Разработка топливной системы тракторного дизеля для работы на биотопливе

Наименование

Площадь, га

Площадь в % к общей земельной площади

Площадь в % к площади с/х угодий

Общая земельная площадь всего

5480

100

-

в т. ч.: сельхозугодия из них: пашня пастбища сенокосы

 4990 3562 690 438

 91,1 65 12,6 8

 100 71,4 13,8 8,8

Лесные массивы

-

-

-

Пруды и водоемы

75

1,4

1,5

Прочие земли

410

7,5

8,2

Орошаемые земли

200

3,6

4

Наименование культур

2003 г.

%

2004 г.

%

2005 г.

%

Зерновые и зернобобовые

1412

47,2

1457

34

1457

34

в т.ч.: озимые зерновые яровые зерновые зернобобовые

100 1148 164

3,3 38,4 5,5

100 1225 132

2,4 28,5 3,1

87 1266 104

2,1 29,5 2,4

Кукуруза на силос

-

-

50

1,1

-

-

Картофель

20

0,7

10

0,2

10

0,2

Многолетние травы

401

13,6

762

17,8

762

17,9

Однолетние травы

-

-

863

20

892

20,8

Рапс

30

1

27

0,6

30

0,7

Сенокосы естественные и пастбища

960

32

1020

23,8

1075

25,2

Сенокосы улучшенные и пастбища

168

5,7

108

2,5

53

1,2

Итого посевов

2991

100

4297

100

4279

100

Культура

2003 г.

2004 г.

2005 г.

Зерновые и зернобобовые

4,18

5,1

4,31

Картофель

12,14

19,25

30,56

Многолетние травы

5,32

2,1

1,65

Кукуруза на силос

-

12,6

-

Однолетние травы

-

2,56

1,4

Рапс

2,5

2,4

2,6

Наименование культур

2003 г.

2004 г.

2005 г.

Зерновые и зернобобовые

5464

6940

5877

Картофель

47

90

115

Сено

2341

2400

2401

Силос

5604

6964

-

Сенаж

-

-

3879

Рапс

75

64,8

78

Наименование культур

2003 г.

2004 г.

2005 г.

Зерновые и зернобобовые

1380

1320

1981,3

Картофель

7520

5000

3860

Сено

600

640

700,4

Рапс

2540

2120

1980

Наименование

2003 г.

2004 г.

2005 г.

Крупнорогатый скот, гол.

1212

1222

1232

в т. ч.: коровы молочного направления

360

360

360

Лошади, гол.

242

279

331

Среднегодовой удой молока, т в т.ч. на 1 корову, т

1482,2 4,1

1588.9 4,4

1714,5 4,8

Получено телят, гол.

431

466

462

Наименование

2003 г.

2004 г.

2005 г.

Молоко Мясо КРС

3378,3 41946,3

3414,9 29283,7

4121 41800

Наименование

2003 г.

2004 г.

2005 г.

Производство валовой продукции, млн. руб.

34

38

33

Прибыль, млн. руб.

7,7

10,8

12

Уровень рентабельности, %

41

50

40

в т. ч. растениеводства

150

88

22

животноводства

-8

17

6

Марка трактора2003 г.2004 г.2005 г.

1

2

3

4

Всего тракторов: физических условных ед.

40 41,2

39 40,5

36 38,6

Тракторы общего назначения в т. ч.: Т-4А ДТ-75 ДТ-175 Т-150К К-701

18 2 7 3 1 5

18 2 7 3 1 5

18 2 7 3 1 5

Универсальные пропашные в т. ч.: Т-70с МТЗ-80 МТЗ-82 ЮМЗ-6 Т-25 Т-16 ЛТЗ-55

22

21

18

1 9 5 2 2 2 1

1 8 5 2 2 2 1

1 6 5 2 2 1 1

Наименование

2003 г.

2004 г.

2005 г.

1

2

3

4

Тракторные прицепы

16

16

16

Сеялки

11

11

11

Картофелесажалки

2

2

2

Сенокосилки тракторные

5

5

5

Комбайны в т. ч.: зерноуборочные силосоуборочные картофелеуборочные

13 10 3 -

13 10 3 -

13 10 3 -

Таблица 1.11. Использование тракторного парка

Как видно из данной таблицы годовая наработка из года в год уменьшается из-за старения тракторов. Коэффициент технической готовности низкий из-за недостаточной организации технического обслуживания тракторов.

Таблица 1.12. Использование зерноуборочных комбайнов

Как видно из таблицы количество комбайнов за прошедшие три года не изменилось, но наработка на один комбайн небольшая, что говорит об их частых поломках.

Таблица 1.13. Показатели работы автопарка

Как видно из данной таблицы среднегодовое количество автомобилей из года в год уменьшается, это объясняется их списанием и отсутствием запасных частей. Низкий коэффициент использования грузоподъемности объясняется неправильной организацией грузоперевозок. Из года в год уменьшается общий пробег автомобилей, что объясняется их старением и отсутствием запасных частей.

Таблица 1.14. Техническая оснащенность хозяйства

Как видно из данной таблицы нагрузка на 1 условный трактор составляет около 91 га пашни, что меньше среднереспубликанского значения.

1.5 Организация нефтехозяйства

Нефтехозяйство представляет собой подразделение, включающее комплекс сооружений и оборудований для транспортировки, приема, хранения и отпуска нефтепродуктов. Нефтехозяйство находится в отличном состоянии, оно оснащено емкостями для дизельного топлива; бензина-А-76, А-92; моторных масел; трансмиссионных масел и отработанных масел.

Поставщиком топливо смазочных материалов является ОАО «Башкир-нефтепродукт», оплата за топливо производится за безналичный расчет. Доставка топливно-смазочных материалов осуществляется своими транспортными средствами. Во время полевых работ заправка тракторов и комбайнов осуществляется передвижными заправщиками непосредственно на поле. Во время полевых работ дизельное топливо выдается всем без лимита, а количество бензина выдается в зависимости от транспортного средства и от выполняемой работы.

1.6 Организация хранения машин

В хозяйстве для хранения сельскохозяйственной техники применяют открытый способ. Для этого выделена специальная территория. Место хранения машин имеет площадку с твердым покрытием, площадку для списанной техники, приспособления и подставки для установки машин, противопожарное оборудование и инвентарь, ограждение и освещение. Площадка имеет уклон для отвода талых и дождевых вод.

Перед постановкой машин на хранение проводят техническое обслуживание. Снятые с машин агрегаты и детали хранятся в специально оборудованных складах. В хозяйстве технология хранения сельскохозяйственной техники выполняется согласно правилам.

2. Анализ существующих конструкций подогревателей топлива

При проектировании подогревателя топлива произвел поиск по патентным 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 №1160089 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 приспособлению (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 №2030621 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 автотранспортного 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.

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.

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 этом целесообразно подключать подогреватель топлива к бортовой электрической системе, а при запуске, особенно при разряженной аккумуляторной батарее целесообразно подогреватель 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 элементов 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.

Подогреватель топлива по авторскому свидетельству №2022150 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 верхней 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.

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 №2002095 листа.

Устройство для подогрева топлива и стабилизации его температуры. Топливо 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 температуры: 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 конструкция подогревателя топлива должна быть достаточно надежна, обеспечивать необходимую температуру нагрева топлива при минимальных затратах энергии. Также 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.

Как видно из таблицы 3.1, рапсовое масло обладает близкими энергетическими возможностями по отношению к дизельному топливу, но его вязкость в 11 с 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 цилиндропоршневой 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

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

Достигнутые, положительные качества объясняются тем, что добавленные метилы и этилэфиры по сравнению с рапсовым маслом имеют лучшие моторные качества. К тому же при их использовании на стенках деталей цилиндропоршневой 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

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 масла и дизельного топлива

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

В целом, по совокупности рассмотренных физико-химические показателей 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 Т_а в К в конце процесса впуска определяем по формуле:

(3.1)

где Т_о - температура окружающей среды, К;

∆ Т - подогрев свежего заряда, К;

g_r - коэффициент остаточных газов;

Т_r - температура остаточных газов, К;

Т_о= 293 К при работе двигателя без наддува.

∆ Т = 10…40^о - 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 = 25^о, для биотоплива ∆Т = 100^о;

g_{r -} характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания. С увеличением g_r уменьшается количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процесса впуска. Для 2-х тактных дизелей без наддува g_r = 0,03…0,06.

Примем для дизельного топлива g_r = 0,03, для биотоплива g^д_r = 0,06.

В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха устанавливается значение температуры Т_r.

Т_{r =} 700…900 К.

Принимаем для дизельного топлива Т_{r =} 850 К, для биотоплива Т_r=700 К.

Подставив все значения в формулу (3.1) найдем температуру в конце процесса впуска и биотоплива:

для дизельного топлива:

для биотоплива:

Давление Р_а в кПа в конце впуска находим по формуле:

                                       (3.2)

где Р_о - давление окружающей среды. Примем Р_о = 100 кПа.

для дизельного топлива:

Р_а = (0,85…0,9)∙100 = 0,90∙100 = 90 кПа,

для биотоплива:

Р_а = (0,85…0,9)∙100 = 0,85∙100 = 85 кПа,

Коэффициент η_v наполнения найден по формуле:

= ∙           (3.3)

где Е - степень сжатия,

Р_r - давление остаточных газов, кПа.

Для двигателя Д-21 Е = 16.

Для автотракторных двигателей без наддува, а также с поддувом и выпуском в атмосферу давление остаточных газов P_r в кПа найдем по формуле:

           (3.4)

- для дизельного топлива:

Р_r = 1,25×100 кПа = 125 кПа.

для дизельного топлива:

Р_r = 1,05×100 кПа = 105 кПа.

Подставив все значения найдем :

для дизельного топлива:

= ;

для биотоплива:

= .

3.2.2 Процесс сжатия

Давление P_с в кПа и температура Т_с в К в конце процесса сжатия определяют по уравнению политропического процесса с постоянным показателем n₁:

 (3.5)

где n_{1 -} 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 n_1:

Найдем Р_с по формуле (3.5):

для дизельного топлива:

Р_с = 90×16^1,35=3961,4 кПа

для биотоплива:

Р_с = 85×16^1,35=3589 кПа

Аналогично найдем температуру Т_с в К в конце сжатия по формуле:

 (3.8)

для дизельного топлива:

Т_с = 333,5×16^1,35-1= 889,6 К

для биотоплива:

Т_с = 410,3×16^1,35-1= 1082,8 К

3.2.3 Процесс сгорания

Состав топлива, задается массовым или объемным содержанием основных 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 L_o 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= 1,65×0,492 = 0,81 моль/кг

для биотоплива:

L= 1,2×0,38 = 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:

,                          (3.12)

для дизельного топлива:

для биотоплива:

А действительный коэффициент молярного изменения β найдем по формуле:

                               (3.13)

для дизельного топлива:

для биотоплива:

Определяем теплоемкость газов μС^c_v в кДж/кмоль∙град для чистого воздуха по формуле:

                (3.14)

где а =20,16; в = 1,738×10^-3 - постоянные коэффициенты

для дизельного топлива:

для биотоплива:

Теплоемкость продуктов сгорания μС^z_v кДж/кмоль∙град при  > 1 определим из формулы:

                 (3.15)

для дизельного топлива:

для биотоплива:

А теплоемкость μС^z_р кДж/кмоль∙град при постоянном давлении найдем по формуле:

                                  (3.16)

где mR-универсальная газовая постоянная, она равна mR=8,314;

для дизельного топлива:

для биотоплива:

Температура в конце сгорания Т_z в К для дизеля определяется из формулы:

      (3.17)

где x - коэффициент использования тепла;

Q_н - низшая удельная теплота сгорания, кДж/кг;

l - степень нарастания давления;

Для дизельного топлива: x = 0,7…0,9, примем x = 0,85.

Низшая удельная теплотворность равна Q_н = 42500 кДж/кг.

Для биотоплива: примем x = 0,7;

Низшая удельная теплотворность равна Q_н = 37300 кДж/кг

Для вихрекамерных и предкамерных l= 1,4…1,8. Примем l =1,6.

Выбираем x = 0,85, потому что у данного двигателя совершенная форма камеры сгорания за счет чего уменьшаются потери теплоты от газов в стенки.

Величина l для дизелей устанавливается по опытным данным в основном в зависимости от количества топлива, подаваемого в цилиндр, формы камеры сгорания и способа смесеобразования. Выбрал l=1,6 так как давление в конце процесса сжатия высокое и если выбрать большее значение l, то Р_с 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 Т_z найдем значение теплоемкости продуктов сгорания:

для дизельного топлива:

для биотоплива:

Давление Р_z 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 Р_е в кПа в конце расширения по формуле:

                                  (3.21)

где n₂ - показатель политропы расширения.

Показатель политропы расширения n₂ можно определить по эмпирической формуле профессора В.А. Петрова:

Для дизельного двигателя:

                                    (3.22)

Найдем это значение:

Находим давление в конце сжатия Р_е:

для дизельного топлива:

для биотоплива:

Температура Т_е 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 40-80^о 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 10^о-50^о после В.М.Т., что повышает качество очистки цилиндра за счет эжекционного свойства потока газа, выходящего из цилиндра с большой скоростью.

Давление Р_r в кПа в конце выхлопа найдем из формулы:

            (3.24)

где k_r = 1,05…1,25 для двигателей без наддува;

для дизельного топлива:

для биотоплива:

3.2.6 Индикаторные показатели работы двигателя

Среднее индикаторное давление Р_i в кПа для дизеля найдем из формулы:

           (3.25)

для дизельного топлива:

для биотоплива:

Действительное среднее индикаторное давление Р_iан в кПа с учетом округления диаграммы и затрат на осуществление насосных ходов поршня определим из уравнения:

                                           (3.26)

где ;

j - коэффициент округления.

Коэффициент округления j = 0,92…0,95. Возьмем j=0,95.

для дизельного топлива:

Р_iан= 0,95×916,6 -(125-90)=835,7 кПа

для биотоплива:

Р_iан= 0,95×855,5 -(105-90)=797,7 кПа

Среднее индикаторное давление (Р_i) - такое условное постоянное давление, 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 ∆Р_i в %, вычисленных, аналитически и графически определяется по выражению:

                                  (3.27)

Допустимая погрешность ∆Р_i=3…5%;

для дизельного топлива:

Р_iгр =900 кПа;

Р_iгр=0,95×900 - (125-90)=820 кПа;

для биотоплива:

Р_iгр =845 кПа;

Р_iгр=0,95×845 - (105-90)=787,7 кПа;

Индикаторный коэффициент полезного действия η_i определяется по формуле:

                  (3.28)

для дизельного топлива:

для биотоплива:

Затем найдем индикаторный удельный расход топлива g_i 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 Р_е в кПа найдем по формуле:

                            (3.30)

где Р_м - механические потери в кПа, вычисляемые по эмпирической формуле:

                                         (3.31)

где С_n - средняя скорость поршня.

С_n для тракторных дизелей лежит в пределе 6…11 м/с. Принимаем С_n=7,5 потому что увеличение средней скорости поршня возрастают механические потери, повышается тепловая напряженность двигателей, сокращается срок службы двигателя.

Р_м=[0,9+(0,11×7,5)]×10²=172,5 кПа

Подставим Р_м в формулу (3.30) и найдем Р_е:

для дизельного топлива:

Р_е= 835,7 - 172,5=663,2 кПа

для биотоплива:

Р_е= 797,7 - 172,5=625,2 кПа

Найдем эффективный коэффициент полезного действия η_е из выражения:

,                              (3.32)

где h_м - механический коэффициент полезного действия;

Его можно найти из выражения:

,                                                     (3.33)

для дизельного топлива:

для биотоплива:

Определим коэффициент полезного действия h_е:

для дизельного топлива:

h_е=0,48×0,79=0,38

для биотоплива:

h_е=0,42×0,78=0,33

Эффективный удельный расход топлива g_е в кг/кВт×ч 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=Q_n×G_т,                                (3.35)

где G_т - часовой расход топлива.

Q_n-низшая удельная теплота сгорания.

Часовой расход топлива G_т в кг/ч находится по формуле:

_т=N_e×g_e,                                                      (3.36)

для дизельного топлива:

G_т=15×0,222=3,33 кг/ч;

Низшая удельная теплота сгорания Q_н=42500 кДж/кг.=42500×3,233=138656,25 кДж/ч;

- для биотоплива:

G_т=15×0,293=4,39 кг/ч;

Низшая удельная теплота сгорания Q_н=37300 кДж/кг.

Q=37300×4,39=163747 кДж/ч.

3.3.2 Теплота, эквивалентная эффективной работе

Теплота, эквивалентная эффективной работе Q_e в кДж/ч найдем из выражения:

Q_e=3600×N_e, (3.37)

где N_e - эффективная мощность, кВт; для двигателя Д-21 N_e=15 кВт.

для дизельного топлива:

Q_e=3600×15=54000 кДж/ч;

Процентное количество тепла q_е в%, расходуемая на совершение работы:

,                (3.38)

Найдем процентное количество тепла q_е:

для биотоплива:

3.3.3 Теплота передаваемая охлаждающей среде

Теплота Q_в 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;

a - коэффициент избытка воздуха.

Примем:

С=0,45; i=2; D=10,5 см; n= 1600 мин^-1; a=1,65.

Зная все величины найдем, теплоту передаваемую охлаждающей среде Q_в:

Процентное количество тепла q_e в%, передаваемое охлаждающей среде найдем по формуле:

 (3.40)

Найдем количества теплоты q_e:

для биотоплива:

Примем коэффициент избытка воздуха a=1,2:

3.3.4 Теплота, уносимая с отработавшими газами

Теплота Q_в в кДж/ч, уносимая с отработавшими газами находится по формуле:

 (3.41)

где С_р - средняя теплоемкость отработавших газов при постоянном давлении;

Средняя теплоемкость равно С_р - 1,04 кДж/кг×град;

Т_r и Т_о - температуры отработавших газов и окружающей среды, К;

для дизельного топлива;

Берем из предыдущих расчетов Т_r = 850 К; Т_о = 293 К;

G_в и G_т - количества поступившего в цилиндр воздуха и топлива, кг/ч;

Количества поступившего в цилиндр воздуха G_в в кг/ч найдем из выражения:

G_в=14,5×a× G_т,                                           (3.42)

где G_т-часовой расход топлива, кг/ч; G_т=3,3635

Подставив часовой расход топлива G_т найдем G_в:

G_в=14,5×1,65×3,3635=78,05 кг/ч.

Подставив значения в уравнение (3.41) вычислим Q_r:

Q_r= 1,04×(850-293)×(78,05-3,2625)=40210 кДж/ч

Процентное количество теплоты q_r в%, уносимое с отработавшими газами:

                                            (3.43)

Найдем количество теплоты q_r:

для биотоплива:

Температура выхлопных газов Т_r = 700 К;

G_в=14,5×1,2×4,39=76,3 кг/ч;

Q_r= 1,04×(700-293)×(76,3-4,39)=30438 кДж/ч;

3.3.5 Неучтенные потери теплоты

Неучтенные потери Q_н.у. в кДж/ч находятся по формуле:

                                        (3.44)

Найдем неучтенные потери Q_н.у.:

Процентное количество тепла q_н.у в% на неучтенные потери находим по выражению:

                                                   (3.45)

Найдем процентное количество тепла q_н.у:

Рисунок 3.1. Схема теплового баланса двигателя на дизельном топливе

для биотоплива:

Найдем неучтенные потери Q_н.у.:

Найдем процентное количество тепла q_н.у:

Рисунок 3.2. Схема теплового баланса двигателя работающим на биотопливе

3.4 Конструирование нагревателя биотоплива

Подогреватели для топливных систем двигателей автомобилей и тракторов, работающих на дизельном и биодизельном топливе при низких температурах.

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 теплопередающий элемент в виде трубы 4 с фланцами 5 и 6 для циркуляции теплоносителя из жидкостного контура системы охлаждения дизеля. Для правильной установки трубы 4, а корпусе 1 используется штифт 7. На наружной поверхности трубы между патрубками 2 и 3 выполнены многозаходные винтовые ребра 8 образующие в межтрубном пространстве винтовые каналы 9, которые сообщены с патрубками. На наружной поверхности корпуса, вдоль него между патрубками 2 и 3 размещены электронагревательные элементы (позисторы) 10. Они установлены в гнездах на корпусе и фиксируются контактной пластиной 11. соединенной положительной клеммой источника питания, и тепловым экраном 12 с помощью винтов 13. Напротив позисторов вершины 14 ребер усечены таким образом, что между ними и внутренней поверхностью корпуса образованы продольные каналы (зазор) 15, проходное сечение которых составляет предпочтительно 2-4% общего проходного сечения винтовых каналов 9. Вершины остальной части ребер в поперечном сечении корпуса по его периметру сопряжены с внутренней поверхностью корпуса.

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 него, уверенный пуск и работу дизеля на холостом ходу. При этом эффект прогрева топлива от позисторов усиливается прогревом его от жидкого теплоносителя. В дальнейшем по мере прогрева двигателя температура охлаждающей жидкости повышается, увеличивается теплоотдача, нагреватель полностью разблокируется от парафинов, движение топлива осуществляется по всему проходному сечению, нагреватель выходит на рабочий режим и позисторы отключают.

При прогреве двигателя, когда движение топлива осуществляется по всему проходному сечению внутри корпуса нагревателя, выполнение ребер, сопряженных вершинами с внутренней поверхностью корпуса на большей части периметра его поперечного сечения, способствует дополнительному повышению эффективности работы нагревателя. Наибольшая эффективность достигается в том случае, если проходное сечение продольного канала 15 составляет от 2-4% общего проходного сечения винтового канала внутри корпуса.

Рисунок 3.3. Нагреватель биотоплива: 1 - корпус; 2,3 - патрубки для подвода и отвода топлива соответственно; 4 - теплопередающий элемент; 5,6 - фланцы для циркуляции выхлопных газов; 7 - штифт; 8 - винтовые ребра; 9 - винтовые каналы; 10 - позисторы; 11 - контактная пластина; 12 - крышка; 13 - винты; 14 - вершины ребер; 15-продольные каналы (зазор)

Таким образом, использование комбинации оребренной (на большей части проходного сечения) и неоребренной (в виде продольного зазора) поверхностей в направлении движения топлива при наличии позисторов напротив этого зазора обеспечивает повышение эффективности работы нагревателя, как следствие, повышение надежности пуска двигателя при отрицательных температурах окружающего воздуха и надежную работу в послепусковой период.

Целью выполнения конструкторской части является расчет проектируемого нагревателя топлива, а именно размеров его основной детали - теплопередающего элемента. Так же необходимо выбрать позистор и ТЭН для обеспечения необходимых условий нагрева топлива для его дальнейшей эксплуатации.

3.5 Расчет основных параметров теплопередающего элемента

Теплообменные аппараты (теплообменники) - устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. В качестве теплоносителя в данном нагревателе биотоплива будут использованы выхлопные газы идущие от двигателя имеющие изначально высокую температуру.

По схеме движения теплоносителя теплообменные аппараты делятся на прямоточные, противоточные, перекрестного тока и многоходовые. Данный нагреватель биотоплива будет работать по противоточной схеме движения теплоносителя. Это делается, для того чтобы повысить эффективность теплообмена между теплоносителями. Так как данный теплопередающий элемент является рекуперативным теплообменником, то расчет будем вести как у рекуперативных теплообменников.

Теплотехнический расчет рекуперативного теплообменника заключается в определении теплового потока Ф, передаваемого холодному теплоносителю; расхода горячего теплоносителя G; требуемой поверхности теплообмена А.

Тепловой поток Ф в Вт определяем по уравнению:

                                    (3.46)

где G₁ - расход холодного теплоносителя, кг/c;

C₁ - изобарная теплоемкость холодного теплоносителя, Дж/(кг∙К);

t_1к, t_1н - конечная и начальная температуры, ^оС.

Так как нам известен часовой расход топлива который равен G_T=4,39 кг/ч, то можно найти G₁=4,39/3600=0,00122 кг/c.

C₁=358 Дж/кг∙К - это значение было рассчитано ранее.

t_1к=100 ^оС - потому что нам необходимо нагревать биотопливо до такой температуры чтобы уменьшить его вязкость.

t_1н=20 ^оС - предварительно топливо будет подогрето в топливном баке.

Найдем значение теплового потока:

Далее найдем необходимую для передачи теплового потока Ф поверхность теплообмена А в м² из формулы:

                                                 (3.47)

где К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²∙К);

∆t_cp - средняя по поверхности теплообмена разность температур теплоносителей, ^оС.

Коэффициент теплопередачи К равен количеству теплоты, передаваемого через единицу площади перегородки от одной подвижной среды к другой за единицу времени, при разности температур в один градус и находится по формуле:

                                                            (3.48)

где α₁ α₂ - коэффициенты теплопередачи, от горячей среды к стенке и от стенки к холодной среде, Вт/(м²∙К);

1/α₁ и 1/α₂ - термическое сопротивление теплоотдачи R_α1 и R_α2;

δ/λ - термическое сопротивление теплопроводности R_λ;

В данном случае рассмотрим теплопередачу через дюралюминиевую стенку толщиной 4,5 мм от выхлопных газов к биотопливу при котором коэффициенты имеют следующие значения:

теплопередача от газов к стенке α₁=35 Вт/(м²∙К);

теплопроводность стенки λ=50 Вт/(м²∙К);

теплоотдача от стенки к биотопливу α₂=2000 Вт/(м²∙К);

Подставив эти значения найдем коэффициент теплопередачи:

Для случаев прямотока и противотока ∆t_cp в ^оС находят как среднюю логарифмическую разность по формуле:

                                         (3.49)

где ∆t_б, ∆t_м - наибольшая и наименьшая разность температур теплоносителей в теплообменном аппарате, ^оС.

Для данного случая ∆t_б=75 ^оС, ∆t_м=10 ^оС.

Теперь найдем ∆t_cp:

Определив все значения найдем А:

Поверхность теплообмена можно расписать как:

                                         (3.50)

где l - длина поверхности теплообмена, м;

d - диаметр поверхности теплообмена, м.

Учитывая, что размеры подогреватель должен быть небольшим и компактным мы задавшись его длиной l=0,0186 м и найдем его диаметр d в м из формулы:

                                             (3.51)

Рисунок 3.4. Схема теплопередающего элемента

3.6 Выбор позистора

Перед запуском двигателя нам необходимо подавать нагретое топливо, а так как выхлопные газы не имеют достаточной теплоты для этого, то нам необходимо выбрать нагревательный элемент (позистор), для предварительного нагрева биотоплива.

Позисторы - изделия электронной техники, основное свойство которых, заключается в способности изменять свое электрическое сопротивление под действием управляющих факторов: температуры, напряжения, магнитного поля и др,

Позисторы - полупроводниковые резисторы с нелинейной ВАХ. отличительной особенностью которых является резко выраженная зависимость электрического сопротивления от температуры.

Позисторы характеризуют следующими основными параметрами:

Номинальное сопротивление R_H - электрическое сопротивление

Температурный коэффициент сопротивления ТКС - характеризует обратимое изменение сопротивления на один градус Кельвина или Цельсия.

Максимально допустимая мощность рассеяния Р_т« - наибольшая мощность, которую длительное время может рассеивать позистор, не вызывая необратимых изменений характеристик, при этом его температура не должна превышать максимальную рабочую температуру.

Коэффициент температурной чувствительности В-определяет характер температурной зависимости данного типа позистора.

Постоянная времени t - характеризует тепловую инерционность.

Зная температуру, на которую нам необходимо нагреть биотопливо, можно выбрать позистор из стандартного ряда, который будет отвечать необходимым требованиям.

Выбираем позистор модели СТ6-5Б, у которого следующие характеристики:

максимальная мощность 2,5 Вт;

диапазон рабочих температур -60…125 ^оС;

диапазон температур положительного ТКС 20…125 ^оС;

кратность изменения сопротивления в области положительного ТКС 1000;

постоянная времени 10 с.

3.7 Расчет ТЭНа

рапсовый масло моторный топливо

Теперь необходимо рассчитать основные параметры ТЭНа.

ТЭН можно рассматривать как нагретое тело, участвующее в теплообмене с окружающей средой. В стационарном режиме мощность Р_н полностью передается окружающей среде.

Рассчитать мощность ТЭНа Р_н в Вт можно по формуле:

                           (3.52)

где λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м∙ ^оС;

t₁ и t₂ - температуры нагреваемой среды и нагревателя, ^оС;

F_t - площадь поверхности, участвующая в теплообмене теплопроводностью, м²;

l - длина ТЭНа, м;

Для данных условий:

температуры нагреваемой среды t₁= 5 ^оС

температуры нагревателя t₂= 40 ^оС

коэффициент теплопроводности λ= 10∙0,6 Вт/м∙ ^оС;

зададимся длиной ТЭНа равной l=0,7 м;

площадь поверхности F_t=0,022 м².

Найдем необходимую мощность ТЭНа:

Из стандартного ряда значений примем Р_н=7 Вт.

Теперь можно найти диаметр d в м ТЭНа из формулы:

                                          (3.53)

где ρ - удельное сопротивление материала нагревателя, Ом∙м;

U - напряжение подведенное к ТЭНу, В;

ω_н - удельная поверхностная мощность нагревателя, Вт/м²;

Удельное сопротивление материала нагревателя ρ=1,3 Ом∙м;

Напряжение подведенное к ТЭНу U=12 В;

А удельную поверхностную мощность нагревателя ω_н можно найти по формуле:

                                         (3.54)

Зная мощность и площадь поверхности найдем ω_н:

Вт/м²

Теперь найдем диаметр ТЭНа:

Из стандартных значений выбираем ближайшее d=0,025 м.

4. Технико-экономические показатели проекта

Целью изобретения является разработка топливной системы тракторного дизеля для работы на биотопливе. Моя разработка позволяет переоборудовать топливную систему так, чтобы она работала на биотопливе. На данный момент дизельное топливо стоит в среднем 16 руб./л, а у биотоплива основанном на рапсовом масле себестоимость составляет 4-5 руб./л, что в 4 раза меньше чем у дизельного топлива. Это позволит мне снизить затраты на топливо. Также у биотоплива есть еще рад преимуществ по сравнении с дизельным топливом. Основные затраты составляют: закупка нагревателя топлива, закупка нагревательной камеры и затраты на переоборудование топливной системы. Закупать нагреватель топливной системы и нагревательную камеру приходится потому, что в условиях ОПХ «Баймакское» изготовить такие устройства невозможно. Нет специального оборудования для изготовления этих устройств, также нет специалистов, которые смогли бы сделать такое оборудование.

4.1 Расчет затрат на переоборудование трактора

Затраты на переоборудование трактора С_сбв в руб. рассчитываю по формуле:

где С_сб и С_д.сб - основная и дополнительная заработные платы рабочих, занятых на сборке, руб.;

С_соц.сб - начисления по социальному страхованию на заработную плату этих рабочих, руб.

Основную заработную плату С_сб в руб. найдем по формуле:

где Т_сб - средняя трудоемкость переоборудования трактора, чел. - час.;

С_ч - часовая ставка для слесаря 6-го разряда, руб.;

С_соц - начисления по социальному страхованию, руб. (1.26).

Средняя трудоемкость переоборудования трактора равна Т_сб=54 чел. - час.;

Часовая ставка для слесаря 9-го разряда равна С_ч=31,34 руб.;

Начисления по социальному страхованию равна С_соц=1,26 руб.;

Зная все необходимые затраты найдем затраты на переоборудование топливной системы трактора:

Теперь найдем затраты на дополнительную заработную плату.

Дополнительная заработная плата С_д.сб руб. находится по формуле:

Подставив значение затрат на переоборудование С_сб найдем дополнительную заработанную плату:

Начисления по социальному страхованию С_соц.сб в руб. найдем по формуле:

Найдем значение начислений по социальному страхованию:

Тогда стоимость полной заработной платы рабочих, занятых на переоборудование трактора, составит:

Общие затраты на закупку и переоборудование трактора С_об в руб. найдем по формуле:

где С_пт - себестоимость подогревателя топлива, руб.;

C_нк - себестоимость нагревательной камеры, установленной в топливном баке, руб.

Себестоимость подогревателя топлива равна С_пт=40500 руб.;

Себестоимость нагревательной камеры равна C_нк=1647 руб.

Найдем численное значение общих затрат:

Общие затраты на закупку оборудования и его установку составят С_об=45031,3 руб.

4.2 Расчет экономического эффекта от внедрения конструкции

Экономический эффект основан на том, что до переоборудования трактор Т-25 ездил на дизельном топливе, а после стал работать на биотопливе. Цена дизельного топлива на сегодняшнее время 16 руб./л, а цена биотоплива равняется 4 - 5 руб./л, что в 4 раза меньше чем у дизельного топлива.

Экономический эффект Эф в руб. можно найти по формуле:

где Сд - себестоимость 1 л дизельного топлива, руб./л;

Ср - себестоимость 1 л биотоплива, руб./л;

Р_д - расход дизельного топлива на 100 км работ, л/100 км;

Р_б - расход биотоплива на 100 км работ, л/100 км;

Vр - общий объем перевозок за год, км.

Себестоимость 1 л дизельного топлива Сд =16 руб./л

Себестоимость 1 л биотоплива Ср=4 руб./л

Расход дизельного топлива на 100 км работ Р_д= 7 л/100 км;

Расход биотоплива на 100 км работ Р_б= 8,5 л/100 км;

Общий объем перевозок за год Vр= 652 км.

Эф = (16∙7 - 4∙8,5) ∙ 652 = 50856 руб.

Экономический эффект от внедрения конструкции на 1 трактор составит 50856 руб., а при наличии в хозяйстве 2 автомобилей составит 101712 руб.

4.3 Расчет срока окупаемости

Срока окупаемости Ог в годах можно подсчитать по формуле:

Подставив значения найдем срок окупаемости:

Ог =45031,3 / 50856= 0,88 года.

Выводы

На основе проделанной работы можно сделать вывод, что данный проект является перспективным. Анализируя разделы проекта, можно сделать выводы, что при разработке топливной системы дизеля трактора Т-25 для работы на биотопливе, предприятие получит прибыль за счет уменьшения себестоимости топлива. Также предприятие получит прибыль при получение ценных сопутствующих продуктов: твердого топлива, жмыха для приготовления кормов, технического мыла, глицерина. А также переход дизельного двигателя с дизельного топлива на биотопливо уменьшает выброс вредных веществ в атмосферу. Это повысит экологичность предприятия ОПХ «Баймакское».

Проанализировав экономическую часть проекта, можно увидеть, что при разработке топливной системы дизеля трактора Т-25 окупаемость проекта составит примерно один год. Экономический эффект от внедрения конструкции на 1 трактор составит 50856 руб., а при наличии в хозяйстве 2 автомобилей составит 101712 руб.

Для того чтобы уменьшить срок окупаемости проекта необходимо:

увеличить количество тракторов работающих на биотопливе;

повысить урожайность, увеличить площади посевов рапса.

Таким образом, на основе проделанной работы и вышесказанного, предлагаю принять к реализации данный проект согласно принятой стратегии.

Список литературы

1.  Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя в 3-х т. - М.: Машиностроение, 1980. - 440 с.

2.  Баскакова А.П. Теплотехника. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 223 с.

3.      Боголюбов С.К. Инженерная графика. - 3-е изд., испр. и дополн. - М.: Машиностроение, 2000. - 352 с.

.        Живописцев Е.Н., Косицын О.А. Электротехнология и электрическое освещение - М.: Агропромиздат, 1990. - 303 с.

.        Крутова В.И. Теплотехника. - М.: Машиностроение, 1986. - 432 с.

.        Колчин Л.И. и др. Расчет автомобильных и тракторных двигателей - М.: Высшая школа, 1980. - 400 с.

.        Кузнецов А.В., Рудобашта С.П., Сименко А.В. Основы теплотехники, топливо и смазочные материалы - М.: Колос, 2001. - 248 с.

8.  Назаренко Н.Т. Экономика сельского хозяйства. - Воронеж: CAGE, 1995. - С. 168-174.

9.  Николаенко А.В. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей - М.: Колос, 1984. - 335 с.

10.    Попова Г.Н., Алексеев С.Ю. Машиностроительное черчение: Справочник. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1987. - 447 с.

.        Сидорин К.И., Марков Е.Я., Радзиван А.С. Атлас конструкции советских двигателей - М.: Машиностроение, 1977. - 192 с.

12.      Чижиков Т.В. Стандартизация, сертификация и метрология. Основы взаимозаменяемости. - М.: Колос, 2002. - 240 с.

13.    Методическое пособие к выполнению курсового проекта по тракторам и автомобилям. Составители: проф. Баширов Р.М., доц. Гимадиев Р.Г., доц. Неговора А.В. - Уфа: БГАУ, 2001. - 47 с.

14.    Методическое указание к выполнению расчетно-графических работ по теплотехнике. Составители: доц. Мигранов Д.Х. - Уфа: БГАУ, 2003. - 31 с.

15.      Методические указания по организационно-экономическому обоснованию инженерных решений в дипломных проектах (по спец. 31.13). - Уфа: БСХИ, 1993. - 24 с.

16.    Методические указания к разработке в дипломных проектах раздела «Безопасность и экологичность проекта». - Уфа: БГАУ, 2004. - 12 с.

17.        Методические рекомендации по сбору данных и нормативы для экономических разработок в дипломных проектах. - Уфа: БГАУ, 2004 - 16 с.

18.    Стандарт организации СТО 0493582-003-2006. Самостоятельная работа студентов. - Уфа: БГАУ. Введен 01.06.04. - 29 с.

.        ГОСТы. Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Общие правила выполнения чертежей. - М.: Изд. стандартов, 2001. - 159 с.

.        ГОСТ 1.5-93. Межгосударственная система стандартизации. Основные требования к чертежам. Введен 01.12.94. - Минск: Изд. Стандартов. - 75 с.

© 2003 - 2022 «Библиофонд»

Обратная связь

Пользовательское соглашение

Политика конфиденциальности

Полная версия

Помощь по учебным работам

Консультация по курсовой работе

Консультация по дипломной работе ВКР

Консультация по реферату

Консультация по отчетам о практике