, объема и времени подачи минерального топлива и растительного масла статический смеситель устанавливается непосредственно на входе топлива в топливный насос высокого давления (ТНВД). Смешиваемые компоненты биоминерального топлива через каналы ввода компонентов 9 и 10, а также электродозаторы 3 и 4, размещённые на крышке 1, поступают в рабочую полость 11 смесителя. Из рабочей полости 11 по каналу в специальном болте минеральный и биологический компоненты поступают в смесевую полость 12. Смешиваемые компоненты, проходя по лабиринтам металлической набивки (металлическая стружка из нержавеющей стали) 8 постоянно меняют скорость и направление движения, за счет чего интенсивно перемешиваются. Приготовленное смесевое топливо из полости 12, пройдя через сетку-успокоитель 13, выходит из смесителя через канал вывода топлива 14 и поступает в П-образный канал ТНВД и далее к форсункам дизеля.
дет
Рис. 5. Статический смеситель компонентов биоминерального топлива: 1 - крышка; 2 - заглушка; 3 - электродозатор минерального топлива; 4 - электродозатор растительного масла; 5 - болт специальный;
6 - штуцер; 7 - сетка-успокоитель; 8 - металлическая набивка; 9 - канал ввода минерального топлива; 10 - канал ввода растительного масла; 11 - рабочая полость; 12 - смесевая полость; 13 - канал вывода смесевого биоминерального
топлива
По сигналам датчиков нагрузочно-скоростного режима и температуры растительного масла блок управления обеспечивает с помощью электродозаторов необходимое процентное соотношение компонентов смесевого топлива. Для обеспечения равномерной подачи минерального топлива и растительного масла вместо штатного топливоподкачивающего насоса устанавливается два электрических насоса: один в баке с минеральным дизельным топливом, другой - в баке с растительным маслом.
Экспериментальные исследования дизеля проводились в стендовых (рис. 6) и эксплуатационных (рис. 7) условиях [5-13].
12 3
Рис. 6. Экспериментальные исследования дизеля в стендовых условиях: 1 - машина динамометрическая; 2 - расходомер топлива; 3 - дизель
Рис. 7. Экспериментальные исследования трактора МТЗ-82 в эксплуатационных условиях: 1 - бак минерального топлива; 2 - смеситель биоминерального топлива с активным приводом
Результаты экспериментальных исследований показывают, что применение смесевого биоминерального топлива, содержащего к примеру 50% товарного минерального топлива и 50% рыжикового масла, позволяет при незначительном снижении эффективной мощности дизеля (не более 6%) и некотором увеличении удельного эффективного расхода смесевого топлива (до 14%) сэкономить 50% топлива нефтяного происхождения, снизить дымность отработавших газов на 17-20% и уменьшить содержание оксида углерода на 35-40% по сравнению с работой дизеля на товарном минеральном дизельном топливе.
Заключение. Использование разработанных устройств для конструктивной адаптации дизелей автотракторной техники обеспечивает его работу на смесевом биоминеральном топливе без существенных конструктивных изменений, а также необходимое процентное соотношение компонентов смесевого топлива в зависимости от нагрузочно-скоростного режима дизеля.
Преимуществами разработанных устройств для конструктивной адаптации дизелей к работе на сме-севом биоминеральном топливе является универсальность по отношению к различным видам дизельной автотракторной техники (тракторы, автомобили, комбайны и др.), многотопливность, широкая доступность комплектующих изделий, возможность изготовления на малых предприятиях, конкурентоспособность, не требуют больших капитальных вложений, малый срок окупаемости.
Библиографический список
1. Уханов, А. П. Дизельное смесевое топливо : монография / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, Д. С. Шеменев. - Пенза : РИО ПГСХА, 2012. - 147 с.
2. Уханов, А. П. Опыт использования сурепно-минерального топлива в дизеле сельскохозяйственного трактора : монография / А. П. Уханов, Д. А. Уханов. - Пенза : РИО ПГСХА, 2016. - 179 с.
3. 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. - С. 37-40.
4. Уханов, А. П. Сравнительный анализ свойств растительных масел, используемых в качестве биотоплива / А. П. Уханов, Д. С. Шеменев, Р. К. Сафаров [и др.] // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России. -Пенза : РИО ПГСХА, 2010. - С. 125-127.
5. Сидоров, Е. А. Экспериментальная оценка влияния сурепно-минерального топлива на показатели рабочего процесса дизеля / Е. А. Сидоров, А. П. Уханов // Нива Поволжья. - 2012. - №4. - С. 71 -74.
6. Уханов, А. П. Экспериментальная оценка влияния смесевого топлива на показатели рабочего процесса дизеля / А. П. Уханов, Е. А. Сидоров, Л. И. Сидорова, Е. Д. Година // Известия Самарской ГСХА. - 2012. - №3. - С. 33-38.
7. Уханов, А. П. Особенности производства и использования рапсового биотоплива на автотракторной технике /
A. П. Уханов, В. А. Рачкин, М. А. Уханов, Н. С. Киреева // Нива Поволжья. - 2008. - №1. - С. 36-42.
8. Уханов, А. П. Биотопливо из рыжика / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, В. А. Рачкин [и др.] // Тракторы и сельхозмашины. -2011. - №2. - С. 8-11.
9. Уханов, А. П. Теоретическая и экспериментальная оценка эксплуатационных показателей пахотного агрегата при работе на дизельном смесевом топливе / А. П. Уханов, Е. А. Сидоров, Л. И. Сидорова // Научное обозрение. - 2014. -№1. - С. 21-27.
10. Пат. № 89596 РФ. МПК B28 5/02. Жидкостный смеситель / Уханов А. П., Голубев В. А., Зыкин Е. С. - №2009135355 ; заявл. 22.09.2009 ; опубл. 10.12.2009, Бюл. № 34.
11. Пат. № 91929 РФ. МПК В28С 5/02. Смеситель - дозатор топлива / Уханов А. П., Голубев В. А., Зыкин Е. С. -№2009141314 ; заявл. 09.11.2009 ; опубл. 10.03.2010, Бюл. № 6.
12. Пат. № 2426588 РФ. МПК B01F 5/06. Смеситель - дозатор топлива / Уханов А. П., Голубев В. А., Зыкин Е. С. -№2009141463 ; заявл. 09.11.2009 ; опубл. 20.08.2011, Бюл. № 23.
13. Уханов, А. П. Разработка и обоснование конструктивно-режимных параметров смесителя-дозатора дизельного смесевого топлива / А. П. Уханов, В. А. Голубев, Н. С. Киреева // Вестник Ульяновской ГСХА. - 2013. - №2. - С. 116-121.
14. Пат. № 2484291 РФ. МПК F02M 43/00. Двухтопливная система питания дизеля / Уханов А. П., Уханов Д. А., Година Е. Д., Хохлова Е. А. - № 2012117807 ; заявл. 27.04.2012 ; опубл. 10.06.2013, Бюл. № 16.
15. Уханов, А. П. Двухтопливная система питания дизеля / А. П. Уханов, Е. А. Хохлова, Е. А. Сидоров, Е. Д. Година // Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники : мат. Международного науч.-техн. семинара им.
B. В. Михайлова. - Саратов : КУБиК, 2012. - Вып. 25. - С. 272-274.
16. Пат. № 2503491 РФ. МПК B01F 5/06. Смеситель минерального топлива и растительного масла с активным приводом / Уханов А. П., Уханов Д. А., Сидоров Е. А., Хохлова Е. А. - №2012128420 ; заявл. 05.07.2012 ; опубл. 10.01.2014 ; Бюл. № 1.
17. Хохлова, Е. А. Способ регулирования дизельного смесевого топлива / Е. А. Хохлова, А. П. Уханов, А. А. Хохлов [и др.] // Образование, наука, практика: инновационный аспект. - Пенза : РИО ПГСХА, 2015. - Т. II. - С. 137-141.
