Возможные альтернативные топлива для автотракторных двигателей.

Возможные альтернативные топлива для автотракторных двигателей.

Широкое использование альтернативных топлив - газа, биогаза, метанола, рапса и др.

Особый интерес представляет природный газ (его октановое число – 104). По предварительным данным, при использовании газа в два раза снижаются расходы на топливо.

Биогаз из растительных остатков, например, из навоза.

Вообще же на биомассы в мире приходятся около 15% всех энергоносителей.

Перспективен как топливо метанол (СН₃ОН) – метиловый спирт (в отличии от обычного этилового спирта C₂H₅ОН очень ядовит), имеющий высокое октановое число. По теплоте сгорания он в два раза уступает бензину. Поэтому при его использовании объем топливного бака приходится удваивать.

Получают его по схеме уголь®метан (СН₂) и его окисляя®метанол.

Метанол является идеальным топливом для двигателей с искровым зажиганием (ДсИЗ). Он позволяет увеличить степень сжатия этих двигателей и приблизить их по экономичности к дизелям. Метанол можно использовать и в смеси с бензином. При добавлении в бензин 10…20% метанола можно обходиться без антидетонационных присадок.

Большую перспективу имеет и рапсовое масло, поскольку по удельной теплоте сгорания оно существенно не уступает дизельному топливу. Выгодное отличие его заключается в том, что содержание кислорода в нем намного выше, чем у дизельного топлива – около 11%.

Продукты сгорания рапсового масла не токсичны и легко поддаются биологическому разложению. При сгорании рапсового масла в атмосферу выбрасывается ровно столько двуокиси углерода, сколько рапс брал из нее для своего роста. При современных ценах, как показывают простейшие расчеты, рапсовое масло может оказаться дешевле дизельного топлива на 25%.

Первые двигатели, работающие на рапсовом масле, были созданы за рубежом в 1975 году и установлены на легковые автомобили. Расход топлива был таким же, что и при топливе нефтяного происхождения – составлял 5-6 литров на 100 километров (при мощности 70 л.с.).

Растительные масла, к которым относится и рапсовое, являются липидами (эфирами жирных кислот) или глицеринами. Обладая высокой теплотворной способностью, они содержат прямые углеводородные цепи, что обуславливает их относительно высокие цетановые числа. Рапсовое масло обладает близкими к дизельному топливу энергетическими возможностями, но вязкость его в 11 с лишнем раз 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 приводит (если не принять необходимые меры) к увеличению удельного расхода топлива и интенсивному нагароотложению на стенки деталей цилиндро-поршневой группы двигателя.

При этом рапсовое масло приобретает свойства, приближающие его к дизельному топливу

При использовании рапсового масла в качестве моторного топлива требуется ввести в топливную систему двигателя специальные подогреватели (теплообменники), обеспечивающие его локальный подогрев и, как следствие, снижающие вязкость.

Вязкость рапсового масла можно снижать и замещением трехвалентных молекул глицерина одновалентными молекулами спирта посредством добавления небольшого количества метанола или этанола (трансэтерфикацией). 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.

В качестве топлива в ДВС может применяться и водород.

Водород – один из самых легких газов – он в 14 раз легче воздуха, а жидкий водород в 13 раз легче авиационных топлив. В то же время теплота его сгорания в три раза больше теплоты сгорания бензина.

Водород обладает рядом и других серьезных преимуществ по сравнению с другими топливами – быстро и хорошо образует смесь с воздухом, не создает проблему реконденсации и испарения, допускает быстрое обогащение смеси как при пуске ДВС, так и при разгоне автомобиля, не выделяет осадков, что гарантирует отсутствие окислений в камере сгорания, имеет более широкие границы воспламенения по сравнению с бензином – допускает нормальное воспламенение при коэффициентах избытка воздуха от 0,13 до 10,2 (это позволяет обеспечить качественное регулирование рабочей смеси даже без использования дроссельной заслонки и существенно повысить к.п.д. ДВС) и отличается более высокой максимальной скоростью сгорания. Токсичность выхлопных газов при нем намного ниже.

 

 

Место ДВС в с.х. энергетике.

На сегодня основным энергетическим источником в сельскохозяйственном производстве стали тепловые ДВС, применяемые в автомобилях, тракторах, комбайнах и др.

К тепловым машинам относятся, кроме д.в.с., паровые двигатели, двигатели Стерлинга, холодильные установки и т.д. По Лавуазье, и человеческий организм (отсюда следует и любой другой) также тепловая машина.

Основным энергетическим источником в тракторах, автомобилях, комбайнах является ДВС.

ДВС – самые экономичные двигатели: полнота преобразования тепла на полезную работу (эффективный к.п.д. h_е) достигает до 0,45 (в дизелях).

Современные ДВС рабаотают на горюче-смазочных материалах нефтяного происхождения.

Экономия горюче-смазочных материалов является одной из важных проблем сельскохозяйственного производства, успешность решения которой зависят от целого ряда факторов. Так большой эффект дает увеличение приходящихся на один трактор сельскохозяйственных машин.

Для экономии топлива целесообразно оснащение машинно-тракторного парка сельскохозяйственной техникой нового поколения (тракторами с повышенной единичной мощностью); комбинированными многооперационными машинами (выполняющими не менее 50% всех операций за один проход) и т.д.

Серьезным резервом является внедрение перспективных технологий возделывания и уборки основных сельскохозяйственных культур, реализующих технические возможности нового поколения машин; оно позволяет уменьшить потребность в тракторах на 36%, в сельскохозяйственных машинах – в 3,2 раза, зерноуборочных комбайнах – в 2,5 раза, механизаторах – на 31%, снизив при этом расход топлива на 27%, а себестоимость основных видов продукции – почти на 30%.

Особый эффект может дать минимизация обработки почвы (на 30,35% позволяет экономить топливо), рационализация технологии уборки с.х. культур и вообще ориентация на менее энергоемкие операции.

Большой эффект дает и переход на гусеничные тракторы (снижает расход топлива на 8-9%). По данным Сев.Кав. МИС, расход топлива при выполнении с.х. операции гусеничными тракторами (например, ДТ-75М) на 9-20% ниже, чем колесными тракторами (Т-150К, К-701).

Мощность ДВС. Что она из себя представляет и в каких единицах измеряется.

Отличают индикаторные (газовые) и эффективные (соответствующие выходу коленчатого вала) мощности – N_i и N_e.

Мощность – работа, совершаемая за секунду. Измеряется в л.с. или в кВт (1 кВт = 1,36 л.с.).

Такая единица как лошадиная сила представляется не совсем удачной, поскольку при ее использовании у обучающихся понятие «мощность» обычно ассоциируется с понятием «сила».

Более удачным представляется термин – «лошадиная единица» (л.е.).

Диапазон мощностей автотракторных ДВС – 7…313 кВт (и более), а вообще у двигателей отечественного производства до 18382 кВт.

Для сравнения также отметим, что кратковременная мощность человека составляет около 1 кВт, а длительная – вдесятеро меньше. Мощность трехлинейной русской винтовки – 2400 кВт (в 10 раз больше мощности двигателя трактора К-701), мощность кита (его хвостового плавника) – 500 л.с. Танки времен Великой отечественной войны Т-34, КВ, ИС были оснащены двигателями В-2 мощностью около 440 кВт. Г. Гудериан считал, что двигатель танка должен считаться таким же оружием, как и пушка.

Почему при проектировании двигателей стараются увеличить их обороты и снизить коэффициент короткоходности.

Возможные схемы наддува

Возможны механический, газотурбинный и резонансный наддувы.

Механический наддув - нагнетатель воздуха имеет механический привод от коленчатого вала двигателя (рисунок 1).

Рисунок 1 Схема ДВС с механическим наддувом

При этом нагнетатели могут быть поршневыми, полостными (ЯАЗ-204) и коловратными (шиберными). Жесткая связь между нагнетателем и коленчатым валом обеспечивает большее давление на впуске, чем на выпуске и более высокое давление воздуха на малых частотах вращения.

Недостаток механического наддува – большие затраты мощности на привод и конструктивная сложность.

Рисунок 2 Схема двигателя с нагнетателем типа Рутс

Газотурбинный наддув - центробежный компрессор приводится турбиной, работающей от энергии выхлопных газов. Он был запатентован в 1905 г. швейцарским инженером Альфредом Бью. Практическое его применение началось в 30 ^х годах. Преимущество такого наддува – простота конструкции наддувочного агрегата и высокая экономичность работы двигателя.

В четырехтактных двигателях, например, при внедрении газотурбинного наддува, минимальный удельный расход топлива снижается на 8…14 г/(кВт×ч).

Рисунок 8 Схема работы двигателя с ТКР (при перепуске газов): 1 - цилиндр; 2 - мембрана; 3 - пружина; 4 - перепускной клапан; 5 - турбина; 6 - компрессор

Резонансный наддув представляет определенный интерес ввиду простоты схемы осуществления. Он основан на резонансных колебательных явлениях в системе газообмена.

При наддуве, естественно, возрастают максимальные температура и давление газов в цилиндре.

С целью снижения температуры используют промежуточное охлаждение воздуха (применяя воздухо-воздушные – при наличии встречного потока, например, в автомобилях или жидкостно-воздушные – в тракторах и др. охладители с установкой их перед масляным или жидкостным радиторами двигателя). Промежуточное охлаждение способствует и дальнейшему повышению весового наполнения цилиндров воздухом.

Индикаторной диаграммы

Процесс сжатия фактически начинается после закрытия всех газораспределительных клапанов.

Рисунок 1 Индикаторные диаграммы процесса сжатия

В реальном двигателе сжатие происходит по политропе с переменным показателем (рисунок 1). Переменность показателя объясняется тем, что в процессе сжатия происходит теплообмен между газом и стенками камеры сгорания, стенками цилиндра и его головки и поршня и др. В начальном участке сжатия тепло переходит от стенок цилиндра к

заряду (п₁>к) и только затем при достаточно большом сжатии (повышении температуры газов) начинается переход тепла от заряда к стенкам указанных деталей (п₁<к). Истинное значение показателя политропы находится в пределах п₁ =1,1¸1,5 и зависит от многих факторов - частоты вращения коленчатого вала, компактности камеры сгорания, утечек газа через кольца и т.д.

Указанный характер изменения п₁ приводит к тому, что истинная диаграмма сжатия протекает круче, чем адиабата в начале сжатия, и положе ее в конце сжатия (рисунок 1).

В целом в процессе сжатия через стенки деталей камеры сгорания передается охлаждающей жидкости (воздуху) (5…10)% от всего (за весь цикл) передаваемого тепла.

Для расчетов принимают некоторое усредненное значение показателя политропы сжатия (из опытных данных или по эмпирическим формулам).

Усредненное значение показателя политропы сжатия в быстроходных ДВС п₁ =1,33…1,38. Его можно найти из условия – площадь индикаторной диаграммы под условной штриховой кривой должна быть равна площади под фактической политропой сжатия (рисунок 2).

Часто величину п₁ определяют по эмпирическим формулам В.А. Петрова:

 

Рисунок 2 Схема к методике определения фактического значения показателя политропы сжатия

п1 =1,41- - для ДсИЗ при п £3000¸3200 мин^-1; п1 =1,41- -0,02 – для дизеля. Здесь w=pп /30 угловая скорость вращения коленчатого вала. Если известна диаграмма сжатия, то показатель политропы сжатия на участке от V1 до V2 можно найти и следующим образом (рисунок 2): т.к. , то

и и .

Эксплуатационные факторы

В первую очередь здесь следует выделить топлива. Различные топлива имеют при одинаковых условиях и различную склонность к образованию пере­кисей, т.е., как говорят, различную детонационную стойкость.

Топливо, состоящее из нормальных парафиновых углеводородов, под воздействием высоких температур и давлений легко окисляется, образуя перекиси. Содержание таких углеводородов нежелательно в топливах для карбюраторных двигателей.

Детонационная стойкость топлива характеризуется специаль­ным параметром - октановым числом. Чем выше октановое число, тем выше детонационная стойкость топлива.

Октановое число топлива устанавливают методом его сравнения с эталонным топливом на специальной одноцилиндровой установке ИТ9-2М, позволяющей менять степень сжатия от 4 до 10.

С увеличением октанового числа топлива возрастает степень сжатия и, как следствие, мощность двигателя, улучшается экономичность его работы (рисунок 5).

а) б) в)

Рисунок 5 Зависимость величины степени сжатия (e), удельного расхода топлива (б) и эффективной мощности (в) от октанового числа

Нагрузка. Увеличение нагрузки путем открытия дроссельной заслонки) повышает температуру и давление смеси, что способствует повыше­нию вероятности возникновения детонационного сгорания.

Наддув влияет также отрицательно.

Рисунок 6 Влияние опережения впрыска на детонацию

Частота вращения. Увеличение частоты вращения сокращает время нахождения смеси под высокими температурой и нагрузкой и снижает вероятность возникновения детонационного сгорания. Опережение зажигания. В зоне чрезмерно малых опережений зажигания (ниже 20...25 град.) с его уменьшением горение перемещается за ВМТ, т.е. проис­ходит при больших объемах камеры сгорания (малых значениях

давле­ния и температуры). В результате детонация снижается (рисунок 6).

С увеличением опережения зажигания (выше 25 град. п.к.в.) детонация вначале возрастает, поскольку при этом процесс сгорания развивается ближе к ВМТ, повышая температуру и давление во второй фазе. Увеличение опережения зажигания на один град. п.к.в. экви­валентно снижению октанового числа на 1,6 - 2 единицы.

Состав рабочей смеси. При обогащении смеси снижаются температура в цилиндре (тепло отнимается на испарение топлива) и отно­сительное количество воздуха (кислорода). Все это уменьшает вероятность возникновения детонационного сгорания.Турбулизация смеси также существенно снижает детонацию.Нагарообразование затрудняет теплоотвод через стенки деталей. Оно эквивалентно снижению октанового числа на 10-15 единиц.

Тороидальная

Рисунок 8 Тороидальная камера

 

Широкое применение получили тороидальные камеры (рисунок 8). Тороидальные камеры иногда относят к открытым камерам. При использовании этих камер обеспечивается комбинированное, так называемое объемно – пленочное смесеобразование. На поверхность данной камеры сгорания попадает значительно меньшее количество топлива. В их смесеобразовании более значительной оказывается роль организованного движения воздуха. Так, если форсунку отрегулировать на 25 МПа и общую энергию, зат­рачиваемую на смесеобразование, принять за 100 %, то 80 % этой энергии приходится на распыливание и 20 % - на воздушный поток.

Необходимое энергичное вращательное движение воздуха обес­печивается уже при впуске его в цилиндр (соответствующим конструированием всасывающего тракта и расположением всасывающего клапана). Впрыск топлива осущес­твляется тремя-пятью дырчатыми распылителями с диаметром отверстий от 0,15 до 0,4 мм. Давление начала впрыска - около 17,5 МПа.

Выражение для оценки максимальной скорости нарастания давления двига­теля ЯМЗ - 238 с тороидальной камерой предложено М.С. Ховахом и Г.М. Камфером в следующем виде:

(dр/da)_max=К× ,

где т_v1 - количество топлива, испарившегося за первый период;

К - экспериментальная константа;

р_н.в. - давление в цилиндре в момент начала впрыска топлива;

t - продолжительность впрыска топлива.

Максимальная скорость нарастания давления при этих камерах достигает 0,6-1,0 МПа/(град п.к.в.).

Рисунок 1 Схема вихрекамерного двигателя: wв – частота вращения вихря

51 Вихрекамерные и предкамерные двигатели Их (рисунок 1, двигатели Д-54, СМД-14, Д-50 и др.) иногда называют двигателями с разделенными камерами. При них обеспечивается объемное смесеобразование. Необходимое его качество дости­гается трехступенчатым раздроблением топлива за счет энергий: - впрыска топ­лива; - вихря, образующегося при перете­кании воздуха из основной камеры в вихревую;

- перетекания горящей топли­вогазовой смеси из вихревой камеры в основную.

На вихревую камеру в оптимальном случае приходится 50-80 % объема камеры сжатия. Площадь сечения канала, соединяющего вихревую камеру с основной, находится в пределах 1...2,5% от площади поршня. Отношение частот вращения вихря и коленчатого вала (вихревое отношение) доходит до 25…30. Продолжительность впрыска – 25…35 град. п.к.в.

52. Двигатели с камерами MAN При этих камерах (рисунок 4) обеспечивается так называемое пленочное смесеобразование. Здесь факел топлива направляется на поверхность камеры, расположенной в поршне и выполненной в виде полусферы с диаметром, равным половине диаметра поршня. Факел подхва­тывается вращающимися потоками воздуха (с вихревым числом ~6) и размазывается по поверхности камеры. При этом около 90-95% топлива оказывается нанесенной в виде пленки на поверхность камеры и только около 5…10% - впрыснутой в объем камеры. Температура стенки поршня – около 600 К выдерживается охлаждением	Рисунок 4 Камера MAN
Рисунок 5 Зависимость удельного расхода топлива от среднего эффективного давления при двигателях с камерами MAN (кривая 1) и с форкамерой (2)	днища поршня струей масла. Воспламеняется топливо, впрыснутое в объем камеры. Осталь­ная часть его вовлекается в сгорание постепенно, по мере испарения с поверхности камеры, и этим обеспечиваются достаточно малые значения мак­симальной скорости нарастания давления и давления сгорания. Двигатели отличаются малым удельным расходом топлива (рисунок 5). К тому же они позволяют существо расширить диапазон используемых сортов топлива (вплоть до использования легких топлив). Недостаток их - трудный запуск (когда поршень еще не нагрет).

Возможные альтернативные топлива для автотракторных двигателей.

Широкое использование альтернативных топлив - газа, биогаза, метанола, рапса и др.

Особый интерес представляет природный газ (его октановое число – 104). По предварительным данным, при использовании газа в два раза снижаются расходы на топливо.

Биогаз из растительных остатков, например, из навоза.

Вообще же на биомассы в мире приходятся около 15% всех энергоносителей.

Перспективен как топливо метанол (СН₃ОН) – метиловый спирт (в отличии от обычного этилового спирта C₂H₅ОН очень ядовит), имеющий высокое октановое число. По теплоте сгорания он в два раза уступает бензину. Поэтому при его использовании объем топливного бака приходится удваивать.

Получают его по схеме уголь®метан (СН₂) и его окисляя®метанол.

Метанол является идеальным топливом для двигателей с искровым зажиганием (ДсИЗ). Он позволяет увеличить степень сжатия этих двигателей и приблизить их по экономичности к дизелям. Метанол можно использовать и в смеси с бензином. При добавлении в бензин 10…20% метанола можно обходиться без антидетонационных присадок.

Большую перспективу имеет и рапсовое масло, поскольку по удельной теплоте сгорания оно существенно не уступает дизельному топливу. Выгодное отличие его заключается в том, что содержание кислорода в нем намного выше, чем у дизельного топлива – около 11%.

Продукты сгорания рапсового масла не токсичны и легко поддаются биологическому разложению. При сгорании рапсового масла в атмосферу выбрасывается ровно столько двуокиси углерода, сколько рапс брал из нее для своего роста. При современных ценах, как показывают простейшие расчеты, рапсовое масло может оказаться дешевле дизельного топлива на 25%.

Первые двигатели, работающие на рапсовом масле, были созданы за рубежом в 1975 году и установлены на легковые автомобили. Расход топлива был таким же, что и при топливе нефтяного происхождения – составлял 5-6 литров на 100 километров (при мощности 70 л.с.).

Растительные масла, к которым относится и рапсовое, являются липидами (эфирами жирных кислот) или глицеринами. Обладая высокой теплотворной способностью, они содержат прямые углеводородные цепи, что обуславливает их относительно высокие цетановые числа. Рапсовое масло обладает близкими к дизельному топливу энергетическими возможностями, но вязкость его в 11 с лишнем раз 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 приводит (если не принять необходимые меры) к увеличению удельного расхода топлива и интенсивному нагароотложению на стенки деталей цилиндро-поршневой группы двигателя.

При этом рапсовое масло приобретает свойства, приближающие его к дизельному топливу

При использовании рапсового масла в качестве моторного топлива требуется ввести в топливную систему двигателя специальные подогреватели (теплообменники), обеспечивающие его локальный подогрев и, как следствие, снижающие вязкость.

Вязкость рапсового масла можно снижать и замещением трехвалентных молекул глицерина одновалентными молекулами спирта посредством добавления небольшого количества метанола или этанола (трансэтерфикацией). 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.

В качестве топлива в ДВС может применяться и водород.

Водород – один из самых легких газов – он в 14 раз легче воздуха, а жидкий водород в 13 раз легче авиационных топлив. В то же время теплота его сгорания в три раза больше теплоты сгорания бензина.

Водород обладает рядом и других серьезных преимуществ по сравнению с другими топливами – быстро и хорошо образует смесь с воздухом, не создает проблему реконденсации и испарения, допускает быстрое обогащение смеси как при пуске ДВС, так и при разгоне автомобиля, не выделяет осадков, что гарантирует отсутствие окислений в камере сгорания, имеет более широкие границы воспламенения по сравнению с бензином – допускает нормальное воспламенение при коэффициентах избытка воздуха от 0,13 до 10,2 (это позволяет обеспечить качественное регулирование рабочей смеси даже без использования дроссельной заслонки и существенно повысить к.п.д. ДВС) и отличается более высокой максимальной скоростью сгорания. Токсичность выхлопных газов при нем намного ниже.