Разработка топливной системы тракторного дизельного двигателя для работы на биотопливе (дипломный проект)

ОГЛАВЛЕНИЕ
1 Анализ производственной деятельности ОПХ «Баймакское»
1.1 Общая характеристика предприятия...
1.2 Анализ показателей растениеводства
1.3 Анализ показателей животноводства
1.4 Анализ состава и показателей использования машинно-тракторного парка... 
1.5 Организация нефтехозяйства...
1.6 Организация хранения машин...
2 Анализ существующих конструкций подогревателей топлива...
3 Расчет и конструирование нагревателя топлива...
3.1 Показатели дизельного топлива и рапсового масла...
3.2 Тепловой расчет двигателя...
3.2.1 Процесс впуска...
3.2.2 Процесс сжатия... 
3.2.3 Процесс сгорания...
3.2.4 Процесс расширения
3.2.5 Процесс выхлопа... 
3.2.6 Индикаторные показатели работы двигателя... 
3.2.7 Эффективные показатели работы двигателя...
3.3 Тепловой баланс двигателя...
3.3.1 Общее количество теплоты...
3.3.2 Теплота, эквивалентная эффективной работе
3.3.3 Теплота передаваемая охлаждающей среде...
3.3.4 Теплота, уносимая с отработавшими газами...
3.3.5 Неучтенные потери теплоты
3.4 Конструирование нагревателя биотоплива...
3.5 Расчет основных параметров теплопередающего элемента...
3.6 Выбор позистора...
3.7 Расчет ТЭНа... 
4 Технико-экономические показатели проекта... 
4.1 Расчет затрат на переоборудование трактора...
4.2 Расчет экономического эффекта от внедрения конструкции...
4.3 Расчет срока окупаемости.................................................... 
5 Безопасность и экологичность проекта......................................... 
5.1 Обеспечение условий и безопасности труда в ОПХ «Баймакское»........................................................................... 
5.2 Мероприятия по обеспечению безопасности при эксплуатации трактора Т-25...
5.3 Мероприятия по охране окружающей среды... 
5.4 Мероприятия по защите населения и ценностей в чрезвычайных ситуациях...
5.5 Выводы по технике безопасности в ОПХ «Баймакское»...
Библиографический список...

Доклад
Исходя из анализа хозяйственной деятельности ОПХ “Баймакское” Баймакского района можно сделать вывод, что данное хозяйство работает в растениводческо-животноводческом направлении. Рентабельность хозяйства за последние 3 года cснижается. Это связано с понижением урожайности сельскохозяйственных культур, увеличением затрат на топливо и рядом других факторов. Одним из путей повышения рентабельности хозяйства на мой взгляд, представляется возможным за счет снижения себестоимости топлива. Одним из перспективных направлений снижения себестоимости топлива является замена дизельного топлива биотопливом на основе рапсового масла.
Зададимся вопросом что необходимо сделать с рапсовом маслом, чтобы его можно было использовать в место дизельного топлива? Чтобы ответить на этот вопрос сравним некоторые физико-химические свойства дизельного топлива и рапсового масла.
Как видно из таблицы 1 рапсовое масло близкими энергетическими возможностями по отношению к дизельному топливу. Отличительная особенность рапсового масла это вязкость которая почти в 11 больше чем у дизельного топлива. Это создает определенные трудности в организации рабочего процесса двигателя, так как увеличивается сопротивление топливоподаче, уменьшается производительность насоса, ухудшается распыливание и смесеобразование. Также необходимо отметить, что рапсовое масло содержит 11% кислорода, за счет этого количество углекислого газа уменьшается на 80%, угарного газа — на 35%, а содержание серы — на 100%. Эти данные показывают, что при работе на рапсовом масле выхлоп двигателя становится намного чише чем у дизельного двигателя.
Данные таблицы 2 свидетельствуют о возможности снижения вязкости рапсового мала путем повышения его температуры.
При использовании рапсового масла в качестве моторного топлива требуется ввести в топливную систему двигателя специальные подогреватели, обеспечивающие нагрев топлива, и как следствие снижение вязкости рапсового масла.
 На следующем листе представлены существующие конструкции подогревателей топлива. Произведем их анализ.
1 Устройство для подогрева жидкого топлива в ДВС
Недостаток данной конструкции это неравномерный нагрев топлива, что снижает точность поддержания температуры топлива, особенно при пуске двигателя в условиях низких температур окружающей среды.
Преимущество этого подогревателя - комбинированный нагрев топлива, простота конструкции.
2 Подогреватель топлива
Недостаток данной конструкции это взаимосвязь электродвигателя и нагревательных элементов. При выходе из стоя ЭД нагревательные элементы тоже перестают работать. У этого устройства при замерзании топлива и отказе электродвигателя перемешивание топлива производится в ручную.
Предлагаемый подогреватель позволяет обеспечить быстрый прогрев необходимого запаса топлива для гарантированного запуска двигателя.
3 Устройство для подогрева жидкости
Недостатком этой конструкции является ограниченный теплосъем с нагревателей и низкая надежность конструкции, так как нагревательные элементы могут повредиться при ударных нагрузках.
4 Саморегулирующийся подогреватель топлива
Недостатком данной конструкции является недостаточная эффективность работы вследствие неравномерности нагрева топлива.
Преимущество этого подогревателя – компактность конструкции.
5 Устройство для подогрева топлива и стабилизации его температуры
Недостаток данной конструкции это сложность конструкции и как следствие высокая цена.
Преимущество устройства это малые габариты и высокая точность поддержания температуры топлива.
Проанализировав все рассмотренные конструкции подогревателей топлива, с учетом их недостатков и преимуществ мною была предложена такая конструкция нагревателя биотоплива, которая будет находиться в топливной системе тракторного дизеля между топливным баком и топливным фильтром грубой очистки.
Также для увеличения эффективности работы в топливный бак установлена нагревательная камера на основе трубчатого нагревательного элемента ТЭНа.
 Принцип работы нагревателя биотоплива
Нагреватель работает следующим образом. Перед запуском двигателя подают электропитание на нагреватель. Под действием тепла, выделяемого позисторами, прогреваются стенки, между которыми образован продольный зазор, и это обеспечивает разрушение парафиновых фракций. Прокачиваемость топлива через продольный зазор улучшается. Производится уверенный пуск и работу дизеля на холостом ходу. При этом эффект прогрева топлива от позисторов усиливается прогревом его от выхлопных газов. В дальнейшем по мере прогрева двигателя температура выхлопных газов повышается, увеличивается теплоотдача, нагреватель полностью разблокируется от парафинов, движение топлива осуществляется по всему проходному сечению, нагреватель выходит на рабочий режим и позисторы отключаются.
 Основные и ответственные детали нагревателя биотоплива такие как фланец, теплопередающий элемент, корпус, штуцер, крышка будут изготавливаться на заводе. После чего будет производиться сборка нагревателя биотоплива.
 На следующем листе приведен тепловой расчет двигателя
По тепловому расчету двигателя произведенному на дизельном топливе и биотопливе, можно сказать что индикаторная диаграмма при работе на биотопливе меньше, а из этого следует что снижается полезная работа. Это объясняется тем что низшая удельная теплота сгорания топлива у биотоплива меньше чем у дизельного топлива. В конечном итоге это немного влияет на выходные параметры двигателя такие как
Для дизельного топлива КПД=0.38.Эффективный удельный расход топлива=0,222 кг/кВт∙ч.
Для биотоплива КПД=0.33.Эффективный удельный расход топлива=0,293кг/кВт∙ч.
И к конечном итоге при переходе с дизельного топлива на биотоплива мы теряем 8% мощности двигателя.
 Для установки нагревателя биотоплива на трактор была разработана технологическая карта. В ней указано кто делает работу, место работы, технические условия и указания, трудоемкость работ на монтаж нагревателя биотоплива переоборудование и подготовку двигателя трактора к пуску.
 Эффективность внедрения конструкции сводится к следующим показателям:
- стоимость модернизации и закупки нагревателя биотоплива 45031,3 руб
- расход топлива:
-до 7 л/км;
-после 8,5 л/км;
-стоимость 1 л топлива:
-до 16 руб;
-после 4 руб;
-годовой экономический эффект 50856 руб;
-срок окупаемости 0,88 года.


2 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ ТОПЛИВА

 При проектировании подогревателя топлива произвел поиск по патент-ным фондам с глубиной до 40 лет. Так же изучил конструкции и работу существующих подогревателей топлива в литературе по автотракторным двигателям.
 Среди всех рассмотренных подогревателей выделил несколько наиболее перспективных для модернизации и усовершенствования.
 Подогреватель топлива по авторскому свидетельству No1160089 листа.

Рисунок 2.1 Устройство для подогрева жидкого топлива в двигателе внутреннего сгорания: 1-корпус; 2-перегородка; 3,4-топливная и обогревательная камеры; 5,6-подающий и отводящий патрубки для топлива соответственно;
7,8-подающий и отводящий патрубки для жидкости соответственно;
9-электронагреватель; 10-привод; 11-блок управления; 12-поплавок;
13-пластина; 14-тензоэлемент; 15-провода; 16-теплоизолирующий материал.
 Устройство для подогрева жидкого топлива в двигателе внутреннего сгорания. Перед пуском двигателя, так как топливо, подаваемое в двигатель не подогрето, блок 11 управления подключает электронагреватель 9 к источнику питания, в связи, с чем топливо, находящееся в топливной камере 3, нагревается и обеспечивает легкий пуск и устойчивая работа двигателя в режиме прогрева. После прогрева двигателя обогревающая жидкость, проходящая через обогревательную камеру 4, через криволинейную перегородку 2 передает тепло жидкому топливу, проходящему через камеру 3.Так как перегородка 2 выполнена криволинейной, то обеспечивается высокая эффективность теплообмена между топливом и жидкостью.
 Жидкое топливо, подаваемое через подводящий патрубок 5 в нижнюю часть топливной камеры 3, подогревается теплом охлаждающей жидкости и электронагревателя 9 и, поднимаясь вверх, подается к дозирующему прис-пособлению (не показано) системы питания через отводящий патрубок 6. С увеличением температуры подогрева топлива его плотность понижается, в связи с чем при заданной температуре топлива поплавок 12 смещается вниз, а тензоэлемент 14 выдает на вход блока 11 управления сигнал, по которому электронагреватель 9 отключается от источника питания. После этого подогрев жидкого топлива осуществляется теплом обогревающей жидкости, проходящей через обогревательную камеру 4. Если тепла, отводимого от жидкости, не хватает для подогрева топлива до заданной температуры, то вследствие увеличившейся плотности топлива поплавок 12 поднимается вверх, а тензоэлемент 14 подает сигнал на вход блока 11 управления, обеспечивающего подключение электронагревателя 9 к источнику питания. После подогрева топлива до заданной температуры электронагреватель 9 отключается от источника питания, как описано.
 Отрицательный эффект данной конструкции заключается в том, что оно не обеспечивает равномерного нагрева топлива. Это снижает точность поддержания температуры топлива, особенно при пуске двигателя и его работы в условиях низких температур окружающей среды.
 Подогреватель топлива по авторскому свидетельству No2030621 листа.
Подогреватель топлива работает следующим образом. Перед запуском двигателя автотранспортного средства при низких температурах включается источник тока 19. Это может быть, как бортовая электрическая система авто-транспортного средства, так и любой внешний источник тока. При прохождении тока через нагревательные элементы (позисторы) 8, они нагреваются и нагревают окружающие их парафинированное топливо. Электрический ток, проходя через позисторы 8, приводит в действие устройство механического перемешивания, например, электродвигатель 5 с мешалкой 7, которая, вращаясь, перемешивает топливо в емкости 3, обеспечивая, таким образом, конвективный теплообмен между движущимся топливом и позисторами 8, что существенно уменьшает период тепловой подготовки системы топливоподачи к запуску. При нагреве топлива до заданной температуры и обеспечении требуемой жидкотекучести, которая является характеристикой позисторов 8, Они отключаются ("запираются"), т.е. сопротивление позисторов 8 возрастает, как минимум, в тысячу раз, что снижает силу тока после позисторов 8 до такой степени, что электродвигатель 5 отключается и перемешивание топлива не происходит. При этом также отключается сигнальная лампочка (не показана), что свидетельствует о готовности системы топливоподачи к запуску. После этого, производится запуск двигателя автотранспортного средства на необходимом для запуска количестве подогретого в емкости 3 топливе.

 Рисунок 2.2 Подогреватель топлива: 1-теплоизолированный топливопровод;
2-бак; 3-емкость; 4 - теплоизолированный материал; 5-электродвигатель; 6-вал;
7-крыльчатка; 8 - позисторы; 9 - полая цилиндрическая кассета;
10,13-перемычки; 11,12,24 - положительный и отрицательные контакты;
14-пробка; 15,17-клеммы; 16,18,21-электропровода; 19-источник тока;
20-корпус контакт; 22-контакт; 23,25-диэлектрические прокладки.
При снижении температуры топлива уменьшается сопротивление позисторов 8, они пропускают электрический ток, которых их нагревает и приводит в действие электродвигатель 5 с крыльчаткой 7 для перемешивания и ускорения прогрева топлива. Таким образом, кроме тепловой подготовки топлива непосредственно перед пуском, подогреватель автоматически поддерживает температуру топлива при работе двигателя автотранспортного средства. При этом целесообразно подключать подогреватель топлива к бортовой электрической системе, а при запуске, особенно при разряженной аккумуляторной батарее целесообразно по-догреватель подключать к внешнему источнику тока. При замерзании топлива и отказе электродвигателя его перемешивание производится вручную, рукояткой (не показана), соединенной с валом 6 крыльчатки 7. Термоизоляция емкости 3 и топливопровода 1 позволяет экономить расход электроэнергии и уменьшить потери тепла.
Предлагаемый подогреватель позволяет обеспечить быстрый прогрев необходимого запаса топлива для гарантированного" запуска двигателя. Включение электродвигателя с мешалкой последовательно после позисторов позволяет не только перемешивать топливо, но главное позволяет обеспечить автоматизацию процесса тепловой подготовки топлива без электронных эле-ментов как например, подогреватели на базе полевых транзисторов, которые очень сложны и дорогостоящи. Стоимость изготовления предлагаемого подогревателя в 12-15 раз меньше транзисторного. Кроме этого, применение в качестве нагревательных элементов позисторов позволяет обеспечить пожароопасность подогревателя. Применение в практике зимней эксплуатации подобных подогревателей, позволяет по экспериментальным данным уменьшить на 10.-15% расход топлива, снизить токсичность отработанных газов на 15-20%. снизить простои по техническим причинам. При этом существенно сокращается продолжительность и трудоемкость тепловой подготовки двигателя при низких температурах.
 Отрицательным качеством данной конструкции является то, что, электродвигатель соединен последовательно с позисторами и в случае выхода из строя позисторов электродвигатель перестает работать. Также необходимость установки электродвигателя удорожает и усложняет конструкцию подогревателя.
 Подогреватель топлива по авторскому свидетельству No2022150 листа.

 Рисунок 2.3 Устройство для подогрева жидкости: 1-корпус; 2,3-основной и дополнительный термоэлектропроводящие элементы соответственно;
4-полупроводниковые нагреватели; 5-цанговый фиксатор; 6,7-токопроводящие контакты; 8-пружина; 9,14-верхняя и нижняя крышки соответственно; 10,15-подводящий и отводящий штуцера соответственно; 11,12,13-отверстия; 16-прокладка; 17-иглообразные выступы; 18,19-выступы.
 Устройство для подогрева жидкости. Устройство подключают к источнику питания ДВС при минусовой температуре окружающего воздуха перед запуском ДВС "при помощи контактов 6 и 7. Ток проходит через токопроводящую пружину 8, дополнительные термоэлектропроводящие элементы 3, достигает полупроводниковых нагревателей 4, которые, нагреваясь, отдают тепло элементам 2 и 3, Вследствие того, что термоэлектропроводящие элементы выполнены в виде отдельных пластин, последние всей поверхностью участвуют в передаче тепла от нагревателя к жидкости.
 Холодное топливо поступает в корпус 1 через расположенные в верх-ней крышке 9 корпуса штуцер 10 и отверстия 11. Обтекая размещенные в корпусе 1 элементы 3 с иглообразными выступами 19, топливо нагревается и направляется к отверстиям 12. При этом отверстия 12 (фигура 3) расположены напротив нагревателей 4, чтобы поток топлива, обтекая их, обеспечивал максимальный теплосъем. Через отверстия 12 нагретое топливо перетекает на нижнюю часть элемента 2 и, перемещаясь от периферии к центру, обтекает иглообразные выступы 17, нагреваясь еще больше.
 Отвод нагретого топлива осуществляется через отводящий штуцер 15.
 Конструкция достаточно сложная, что приводит к снижению надежности ее работы.
 Подогреватель топлива по авторскому свидетельству No2052150 листа.

  Рисунок 2.4 Саморегулирующийся подогреватель топлива: 1-корпус;2-нагревательный элемент; 3,4-контактные болты; 5-кожух; 6-спираль;
7-турбулизатор; 8-прокладка.
 Саморегулирующийся подогреватель топлива. Посредством болтов 3 и 4 подогреватель электрически соединяют с электросистемой подвижного транспортного средства и оставляют постоянно включенным. При неработающем двигателе движения топлива через подогреватель нет. Та часть топлива, которая находится в подогревателе, нагревается и передает часть теплоты через прокладку 8 керамическому нагревательному элементу (позистору) 2, который при этом увеличивает свое сопротивление, и ток в цепи снижается. За счет термосифонной передачи теплоты от топлива в подогревателе к топливу в баке происходит периодическое самовключение нагревателя с незначительным значением тока в цепи. Во время запуска и при дальнейшей работе двигателя теплообмен в подогревателе возрастает и керамический нагревательный элемент 2 (позистор) более длительное время находится в "открытом" состоянии и ток в цепи нагревателей при этом максимальный. При этом основной нагрев происходит от работы нихромовой спирали 6. По мере нагревания часть теплоты передается по корпусу через прокладку 8 к позистору и сопротивление в цепи увеличивается, что приводит к снижению тока, а следовательно, и мощности подогревателя. Для более интенсивного уравнения температуры в подогревателе и его равномерного нагрева служит турбулизатор 7.
 Данная конструкция не обеспечивает немедленного прогрева топлива, что приводит к простою транспорта для прогрева топлива.
 Подогреватель топлива по авторскому свидетельству No2002095 листа.
Устройство для подогрева топлива и стабилизации его температуры. Топли-во поступает через штуцер 18 в кольцевой сборник 21. Далее через окна топливо поступает в канал 8, где омывает термочувствительный элемент 7 и затем через штуцер 5 подается в топливную систему двигателя.
 Если температура топлива ниже необходимой, то обечайка 11, закрепленная на силовом штоке 9, перекрывает окна ряда, расположенного в зоне кольцевого сборника 21. Топливо из сборника 21 через канал 19, где оно через стенку корпуса 1 нагревается за счет теплоты жидкости системы охлаждения, и окна, размещенные у днища 2 корпуса 1, поступает во внутреннюю полость, образованную направляющей 3, обечайкой 11 и днищем 2. а затем в канал 8.

 Рисунок 2.5 Устройство для подогрева топлива и стабилизации его тем-пературы: 1-корпус; 2-днище; 3-направляющая; 4-наконечник; 5-штуцер для отвода топлива; 6-крепежный элемент; 7-термочувствительный элемент;
8-цилиндрический канал; 9-силовой шток; 10-винт; 11-обечайка; 12-водяная рубашка; 13-днище водяной рубашки; 14-зазар; 15,19-канал; 16-щтуцер для подвода жидкости; 17-щтуцер для отвода жидкости; 18-штуцер для подвода топлива; 20-внутренная полость; 21-кольцевой сборник.
 Если температура топлива повышается выше необходимой, то силовой шток 9 термочувствительного элемента 7 перемещает закрепленную на нем обечайку 11 влево, полностью или частично перекрывая окна, расположенные у днища 2 и открывая окна, размещенные в зоне кольцевого сборника 21, открывая доступ топлива непосредственно из сборника 21 в канал 8.
Таким образом, осуществляется стабилизация температуры топлива на выходе из устройства.
Подогрев топлива в канале 19 осуществляется за счет теплоты жидкости системы охлаждения двигателя, поступающей через штуцер 16 в зазор 14, затем в канал 15 и штуцер 17.
  Данная конструкция подогревателя имеет низкую точность регулирования.
 Проанализировав все рассмотренные конструкции подогревателей топлива, установил, что все они имеют свои недостатки. Таким образом, новая кон-
струкция подогревателя топлива должна быть достаточно надежна, обеспечивать необходимую температуру нагрева топлива при минимальных затратах энергии. Так же она должна быть проста в изготовлении и обслуживании, экономически обоснованной.

3 РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ НАГРЕВАТЕЛЯ
ТОПЛИВА
 Прежде чем начать конструирование нагревателя топлива необходимо произвести сравнение дизельного топлива с рапсовым маслом и произвести тепловой расчет двигателя на дизельном топливе и рапсовом масле.

3.1 Показатели дизельного топлива и рапсового масла
 Ниже проанализированы наиболее важные характеристики рапсового масла (в сравнении с товарным дизельным топливом).
 Растительные масла являются липидами, эфирами жирных кислот или глицеринами. Обладая высокой теплотворной способностью, они содержат прямые углеводородные цепи, что обуславливает их относительно высокие цетановые числа. В таблице 1 приведены значения низшей теплоты сгорания, вязкости и цетанового числа рапсового масла и дизельного топлива среднего состава.
Таблица 3.1 Физико-химические показатели рапсового масла и товарного оС дизельного топлива.
Вид топлива Низшая теп-лота сгора-ния, кДж/кг Плотность при 15 оС, кг/м3 Цетановое число Вязкость при 20 оС, мм2/с
Рапсовое масло 37300 915 32...37,6 68,8
Дизельное топливо 42500 840 45 6
 Как видно из таблицы 3.1, рапсовое масло обладает близкими энергетическими возможностями по отношению к дизельному топливу, но его вязкость в 11с лишнем раза выше. Это создает определенные трудности в организации рабочего процесса дизеля, т.к. увеличивает сопротивление топливоподаче, уменьшает производительность топливного насоса, ухудшает распыливание и смесеобразование. Все это приведет (если не принять необходимые меры) к увеличению удельного расхода топлива и интенсивному нагароотложению на стенки деталей цилиндро-поршневой группы двигателя.
 С целью снижения вязкости рапсового масла можно снижать его температуру (таблица 3.2).
Таблица 3.2 Влияние температуры на плотность и вязкость рапсового масла.
Вязкость,мм3/с при температурах, оС
69,5 31,5 16,8 10,2
Плотность масла, кг/м3
20 оС 40 оС 60 оС 80 оС
918 904,2 890,5 877
 Данные таблицы 3.2 свидетельствуют о возможности снижения вязкости рапсового масла путем его подогрева.
 При использовании рапсового масла в качестве моторного топлива требуется ввести в топливную систему двигателя специальные подогреватели (теплообменники), обеспечивающие его локальный подогрев и, как следствие, снижающий вязкость.
 Вязкость рапсового масла можно снижать, как показывают литературные данные, и замещением трехвалентных молекул глицерина посредством добавления небольшого количества метанола или этанола. На 1000 кг растительного масла обычно добавляют 110 кг метилового или этилового спирта и получают 1000 кг метилового или этилового эфира и 110 кг глицерина.
 После такой трансэтерфикации (замещения трехвалентных молекул глицерина тремя одновалентными молекулами спирта) рапсовое масло приобретает свойства, весьма близкие к дизельному топливу (таблице 3).
Таблица 3.3 Показатели рапсового масла после метилэтерфикации.
Температура воспламенения, оС Вязкость при 20 оС, мм2/с Минимальное це-тановое число Низшая тепло-творная способ-ность, кДж/кг
81 5,1 54 34300
 Достигнутые, положительные качества объясняются тем, что добавлен-ные метилы и этилэфиры по сравнению с рапсовым маслом имеют лучшие моторные качества. К тому же при их использовании на стенках деталей ци-линдро-поршневой группы не образуют нагароотложения.
 Однако эфиры (особенно метилэфиры) нестабильны (при низких температурах образуют кристаллы масличного эфира) и поэтому требуют частого контроля качества. К тому же они взаимодействуют с материалами деталей топливной системы. Эти обстоятельства затрудняют применение трансэтерфикации.
 Важными характеристиками рапсового масла являются йодное число, характеризующее термическую стабильность рапсового масла, и кислотность, определяющая коррозийный износ деталей системы топливоподачи и степень на тепловыделения при сгорании.
  Как видно из таблицы 3.4, рапсовое масло имеет незначительные показатели кислотности и Йодного числа.
Таблица 3.4 Некоторые химические показатели растительных масел.
Рапсовое масло Йодное число Кислотность, мгКОН/г
 95...106 4...6
 Это результат того, что насыщенные масла, к числу которых относятся и рапсовое, имеют лучшие сами по себе характеристики, чем не насыщенные, например, подсолнечное.
  Величина поверхностного натяжения масла позволяет судить о возможности возникновения проблем её испарения и отрыва капель с поверхности камеры сгорания. В таблице 3.5 приведены данные поверхностного натяжения рапсового масла на границе топливо-воздух при 101,3 кПа.
Таблица 3.5 Значения величины поверхностного натяжения рапсового мас-ла и дизельного топлива.
Вид топлива Величина поверхностного натяжения, дин/см (при 20оС)
Рапсовое масло неочищенное Рафинированное
 34,5 35,8
Дизельное топливо 26..30
 Характеристики результатов испытаний рапсового масла и дизельного топлива при пониженных температурах позволяют предусмотреть мероприятия для сохранения работоспособности систем топливоподачи и фильтрации. В таблице 3.6 приведены эти характеристики для рапсового масла и дизельного топлива - температуры помутнения, застывания, фильтруемости и плавления.
Таблица 3.6 Некоторые физические показатели рапсового масла и дизельного топлива.
Вид топлива Температура, оС
 помутнения застывания фильтруемости
Рапсовое масло -9 -5 15
Дизельное топли-во ≤0 ≤-7 ≤0
 В целом, по совокупности рассмотренных физико-химические показате-лей в целом можно утвердить, что для производства биотоплива вполне может использоваться рапсовое масло. Основой при этом является обязательный подогрев с целью снижения его вязкости.

3.2 Тепловой расчет двигателя

3.2.1  Процесс впуска
Температура Та в К в конце процесса впуска определяем по формуле:

  (3.1)
где То – температура окружающей среды, К;
∆ Т – подогрев свежего заряда, К;
r - коэффициент остаточных газов;
Тr – температура остаточных газов, К;
То= 293 К при работе двигателя без наддува.
∆ Т = 10...40о – для дизеля без наддува. Он зависит от конструкции и установки на двигатель впускного трубопровода, оптимизации его подогрева и скоростного режима двигателя. Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда и, таким образом, отрицательно влияет на наполнение двигателя.
Принимаем для дизельного топлива ∆Т = 25о, для биотоплива ∆Т = 100о;
r- характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания. С увеличением r уменьшается количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процесса впуска. Для 2-х тактных дизелей без наддува r = 0,03...0,06
Примем для дизельного топлива r = 0,03, для биотоплива дr = 0,06.
В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения и коэф-фициента избытка воздуха устанавливается значение температуры Тr .
Тr = 700...900 К.
Принимаем для дизельного топлива Тr = 850 К, для биотоплива Тr=700 К.
Подставив все значения в формулу (3.1) найдем температуру в конце процесса впуска и биотоплива:
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Давление Ра в кПа в конце впуска находим по формуле:
     (3.2)
где Ро – давление окружающей среды. Примем Ро = 100 кПа.
-для дизельного топлива:
Ра = (0,85...0,9)∙100 = 0,90∙100 = 90 кПа,
-для биотоплива:
Ра = (0,85...0,9)∙100 = 0,85∙100 = 85 кПа,
Коэффициент ηv наполнения найден по формуле:
= ∙    (3.3)
где Е - степень сжатия,
Рr – давление остаточных газов, кПа.
Для двигателя Д-21 Е = 16.
Для автотракторных двигателей без наддува, а также с поддувом и вы-пуском в атмосферу давление остаточных газов Pr в кПа найдем по формуле:
  (3.4)
-для дизельного топлива:
Рr = 1,25100 кПа = 125 кПа.
-для дизельного топлива:
Рr = 1,05100 кПа = 105 кПа.
Подставив все значения найдем :
-для дизельного топлива:
= ;
-для биотоплива:
= .

3.2.2 Процесс сжатия
Давление Pс в кПа и температура Тс в К в конце процесса сжатия определяют по уравнению политропического процесса с постоянным показателем n1:
(3.5)
где n1 – средний показатель политропы сжатия.
Величину n1 можно определить по эмпирической формуле профессора В.А. Петрова, как функцию угловой скорости вращения коленвала:
- для двигателя Д-21
      (3.6)
где - угловая скорость коленчатого вала, мин-1,
Находится в мин-1 по формуле:
          (3.7)
где n – частота вращения коленчатого вала, мин-1,
Для двигателя Д-21 n = 1600 мин-1.
Отсюда найдем :

Подставив в формулу (3.6) найдем n1:

Найдем Рс по формуле (3.5):
-для дизельного топлива:
Рс = 90161,35=3961,4 кПа
-для биотоплива:
Рс = 85161,35=3589 кПа
Аналогично найдем температуру Тс в К в конце сжатия по формуле:
(3.8)
-для дизельного топлива:
Тс = 333,5161,35-1= 889,6 К
-для биотоплива:
Тс = 410,3161,35-1= 1082,8 К

3.2.3 Процесс сгорания
Состав топлива, задается массовым или объемным содержанием основ-ных элементов: углерода С, водорода Н и кислорода О2. Нужно иметь в виду, что в топливе присутствуют также сера S, азот N и элементы химических соединений в виде антидетонационных, противодымных и других присадок. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива Lo в кмоль/кг найден по формуле:
      (3.9)
где 0,21 – значение объемного содержания кислорода в 1 кг воздуха
С - содержание углерода в топливе, кмоль;
Н – содержание водорода в топливе, кмоль;
О – содержание кислорода в топливе, кмоль.
Для дизельного топлива С = 0,87 кмоль; Н = 0, 124 кмоль, О = 0,004 кмоль;
Для биотоплива С = 0,6 кмоль; Н = 0,124 кмоль, О = 0,011 кмоль.
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Действительное количество воздуха L в моль/кг определяем по формуле:
      (3.10)
где - коэффициент избытка воздуха. = 1,65...1,2:
Принимаю для дизельного топлива = 1,65, для биотоплива = 1,2.
Найдем L по формуле (3.10):
-для дизельного топлива:
L= 1,650,492 = 0,81 моль/кг
-для биотоплива:
L= 1,20,38 = 0,456 моль/кг
Число молей продуктов сгорания 1 кг топлива М ищем по формуле:
-при α > 1
   (3.11)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Химический коэффициент молярного изменения βо можно вычислить по формуле:
,     (3.12)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

А действительный коэффициент молярного изменения β найдем по фор-муле:
     (3.13)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Определяем теплоемкость газов μСcv в кДж/кмоль∙град для чистого воз-духа по формуле:
        (3.14)
где а =20,16; в = 1,73810-3 – постоянные коэффициенты
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Теплоемкость продуктов сгорания μСzv кДж/кмоль∙град при > 1 определим из формулы:
      (3.15)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

А теплоемкость μСzр кДж/кмоль∙град при постоянном давлении найдем по формуле:
     (3.16)
где R–универсальная газовая постоянная, она равна R=8,314;
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Температура в конце сгорания Тz в К для дизеля определяется из формулы:
  (3.17)
где - коэффициент использования тепла;
Qн – низшая удельная теплота сгорания, кДж/кг;
- степень нарастания давления;

Для дизельного топлива: = 0,7...0,9, примем = 0,85.
Низшая удельная теплотворность равна Qн = 42500 кДж/кг.
Для биотоплива: примем = 0,7;
Низшая удельная теплотворность равна Qн = 37300 кДж/кг
Для вихрекамерных и предкамерных = 1,4...1,8.Примем =1,6.
Выбираем = 0,85, потому что у данного двигателя совершенная форма камеры сгорания за счет чего уменьшаются потери теплоты от газов в стенки.
Величина для дизелей устанавливается по опытным данным в основном в зависимости от количества топлива, подаваемого в цилиндр, формы камеры сгорания и способа смесеобразования. Выбрал =1,6 так как давление в конце процесса сжатия высокое и если выбрать большее значение , то Рс увеличится, что следовательно будет требовать более дорогой материал поршневой группы.
Подставив значения, получаем:
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Преобразовав выражение получим квадратное уравнение:
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Решая эти уравнения получили:
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Подставив значение Тz найдем значение теплоемкости продуктов сгорания:
-для дизельного топлива:


-для биотоплива:


Давление Рz в кПа в конце сгорания найдем по формуле:
       (3.18)
-для дизельного двигателя:

-для биотоплива:


3.2.4 Процесс расширения
В результате осуществления процесса расширения происходит преобразование тепловой энергии топлива в механическую работу. В реальных двигателях расширение протекает по сложному закону, зависящий от теплообмена между газами и окружающими стенками, величины подвода теплоты, а результате догорания топлива и восстановления продуктов диссоциации, утечки газов через неплотности и другое. Процесс в действительном цикле протекает по политропе.
Степень предварительного расширения ρ находится по формуле:
      (3.19)


-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Степень последующего расширения δ найдем по формуле:
     (3.20)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Находим давление Ре в кПа в конце расширения по формуле:
     (3.21)
где n2 – показатель политропы расширения.
Показатель политропы расширения n2 можно определить по эмпириче-ской формуле профессора В.А. Петрова:
Для дизельного двигателя:
     (3.22)
Найдем это значение:

Находим давление в конце сжатия Ре:
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Температура Те в К в конце расширения:
     (3.23)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:


3.2.5 Процесс выхлопа
В современных двигателях открытие выпускного канала проходит за 40-80о до и.м.т. и с этого момента начинается истечение отработавших газов с критической скоростью 600-700 м/с. За этот период, заканчивающиеся в близи и.м.т. в двигателях без наддува и несколько позже при наддуве, удаляется 60-70% отработавших газов. При дальнейшем движении поршня к В.М.Т. истечение газов происходит со скоростью 200-250 м/м и к концу выпуска не превышает 60-100 м\с. Средняя скорость истечения газов за период выпуска на номинальном режиме находится в пределах 60-150 м\с. Закрытие выпускного клапана происходит через 10о-50о после В.М.Т., что повышает качество очистки цилиндра за счет эжекционного свойства потока газа, выходящего из цилиндра с большой скоростью.
Давление Рr в кПа в конце выхлопа найдем из формулы:
   (3.24)
где kr = 1,05...1,25 для двигателей без наддува;
-для дизельного топлива:


-для биотоплива:


3.2.6 Индикаторные показатели работы двигателя
Среднее индикаторное давление Рi в кПа для дизеля найдем из формулы:
  (3.25)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Действительное среднее индикаторное давление Рiан в кПа с учетом ок-ругления диаграммы и затрат на осуществление насосных ходов поршня определим из уравнения:
      (3.26)
где ;
- коэффициент округления.
Коэффициент округления = 0,92...0,95.Возьмем =0,95.
-для дизельного топлива:
Рiан= 0,95916,6 -125-90=835,7 кПа
-для биотоплива:
Рiан= 0,95855,5 -105-90=797,7 кПа
Среднее индикаторное давление Рi- такое условное постоянное давле-ние, которое действуя в течении 1 хода поршня совершает такую же работу что и переменное давление внутри цилиндра двигателя. Значит, величина среднего индикаторного давления характеризует тепловую напряженность работы двигателя.
Процент несовпадения величин среднего индикаторного давления ∆Рi в %, вычисленных, аналитически и графически определяется по выражению:
      (3.27)
Допустимая погрешность ∆Рi=3...5%;
-для дизельного топлива:
Рiгр =900 кПа;
Рiгр=0,95900-(125-90)=820 кПа;

-для биотоплива:
Рiгр =845 кПа;
Рiгр=0,95845-(105-90)=787,7 кПа;

Индикаторный коэффициент полезного действия ηi определяется по формуле:
   (3.28)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Затем найдем индикаторный удельный расход топлива gi в кг/кВт∙ч находим по формуле:
    (3.29)


-для дизельного топлива:

-для биотоплива:


3.2.7 Эффективные показатели работы двигателя
Эффективные показатели работы двигателя, отличается от индикаторных наличием необходимых затрат на преодоление различных механических сопротивлений.
Среднее эффективное давление Ре в кПа найдем по формуле:
    (3.30)
где Рм- механические потери в кПа, вычисляемые по эмпирической формуле:
     (3.31)
где Сn- средняя скорость поршня.
Сn для тракторных дизелей лежит в пределе 6...11 м/с. Принимаем Сn=7,5 потому что увеличение средней скорости поршня возрастают механические потери, повышается тепловая напряженность двигателей, сокращается срок службы двигателя.
Рм=0,9+(0,117,5)102=172,5 кПа
Подставим Рм в формулу (3.30) и найдем Ре:
-для дизельного топлива:
Ре= 835,7 – 172,5=663,2 кПа
-для биотоплива:
Ре= 797,7 – 172,5=625,2 кПа
Найдем эффективный коэффициент полезного действия ηе из выражения:
,     (3.32)
где м- механический коэффициент полезного действия;
Его можно найти из выражения:
,       (3.33)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Определим коэффициент полезного действия е:
-для дизельного топлива:
е=0,480,79=0,38
-для биотоплива:
е=0,420,78=0,33
Эффективный удельный расход топлива gе в кг/кВтч найдем из выражения:
    (3.34)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:


3.3 Тепловой баланс двигателя
Тепловой баланс двигателя характеризует распределение теплоты, выделяемой при сгорании топлива, вводимого в цилиндры двигателя на полезно используемую и отдельные виды потерь характеризуется внешним тепловым балансом. Характер распределения теплоты сгорания по составляющим внешнего теплового баланса определяется особенностями рабочего процесса, а также геометрическими размерами цилиндропоршневой группы, конструкцией деталей и системы охлаждения.
Внешний тепловой баланс в целом и отдельные его составляющие в частности позволяют оценить показатели теплонапряженности деталей двигателя, рассчитать систему охлаждения, определить резервы в использовании теплоты обработавших газов и пути повышения экономичности двигателя.

3.3.1 Общее количество теплоты
Общее количество теплоты Q в кДж/ч, введенной в двигатель с топливом находим по формуле:
Q=QnGт,       (3.35)
где Gт- часовой расход топлива.
Qn-низшая удельная теплота сгорания.
Часовой расход топлива Gт в кг/ч находится по формуле:
Gт=Nege,       (3.36)
-для дизельного топлива:
Gт=150,222=3,33 кг/ч;
Низшая удельная теплота сгорания Qн=42500 кДж/кг.
Q=425003,233=138656,25 кДж/ч;
-для биотоплива:
Gт=150,293=4,39 кг/ч;
Низшая удельная теплота сгорания Qн=37300 кДж/кг.
Q=373004,39=163747 кДж/ч.

3.3.2 Теплота, эквивалентная эффективной работе
Теплота, эквивалентная эффективной работе Qe в кДж/ч найдем из выражения:
Qe=3600Ne, (3.37)
где Ne- эффективная мощность, кВт; для двигателя Д-21 Ne=15 кВт.
-для дизельного топлива:
Qe=360015=54000 кДж/ч;
Процентное количество тепла qе в % , расходуемая на совершение работы:
,    (3.38)
Найдем процентное количество тепла qе:

-для биотоплива:


3.3.3 Теплота передаваемая охлаждающей среде
Теплота Qв в кДж/ч передаваемая охлаждающей среде для дизелей без наддува:
(3.39)
где C- коэффициент, равный 0,45...0,53
i - число цилиндров;
D – диаметр цилиндра, см;
n – частота, вращения коленчатого вала, мин-1;
- коэффициент избытка воздуха.
Примем:
С=0,45; i=2; D=10,5 см; n= 1600 мин-1; =1,65.
Зная все величины найдем, теплоту передаваемую охлаждающей среде Qв:

Процентное количество тепла qe в % , передаваемое охлаждающей среде найдем по формуле:
(3.40)
Найдем количества теплоты qe:

-для биотоплива:
Примем коэффициент избытка воздуха =1,2:



3.3.4 Теплота, уносимая с отработавшими газами
Теплота Qв в кДж/ч, уносимая с отработавшими газами находится по формуле:
(3.41)
где Ср – средняя теплоемкость отработавших газов при постоянном давле-нии;
Средняя теплоемкость равно Ср – 1,04 кДж/кгград;
Тr и То – температуры отработавших газов и окружающей среды, К;
- для дизельного топлива;
Берем из предыдущих расчетов Тr = 850 К; То = 293 К;
Gв и Gт - количества поступившего в цилиндр воздуха и топлива, кг/ч;
Количества поступившего в цилиндр воздуха Gв в кг/ч найдем из выражения:
Gв=14,5 Gт,       (3.42)
где Gт-часовой расход топлива, кг/ч; Gт=3,3635
Подставив часовой расход топлива Gт найдем Gв:
Gв=14,51,653,3635=78,05 кг/ч.
Подставив значения в уравнение (3.41) вычислим Qr:
Qr= 1,04850-29378,05-3,2625=40210 кДж/ч
Процентное количество теплоты qr в %, уносимое с отработавшими газами:
           (3.43)
Найдем количество теплоты qr:

-для биотоплива:
Температура выхлопных газов Тr = 700 К;
Gв=14,51,24,39=76,3 кг/ч;
Qr= 1,04700-29376,3-4,39=30438 кДж/ч;


3.3.5 Неучтенные потери теплоты
Неучтенные потери Qн.у. в кДж/ч находятся по формуле:
      (3.44)
Найдем неучтенные потери Qн.у.:

Процентное количество тепла qн.у в % на неучтенные потери находим по выражению:
       (3.45)
Найдем процентное количество тепла qн.у :



Рисунок 3.1. Схема теплового баланса двигателя на дизельном топливе.
-для биотоплива:
Найдем неучтенные потери Qн.у.:

Найдем процентное количество тепла qн.у :


Рисунок 3.2 Схема теплового баланса двигателя работающим на биотопливе.
3.4 Конструирование нагревателя биотоплива
Подогреватели для топливных систем двигателей автомобилей и трак-торов, работающих на дизельном и биодизельном топливе при низких темпе-ратурах.
 Прогрева требуют почти все элементы топливной системы - топливные баки, фильтры тонкой и грубой очисток топлива и топливопроводы (от бака до топливных насосов).
 В случае промерзания указанных элементов топливных систем запуск двигателя без предварительного подогрева вообще становится невозможным (даже при хорошо прогретом блоке самого дизеля). Поэтому при использовании рапсового масла наряду с жидкостными подогревателями, обеспечивающими прогрев блока холодного двигателя, должны быть предусмотрены подогреватели топлива и в элементах топливной системы. Самым эффективным по доступности и простоте конструкции следует признать электроподогрев от аккумуляторной батареи, причем в течение короткого времени с тем, чтобы сильно не разряжать при этом саму батарею.
Нагреватель дизеля транспортного средства содержит корпус 1 а виде цилиндрической трубы с патрубком 2 для подвода и патрубком 3 для отвода топлива и размещенный внутри корпуса 1 соосно ему тепло-передающий элемент в виде трубы 4 с фланцам

ФГОУ ВПО «БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»


Факультет: «Механизация сельского хозяйства»
Кафедра: «Автотракторные двигатели и теплотехника»
Специальность: 311300 «Механизация сельского хозяйства»
Специализация: «Эксплуатация сельскохозяйственной техники»
Форма обучения: очная


ЯГОДИН РУСЛАН ВАЛЕРЬЕВИЧ
РАЗРАБОТКА ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ ТРАКТОРНОГО
ДИЗЕЛЯ ДЛЯ РАБОТЫ НА БИОТОПЛИВЕ
Дипломный проект

Руководитель: ст.преп. Динисламов М.Г.
_______________
Консультанты:
- по экономике ст.преп. Сафина З.Ф.
_______________
- по безопасности жизне-
деятельности: к.т.н., доцент Губайдуллин Н.М.

_______________
«К защите допускаю»
Зав. кафедрой:
д.т.н., проф. Баширов Р.М. Нормоконтроль: к.т.н., ассистент Инсафуддинов С.З.
_______________
_______________  Рецензент: к.т.н., доцент Фасхутдинов В.З.
_______________
« » июня 2006 г. 



Уфа 2006