Влияние смесевого топлива на основе рапсового масла на эксплуатационные показатели колесного трактора


Введение

Эксплуатационные качества тракторов могут быть разделены на три основные группы: агротехнические, технико-экономические и общетехнические [1, с. 13-15].

Под агротехническими подразумевают качества, характеризующие приспосабливаемость трактора к технологическим требованиям сельскохозяйственного производства, ? это удельное давление на почву, дорожный просвет, агротехнический просвет, размер колеи, защитные зоны, габаритная ширина и высота трактора, маневренность и др.

Технико-экономические качества определяют производительность и экономичность работы трактора ? это выработка, тяговые качества, удобство агрегатирования, топливная экономичность, надежность и долговечность, ремонтная характеристика и др.

Остальные качества можно отнести к общетехническим - это такие, как удобство работы, обслуживания, санитарно-гигиенические условия, готовность к работе, трудоемкость обслуживания, безопасность работы. Однако точную границу между группами провести невозможно, так как некоторые из них могут быть отнесены к двум и более группам.

Самостоятельно трактор не выполняет никаких агротехнических операций. Он работает только с навесными или прицепными машинами, т. е. является составной частью машинно-тракторного агрегата. Поэтому при рассмотрении тяговых характеристик трактора всегда следует учитывать влияние агрегатируемой машины [2, с. 68; 3, с. 10].

При неустановившемся движении трактора с колесной формулой 4Ч2 в агрегате с прицепными или навесными машинами на трактор действуют следующие силы и моменты: масса отдельных частей трактора и навесной машины, силы инерции агрегата и моменты касательных сил инерции вращающихся масс трактора и агрегата в целом, тяговые сопротивления агрегатируемой машины, сопротивление воздуха и реакция грунта на движитель [2, с. 68-69].

Движение трактора происходи за счет возникновения касательной силы тяги РК между движителем трактора и грунтом. РК есть не что иное как крутящий момент силовой установки трактора, переданный и преобразованный трансмиссией.

В качестве силовой установки тракторов в основном используют дизельные двигатели. Крутящий момент в силовой установке возникает за счет преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения коленчатого вала. Крутящий момент на каждом из режимов работы дизеля определяется количеством энергии, вводимой в цилиндр с цикловой дозой топлива. При изменении химического состава и физических свойств топлива протекание процессов впрыскивания, распыливания и смесеобразования изменится, что повлечет за собой изменение крутящего момента силовой установки, тяговых и топливо-экономических качеств трактора.

Теплотворная способность рапсового масла ниже, чем у дизельного топлива (ДТ). Этот факт должен привести к снижению мощности дизеля и ухудшению тяговых качеств трактора при использовании рапсового масла (РМ), однако масло имеет повышенную вязкость, которая приводит к увеличению цикловой подачи топлива и соответственно компенсирует ухудшение тяговых качеств [4].

Анализ источников

К настоящему времени выполнен определенный объем научно-исследовательских работ (НИР) в области использования альтернативных видов топлива на основе рапсового масла в силовых установках тракторов. В своих исследованиях ученые обосновывают различные оптимальные концентрации смесевых топлив на основе рапсового масла: 25% ДТ + 75% РМ [5; 6; 7, с. 39], 70% ДТ + 30 % РМ [8, с. 142], 70% ДТ + 30 % РМ [9, с. 70], 60% ДТ+40%РМ [10, с. 71]. Более подробно рассмотрим результаты испытаний силовых установок и тракторов при работе на смесевых топливах на основе РМ.

По исследованиям, проведенным Д. Д. Матиевским, С. П. Кулманаковым, А. В. Шашевым на двигателе УК-2, представляющем собой одноцилиндровый отсек двигателя серии Д-440 и Д-460, которые устанавливаются на тракторах ДТ-75Т, Т-4А и др., при переходе на чистое рапсовое масло, без принятия мер по оптимизации рабочего процесса, наблюдается ухудшение экономичности (удельный индикаторный расход топлива увеличивается на 20-30%, индикаторный КПД уменьшается на 15-20%) [11].

В исследованиях Д. Б. Бубнова приведены результаты работы дизеля Д-240 (предназначен для установки на тракторах класса 14 кН) на ДТ и СТ, состоящего из 25% ДТ и 75% РМ. Дизель, работая на СТ, на корректорном участке скоростной характеристики имеет больший крутящий момент по сравнению с работой на ДТ. Запас крутящего момента или коэффициент приспосабливаемости двигателя на СТ составляет 17,6%, что выше, чем при работе на ДТ, - 14,7%. Увеличение этого показателя будет способствовать преодолению МТА кратковременных перегрузок большей величины. При этом не было отмечено ухудшения эффективного КПД силовой установки при работе на смесевом топливе [6].

Исследовательский центр "Vacola" в Финляндии совместно с фирмой "Valmet" провел испытания тракторов "Valmet-702" и "Volvo Bm valmet 605-4" на смесевом топливе R33, состоящем из 1/3 РМ и 2/3 ДТ. При работе на смеси номинальная мощность силовой установки трактора V605 увеличилась на 1,4%, частота вращения - на 49 мин-1, при этом удельный расход топлива повысился на 0,75%. Изменение показателей второго трактора V702 имели такую же направленность: номинальная мощность повысилась на 2,8%, удельный расход топлива - на 2,12% [7, с. 41-42].

Рассмотренные примеры исследований показывают, что авторы сходятся во мнениях, что при использовании РМ возрастает часовой и удельный расходы топлива, при этом за счет снижения утечек растительного топлива через неплотности плунжерных пар увеличивается мощность двигателя и соответственно растет сила тяги трактора.

Методы исследования и основная часть

Изменение тяговых показателей колесного трактора можно оценить по тяговой характеристике. Тяговые характеристики строятся при работе трактора на установившихся режимах и при движении по горизонтальному участку. Тяговую характеристику можно построить расчетным путем для типичных почвенных фонов.

Произведем расчет и построим теоретическую тяговую характеристику при работе трактора "Беларус 922" на вспаханном поле на двух видах топлива - дизельное топливо и смесевое топливо, состоящее из 60% ДТ и 40% РМ. В связи с тем что РМ имеет теплоту сгорания ниже, чем у ДТ, для реализации трактором одинаковой крюковой мощности необходимо увеличить часовой расход смесевого топлива. Для построения тяговой характеристики используем внешнюю скоростную характеристику дизеля Д-245.5, устанавливаемого на тракторе "Беларус 922".

При построении теоретической тяговой характеристики примем ряд допущений [2, с. 165]:

    1) КПД трансмиссии трактора не изменяется от степени загрузки движителя и имеет для каждой передачи постоянное значение; 2) коэффициент сопротивления движению трактора не изменяется на всех режимах работы.

Силу тяги на крюке, тяговый КПД, крюковую мощность, действительную скорость движения и удельный расход топлива трактора рассчитаем по формулам [2, с. 165-169]:

, (1)

Где РКр - сила тяги на крюке, кН; РК - касательная сила тяги, кН; РF - сила сопротивления качанию, кН; iТр - передаточное число трансмиссии трактора; rК - динамический радиус колеса, м; Тр - КПД трансмиссии трактора.

, (2)

Где Н - буксование.

, (3)

Где NКр - крюковая мощность, кВт; NE - эффективная мощность силовой установки трактора, кВт.

, (4)

Где VД - действительная скорость движения трактора, м/с; Р - математическая константа, выражающая отношение длины окружности к ее диаметру.

, (5)

Где GКр- удельный расход топлива, г/кВт-ч; GТ - часовой расход топлива, кг.

Расчеты по формулам 2.1?2.5 произведем при работе трактора на трех режимах:

    1) Трактор "Беларус 922" работает на 2-й передаче I-го диапазона с включенным мультипликатором; 2) Трактор "Беларус 922" работает на 3-й передаче I-го диапазона; 3) Трактор "Беларус 922" работает на 2-й передаче I-го диапазона.

Результаты расчетов приведем на рис. 1, 2.

зависимость крюковой мощности и действительной скорости движения трактора от силы тяги на крюке

Рис. 1. Зависимость крюковой мощности и действительной скорости движения трактора от силы тяги на крюке.

? 2-й режим работы; ? 3-й режим работы

зависимость часового и удельного расхода топлива трактора от силы тяги на крюке

Рис. 2 - Зависимость часового и удельного расхода топлива трактора от силы тяги на крюке

При работе на ДТ и СТ, состоящего из 60% ДТ и 40% РМ. ? 1-й режим работы на ДТ; ? 1-й режим работы на СТ; ? расход ДТ трактором "Беларус 922"

При работе на СТ на 1-м режиме; ? расход РМ трактором "Беларус 922" при работе на СТ на 1-м режиме работы; ? 2-й режим работы на ДТ; ? 2-й режим работы на СТ; ? расход ДТ трактором "Беларус 922"

При работе на СТ на 2-м режиме; ? расход РМ трактором "Беларус 922" при работе на СТ на 2-м режиме работы; ? 3-й режим работы на ДТ; ? 3-й режим работы на СТ; ? расход ДТ трактором "Беларус 922"

При работе на СТ на 3-м режиме; ? расход РМ трактором "Беларус 922" при работе на СТ на 3-м режиме работы.

Как мы можем видеть из рис. 1 и 2, для поддержания неизменной скорости и крюковой мощности трактора при переводе его работы с чистого ДТ на смесевое топливо необходимо увеличивать часовой расход СТ, соответственно будет увеличиваться и удельный расход топлива. Однако применение СТ позволит сократить расход трактором чистого ДТ.

Произведем расчеты снижения часового расхода ДТ при применении СТ различной концентрации. Обозначим часовые расходы ДТ и СТ как GДт И GСм, а их низшую расчетную теплоту сгорания как НДт и НСм. Тогда при работе дизеля на СТ с достаточной точностью должно выполняться условие:

GСм/ GДт? НДт/НСм (6)

Или, несколько видоизменив:

GСм = GДтНДт/((1 - b)НДт + bНРм), (7)

Где НРм - низшая расчетная теплота сгорания рапсового масла; b - относительное содержание рапсового масла в смеси.

Учитывая, что часовой расход ДТ при работе дизеля на СТ равен:

GДт(см) = GСм (1 - b) (8)

И поделив обе части на GДт, получим удельное значение часового расхода ДТ при работе дизеля на СТ по отношению к его значению при работе на чистом ДТ:

GЧ = (1 - b)НДт/((1 - b)-НДт + b-НРм). (9)

Расчет по выражению (9) позволит получить ориентировочные значения экономии ДТ при работе дизеля на СТ по сравнению с работой на чистом ДТ.

Так, в случае содержания РМ в смеси 10, 20, 30 и 40% экономия ДТ не будет превышать соответственно 8,9; 18; 27,3 и 36,9%. В действительности эти значения могут быть несколько меньше, так как на показатели топливной экономичности дизеля окажет свое влияние изменение параметров рабочего цикла силовой установки трактора.

Заключение

    1. К настоящему времени выполнен значительный объем научно-исследовательских работ в области использования альтернативных видов топлива на основе рапсового масла в силовых установках тракторов. Исследователи сходятся во мнениях, что использование смесевого топлива на основе рапсового масла возможно и целесообразно. 2. Расчетным путем установлено, что поддержание неизменной скорости и крюковой мощности трактора при переводе его работы с чистого ДТ на смесевое топливо требует увеличения часового расход смесевого топлива, соответственно будет увеличиваться и удельный расход топлива. Однако применение смесевого топлива позволит сократить расход трактором чистого дизельного топлива. Так, в случае содержания рапсового масла в смеси 10, 20, 30 и 40% экономия дизельного топлива не будет превышать соответственно, 8,9; 18; 27,3 и 36,9%.

Литература

    1. Масюк, С. А. Тракторы / С. А. Масюк [и др.]. Минск: Высш. школа, 1980. Ч. V: Основы эксплуатации и ремонта. 199 с. 2. Гуськов, В. В. Тракторы / В. В. Гуськов. Минск: Высш. школа, 1977. Ч. II: Теория. 384 с. 3. Анилович, В. Я. Конструирование и расчет сельскохозяйственных тракторов: справ. пособие / В. Я. Анилович, Ю. Т. Водолажченко. М.: Машиностроение, 1976. 456 с. 4. Карташевич, А. Н. Возобновляемые источники энергии: науч.-практ. пособие / А. Н. Карташевич, В. С. Товстыка. Горки: БГСХА, 2007. 264 с. 5. Краснощеков, Н. В. Адаптация тракторов и автомобилей к работе на биотопливе / Н. В. Краснощеков [и др.] // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1994. №12. С. 1-4. 6. Бубнов, Д. Б. Адаптация дизеля сельскохозяйственного трактора для работы на рапсовом масле: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03 / Д. Б. Бубнов; М., 1996. 17 с. 7. Федоренко, В. М. Использование биологических добавок в дизельное топливо / В. М. Федоренко [и др.]. М.: ФГНУ "Росинформагротехник", 2007. 52 с. 8. Быченин, А. П. Повышение ресурса плунжерных пар топливного насоса высокого давления тракторных дизелей применением смесевого минерально-растительного топлива: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.02 / А. П. Быченин. Пенза, 2007. 183 с. 9. Слепцов, О. Н. Эффективность применения топлив растительного происхождения в АПК: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.02 / О. Н. Слепцов; М., 2007. 178 с. 10. Ефанов, А. А. Улучшение экологических характеристик дизеля регулированием состава смесевого биотоплива: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.02 / А. А. Ефанов; М., 2008. 127 с. 11. Матиевский, Д. Д. Решение вопросов оптимизации рабочего процесса дизеля с объемно-пленочным смесеобразованием на чистом рапсовом масле / Д. Д. Матиевский, С. П. Кулманаков, А. В. Шашев // Двигатель-2007: материалы Междунар. конф., посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н. Э. Баумана: сб. науч. трудов / МГТУ им. Н. Э. Баумана. М., 2007.

Похожие статьи




Влияние смесевого топлива на основе рапсового масла на эксплуатационные показатели колесного трактора

Предыдущая | Следующая