Износостойкость плунжерных пар топливной аппаратуры тракторных двигателей при работе на биотопливе

АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

УДК 631.354.2

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ПЛУНЖЕРНЫХ ПАР

ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ РАБОТЕ НА БИОТОПЛИВЕ

TRACTOR ENGINES FUEL EQUIPMENT PUMP ELEMENT WEAR RESISTANCE DURING THE WORK ON BIOFUEL

Б.П. Загородских, доктор технических наук, профессор Ж.И. Альшин, кандидат технических наук, доцент А.А. Кожевников, аспирант

ФГОУВПО Саратовский ГАУ

В.Р. Zagorodskih, Zh.I. Alshin, А.А. Kozhevnikov

Saratov state agrarian university

Приведены результаты износных испытаний топливной аппаратуры дизельных двигателей при работе на смеси сафлорового масла и дизельного топлива. Представлена методика сравнительных износных испытаний плунжерных пар.

Results on wear examination of diesel engines fuel equipment during the work on safflower oil and diesel fuel are given in the article. Pump element comparative wear examination methods are presented here.

Ключевые слова: биотопливо, сафлор, топливная аппаратура, износные испытания, дизельный двигатель.

Key words: biofuel, safflower, fuel equipment, wear examinations, diesel engine.

В настоящее время все более широкое распространение получают альтернативные биотоплива на основе растительных масел и животных жиров. В Концепции развития аграрной науки и научного обеспечения агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 г. отмечено, что одним из приоритетных направлений развития аграрной науки и научного обеспечения АПК России в области механизации, электрификации и автоматизации является разработка оборудования с использованием возобновляемых источников энергии, в том числе биотоплива [4]. Биологические добавки на основе растительных масел в товарное дизельное топливо можно производить более чем из 50 масличных культур [4], однако в Европе и России самой распространенной культурой является рапс. Агротехника рапса достаточно сложна, затратна, а урожайность нестабильна и невелика, поэтому в засушливых регионах более предпочтительной культурой является сафлор [ 1 ].

Сафлор является старым культурным растением Средней и Передней Азии. Это однолетнее травянистое засухоустойчивое растение, стебель разветвляется в верхней трети и достигает в высоту 80... 130 см. Урожайность культуры 20-30 ц/га, но бывает и 40 ц/га [2].

Наиболее простой и доступный способ использования растительного масла в качестве топлива для дизельных двигателей -разбавление его дизельным топливом. Такая смесь получила название биотопливо или биодит [3].

К факторам эффективности использования биотоплива в АПК следует отнести:

- возобновляемость;

- экологичность (выбросы сокращаются: оксидов азота на 15-20 %, сажи на 30-35 %, оксидов углерода на 10-15 %);

- экономия дизельного топлива;

- повышение смазочных свойств топлива;

- использование топлива без конструктивных изменений двигателя;

- повышение ресурса дизеля;

- поддержание аграрного сектора;

использование и получение экономии при

внутрихозяйственном способе производства.

Недостатками биотоплива являются:

- повышенная вязкость и коксуемость;

- засорение топливных фильтров;

- незначительная потеря мощности (до 5 %);

- повышенный удельный расход топлива (на 7-11 %).

Анализ результатов лабораторных исследований показал большое содержание в сафлоровом масле олеиновой (69,53 %), линолевой (18,54 %) и пальмитиновой (6,35 %) кислот, несколько меньше - стеариновой (4,75 %), арахиновой (0,4 %), миристиновой (0,23 %), линоленовой (0,2 %). Содержание же серы в используемом биотопливе 0,04 %, что на 20 % ниже, чем в дизельном топливе. Теплотворные и физические свойства исследуемых моторных топлив приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Теплотво эныс и физические свойства исследуемых моторных топлив

Вид моторного топлива Низшая теплота сгорания, МДж/кг Плотность, кг/м3 Вязкость кинематическая, мм2/с Содержание серы, %

Дизельное топливо (ДГ) 42,437 826 4,2 0,05

Сафлоровое масло (СМ) 36,978 913 85,6 0,001

Смесь 80 % ДГ 20 % СМ 40,191 843 35,5 0,04

Разработана методика стендовых ускоренных сравнительных износных испытаний для оценки влияния биотоплива на износ деталей топливной аппаратуры. Основные отличия предлагаемой методики заключаются в том, что содержание абразивных частиц в топливе, приметаемом при проведении испытаний, поддерживается таким же, как и в реальных условиях эксплуатации. Кроме того, при проведении испытаний не ставится цель доведения плунжерных пар до предельного состояния, а продолжительность испытаний ограничивается определенными промежутками времени (75 ч), что позволяет получить зависимость интенсивности изнашивания от содержания абразивных частиц в топливе.

Для проведения ускоренных испытаний плунжерных пар используется специальная установка, общий вид которой представлен на рисунке 1.

Установка для ускоренных износных испытаний смонтирована на базе стенда СТДА-2 (КИ-921М) и состоит из бака-смесителя 6 (рис. 1), термостата 1, подкачивающего насоса 5, трубопроводов, а также приборов, регистрирующих температуру, скоростной режим работы насоса.

Биотопливо, загрязненное абразивным материалом, подается в топливный насос 3 из бака-смесителя 6, в котором установлена мешалка. После прохождения топлива через насос оно вновь возвращается в бак-смеситель. Таким образом, получается замкнутый цикл работы насоса. Для приближения условий температурного режима стендовых испытаний к эксплуатационным условиям имеется возможность подогрева топлива в термостате. С этой целью топливо также постоянно пропускается через термостат. Измерение температуры топлива в системе осуществляется ртутным термометром со шкалой 0-100 °С и ценой деления 1 °С.

Для получения идентичных условий изнашивания испытуемых плунжерных пар топливный насос комплектуется нагнетательными клапанами, форсунками и трубопроводами высокого давления

одинаковой пропускной способности и гидравлической плотности, подобранные форсунки, нагнетательные клапаны и трубопроводы устанавливаются в определенные секции, а дополнительные перестановки в течение опыта не производятся.

Рисунок 1 - Схема установки для ускоренных износных испытаний топливных насосов: 1 - термостат; 2 - форсунки; 3 - топливный насос; 4 -электродвигатель стенда; 5 - подкачивающий насос; 6 - бак-смеситель

Подготовленный топливный насос с установленными плунжерными парами монтируется на износную установку, подсоединяется к рабочим форсункам и смесителю топлива.

При проведении испытаний поддерживается следующий режим работы: число оборотов кулачкового вала - 870 мин"1; давление впрыска -175 МПа; момент затяжки нажимных штуцеров - 150 Н • м.

Для обеспечения стабильности содержания абразива в используемом топливе испытания проводятся без фильтров.

Через каждые 15 ч работы смеситель установки тщательно промывается и заправляется свежеприготовленной смесью абразива и топлива. Абразивный порошок в соответствующем количестве вводится в небольшой сосуд с топливом, где тщательно перемешивается до перехода во взвешенное состояние. Затем полученная суспензия вводится в смеситель установки при непрерывном перемешивании.

Все последующие этапы износных испытаний повторяются со строгим соблюдением режимов и параметров изнашивания.

В соответствии с разработанной методикой были проведены стендовые сравнительные ускоренные износные испытания. Для этого было подобрано два комплекта плунжерных пар топливного насоса 4УТНМ. Перед началом испытаний каждый комплект плунжерных пар устанавливался на эталонный топливный насос с эталонными нагнетательными клапанами. После этого на стенде для регулировки топливной аппаратуры КИ-22210 эталонный топливный насос, укомплектованный испытуемыми плунжерными парами, в комплекте с эталонными форсунками регулировался в соответствии со следующими параметрами:

- номинальная частота вращения кулачкового вала насоса - 870 мин"1;

- начало действия регулятора - 890...900 мин"1;

производительность насосного элемента (секции) при

номинальной частоте вращения кулачкового вала насоса - 63-65

см3/мин;

- полное автоматическое выключение подачи топлива - 980 мин"1;

- угол начала подачи топлива первой секцией - 57°±30';

- отклонение производительности между отдельными насосными

элементами - ±3 %.

Эталонные форсунки были отрегулированы на давление 175 МПа.

Значения пусковой подачи каждой секции определялись при частоте вращения кулачкового вала насоса 100 мин"1, 600 мин"1 и 870 мин"1 за 1000 циклов.

После регулировки и определения значений подачи плунжерные пары с эталонного топливного насоса переставлялись на топливный насос, установленный на лабораторной установке. Особенностью этого насоса является то, что с него демонтирован регулятор частоты вращения. При проведении лабораторных испытаний рейка этого насоса фиксировалась в определенном положении, соответствующем при номинальной частоте вращения кулачкового вала насоса значению номинальной подачи, положение реки не изменялось на протяжении данного этапа испытаний. Продолжительность каждого этапа составляла 75 часов. Через каждые 15 часов работы плунжерные пары переставлялись в эталонный топливный насос, после чего определялось значение пусковой, номинальной и перегрузочной подачи каждой секцией в указанном режиме.

Испытания проводятся в два этапа:

1) на дизельном топливе, загрязненном абразивом;

2) на биотопливе с 20 % сафлорового масла и 80 % дизельного топлива (20 % СМ 80 % ДТ), загрязненном абразивом.

На рис. 2 приведены кривые изменения цикловой подачи плунжерных пар. №1 - испытания проводились на биотопливе 20 % СМ 80 % ДТ, загрязненном абразивом; № 2 - испытания проводились на дизельном топливе, загрязненном абразивом. Как видно из приведенных графиков, цикловая подача плунжерных пар № 1 снизилась в среднем

3 и

на 9 мм за весь цикл испытаний, а пар № 2 - снизилась в среднем на 20 мм . Следовательно, применение биотоплива позволяет уменьшить износ плунжерных пар топливных насосов высокого давления.

Рисунок 2 - Изменение цикловой подачи топлива в зависимости от времени испытания: №1 - 20 % СМ 80 % ДТ, загрязненное абразивом;

№ 2 - дизельное топливо, загрязненное абразивом

При работе на дизельном топливе за 75 ч стендовых испытаний подача топлива плунжерными парами на пусковых оборотах снизилась в среднем на 27 %, при работе на биотопливе этот же показатель изменился на 11 %. Таким образом, применение биотоплива позволяет на 16 % уменьшить износ плунжерных пар топливной аппаратуры.

Износостойкость при работе на биотопливе повышается за счет содержания большого количества олеиновой кислоты, способствующей образованию на поверхности деталей поверхностно активных веществ. Также и износ снижается, т.к. биотопливо имеет лучшие смазочные свойства, чем дизельное топливо, за счет существенного снижения содержания серы.

Библиографический список

1. Биотопливо для дизелей на основе сафлорового масла [Текст] / Б.П. Загородских,

М.К. Тохиян, A.A. Кожевников, В.А. Чугунов // Нива Поволжья. - 2009. - № 4 (13). - С. 71-74.

2. Возобновляемое растительное сырье [Текст] / Под общей редакцией Д. Шпаара,-Санкт-Петербург-Пушкин, 2006. - 382 с.

3. Загородских, Б.П. Сафлоровое масло вместо рапсового [Текст] / Б.П. Загородских, A.A. Кожевников, С.А. Фадеев // Сельский механизатор. - 2010. - № 6. - С. 34-35.

4. Результаты испытаний и перспективы эксплуатации дизелей на биотопливе [Текст]

/В.Ф. Федоренко, Д.С. Буклагин, С.А. Нагорнов, А.П. Зазуля [и др.]. - М.: ФГНУ

«Росинформагротех», 2008,- 136 с.

5. Уханов, А.П. Рапсовое биотопливо [Текст] / А.П. Уханов, В.А. Рачкин, ДА. Уханов- Пенза: РИО ПГСХА, 2008. - 229 с.

E-mail: rectorPsgau.ru