Влияние спирто-рапсовых смесей на показатели работы тракторного дизеля

- Аграрный вестник Урала № 5 (123), 2014 г. - <

Инженерия

УДК 62-61

ВЛИЯНИЕ СПИРТО-РАПСОВЫХ СМЕСЕЙ НА ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ

Л. В. ДЕНЕЖКО,

кандидат технических наук, доцент, Л. А. НОВОПАШИН,

кандидат технических наук, доцент, Уральский государственный аграрный университет

Ключевые слова: трактор, дизель, рапсовое масло, спирт, смеси, расчеты, мощность, экономичность, энергетические показатели.

Актуальность рассмотренного в статье вопроса о влиянии спирто-рапсовых смесей подтверждается исследованиями альтернативных топлив, получаемых из возобновляемых источников сырья, проводимых в различных регионах России и за рубежом. В качестве сырья для получения топлив привлекательны масленичные культуры, в частности рапс. Однако вязкость рапсового масла на порядок выше, чем у дизельного топлива, поэтому его применяют в смеси с маловязкими компонентами. Добавка спирта в рапсовое масло снижает вязкость смеси и делает пригодной ее к использованию с точки зрения качественного распыла и его низкотемпературного свойства. В качестве альтернативного топлива исследована смесь рапсового масла (РМ) и этанола четырех составов. На основании теплового расчета определены показатели рабочего цикла двигателя и представлены зависимости их от состава спирто-рапсовой смеси. Проведено сравнение полученных показателей с традиционным дизельным топливом. Теплота сгорания спирто-рапсовых смесей снижается с увеличением доли спирта, а тепловая характеристика горючей смеси практически не изменяется, что объясняется увеличением доли кислорода в составляющих компонентах смесевого топлива. По этой причине максимальная температура рабочего цикла дизеля также не изменяется, но она ниже, чем при работе на дизельном топливе. С увеличением концентрации спирта в смеси отмечено повышение мощности двигателя на 1,5-5,5 % по сравнению с дизельным топливом, а расход смеси значительно возрастает на 17,5-40,8 % или на 8,9 г/кВт-ч в среднем на каждые 10 % увеличения концентрации спиртового компонента в смеси.

THE EFFECT OF ALCOHOL-RAPESEED BLENDS ON THE PERFORMANCE OF TRACTOR DIESEL ENGINES

L. V. DENEZHKO,

candidate of technical sciences, associate professor, L. A. NOVOPASHIN,

candidate of technical sciences, associate professor, Ural stare agrarian university

Keywords: tractor, diesel engine, rapeseed oil, alcohol, blends, calculations, power, efficiency, energy indicators. Topicality of the issue under consideration is confirmed by researches of alternative fuel based on renewable resources carried out in different parts of Russia and abroad. Oil-plants, rapeseed in particular, are quite appropriate as raw materials for fuel production. However rapeseed oil viscosity is higher than that of diesel fuel, that is why it is used in a blend with low-viscosity components. The addition of alcohol to rapeseed oil reduces the viscosity and makes it suitable to use in terms of qualitative flow and its low-temperature quality. The mixture of rapeseed oil with ethanol of four different structures has been studied as alternative fuel. Indicators of the engine duty cycle are defined on the basis of heat calculation, and their dependence on the structrure of the alcohol-rapeseed blend is represented here. The comparison between the observed indicators and traditional diesel fuel has been made. The combustion heat of alcohol-rapeseed blends is reduced as the percentage of alcohol increases, but thermal characteristic of a gas mixture practically doesn't change, which is accounted for an increase of oxygen in the constituent components of mixed fuel. For this reason the maximum temperature of the diesel engine duty cycle doesn't change too, however it is lower than that when a diesel fuel is used. As a concentration of alcohol in the blend increases, engine power increases by 1.5-5.5 % in comparison with diesel fuel, and consumption of the blend significantly rises by 17.5-40.8 % or by 8.9 g/kw-hr on the average of 10 % increase of alcohol concentration in the blend.

Положительная рецензия представлена Е. Е. Баженовым, доктором технических наук, профессором, директором Института автомобильного транспорта и технологических систем Уральского государственного лесотехнического университета.

Аграрный вестник Урала № 5 (123), 2014 г.

Ряд исследований, проводимых в последние годы, направлены на изучение возможности замены нефтяных топлив альтернативными.

Наиболее предпочтительным биотопливом в условиях Уральского региона является смеси на базе рапсового масла.

Высокая вязкость рапсового масла не позволяет использовать его в чистом виде. Поэтому оно может быть использовано после соответствующей переработки или в смеси с другими компонентами.

Проведенные исследования в Пензенской ГСХА, Уральском ГАУ и др. [2, 4, 5, 6] доказывают возможность применения рапсового масла в смеси с нефтяными топливами (дизельным, керосином, бензином).

Результаты проведенных исследований также показывают улучшение экологических показателей двигателя при работе на смесевых топливах на основе рапсового масла. Отмечено снижение мощности и увеличение расхода топлива по сравнению с дизельным топливом.

Однако модернизация системы питания позволяет повысить экономичность дизеля при переводе его на смесевое топливо [2, 3].

Вязкость рапсового масла существенно снижается при введении биодобавок, в частности этанола. На кафедре тракторов и автомобилей УрГАУ проведены теоретические расчеты о влиянии спирто-рап-совых смесей на мощностные и экономические показатели работы тракторного дизеля Д-144.

Расчеты проведены для 4 составов смесей [1]:

— 80 % рапсовое масло (РМ) + 20 % этанола (С2Н5ОН);

— 60 % РМ + 40 % С2Н5ОН; спирто-рапсовых смесей, согласно расчетам, тре-

— 40 % РМ + 60 % С2Н5ОН; буется существенно меньше в связи с большим со— 20 % РМ + 80 % С2Н5ОН; держанием кислорода в обоих компонентах смеси по

Анализ расчетов показал уменьшение теплоты сравнению с дизельным топливом на 18,8-48,3 %.

сгорания у исследуемых смесей на 18,7-43 % по При этом потребное количество воздуха снижается сравнению с дизельным топливом. Причем этот по- по мере увеличения концентрации спирта в смеси. казатель снижается в среднем на 1000 кДж/кг при Однако теплота сгорания горючей смеси существен-увеличении доли спирта на 10 %.

Таблица1

Мощностные, экономические и показатели рабочего цикла дизельного двигателя при использовании спирто-рапсовой смеси различного состава

№ Показатель ДТ 80 % РМ + 20 % С2Н5ОН 60 % РМ + 40 % С2Н5ОН 40 % РМ + 60 % с2н5он 20 % РМ + 80 % С2Н5ОН

1 Теплота сгорания топлива, МДж/кг 41,8 35,209 33,217 31,226 29,234

2 Теоретическое количество воздуха, кмоль/кг топлива 0,502 0,422525 0,39457 0,36654 0,338543

3 Теоретическое количество воздуха, кг/кг топлива 14,56 12,2532 11,4426 10,6297 9,8177

4 Теплота сгорания горючей смеси, МДж/кг 1,830 1,817 1,829 1,843 1,855

5 Коэффициент молекулярного изменения 1,043 1,056 1,063 1,071 1,08

6 Температура сгорания, °К 2140,0 2125,6 2124,6 2123 2123,8

7 Среднее индикаторное давление, Мпа, теоретическое/ действительное 0,9592/ 0,9100 0,9681/ 0,91906 0,97664/ 0,92734 0,9872/ 0,9375 1,0007/ 0,9507

8 Среднее эффективное давление, МПа 0,7336 0,74266 0,75094 0,76115 0,7743

9 Индикаторный КПД 0,473 0,47035 0,4698 0,4693 0,4695

10 Эффективный КПД 0,382 0,38 0,3805 0,381 0,382

11 Эффективный удельный расход топлива, г/кВт 225,5 269,07 284,83 302,6 322,4

12 Эффективная мощность, кВт 45,77 46,34 46,86 47,5 48,32

13 Изменение - +1,25 +2,38 +3,77 +5,56

Инженерия /^7

Рисунок 1

Зависимость показателей работы Д-144 от состава топлива Количество воздуха, необходимое для сгорания

333^»— Аграрный вестник Урала № 5 (123), 2014 г. - < JJJ^^L

Инженерия /Ш/

А расход топлива значительно увеличивается на 17,5-40,8 % по сравнению с дизельным топливом, что сопоставимо с тепловыми характеристиками смесей. Удельный расход спирто-рапсовой смеси увеличивается на 8,9 г/кВт-ч в среднем при повышении содержания спиртового компонента на каждые 10 %.

Выводы.

Таким образом, проведенные теоретические расчеты позволяют сделать следующие выводы:

1) при использовании в тракторном дизеле спир-то-рапсовых смесей мощность двигателя увеличивается на 1,5-5,6 по сравнению с дизельным топливом. Наблюдается тенденция к повышению мощности при увеличении содержания спирта в смеси;

2) экономичность двигателя значительно снижается на 17,5-40,8 % по сравнению с традиционным топливом или на 8,9 г/кВт-ч в среднем при повышении содержания спиртового компонента на каждые 10 %.

Литература

1. Колчин А. И., Демидов В. П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М. : Высшая школа, 2002. 496 с.

2. Результаты испытаний и перспективы эксплуатации дизелей на биотопливе. М. : Росинформагротех, 2008. 136 с.

3. Рыблов М. В. Улучшение эксплуатационных показателей тракторов обогащением воздушного заряда дизеля на впуске : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Пенза : Пензенская ГСХА, 2009.

4. Марков В. А., Коршунов Д. А., Девянин С. Н. и др. Улучшение качества процесса смесеобразования дизеля при его работе на рапсовом масле : материалы докладов междунар. конф. «Двигатель-2007», посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н. Э. Баумана. М., 2007. С. 361-366.

5. Федоренко В. Ф. и др. Состояние и развитие производства биотоплива. М. : Росинформагротех, 2007. 130 с.

6. Денежко Л. В., Боровских А. М., Новопашин Л. А. Влияние на показатели двигателей некоторых альтернативных топлив // Транспорт Урала. 2008. № 4.

References

1. Kolchin A. I., Demidov V P. Calculation of automobile and tractor engines. M. : Higher school, 2002. 496 p.

2. Experiments and perspectives of using biodiesel engines. M. : Rosinformagrotech, 2008. 136 p.

3. Ryblov M. V Improving operational indicators of tractors by means of inlet air charge enrichment. Penza : Penza State Agricultural Academy, 2009.

4. Markov V A., Korshunov L. A., Devyanin S. N. et al. Improving the quality of diesel engine mixture formation process when operated on rapeseed oil : reports of the international conference "Engine-2007" dedicated to the 100th anniversary of the engine production school of Moscow State Technical University named after N. E. Bauman. M., 2007. P. 361-366.

5. Fedorenko V. F. et al. Present state and development of biofuel production. M., 2007. 130 p.

6. Denezhko L. V., Borovskih A. M., Novopashin L. A. The effect of some alternative fuels on the engine indicators // Ural Transport. 2008. № 4.

но не изменяется и составляет 1817-1855 кДж/кг. У дизельного топлива этот показатель составил 1830 кДж/кг.

Этим можно объяснить и относительно одинаковую в расчетах температуру рабочего цикла для всех спирто-рапсовых смесей независимо от состава компонентов. Снижение температуры цикла при использовании спирто-рапсовых смесей на 15-17 °С по сравнению с дизельным топливом связано с большой теплотой испарения спирта.

Существенного изменения индикаторного и эффективного КПД двигателя при использовании исследуемых смесевых топлив не отмечено.

По результатам расчетов имеет место повышение мощности двигателя при переводе его на смесевое топливо, по сравнению с традиционным, на 1,55,6 %, то есть на 0,7 % на каждые 10 % увеличения доли спирта в смеси.