автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение чистоты топлива в системе питания дизельных двигателей сельскохозяйственных машин

9 9 ■........... У

° На правах рукописи

Лоскутов Владимир Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЧИСТОТЫ ТОПЛИВА В СИСТЕМЕ ПИТАНИЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН

Специальность 05.20.03 - эксплуатация, восстановление и ремонт

сельскохозяйственной техники.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор Коваленко В.П. Научный консультант: доктор технических наук, профессор Симоненко A.B.

Москва, 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования 6

1.1. Загрязненность дизельного топлива в системах 6 питания

1.2. Влияние загрязнений на работу топливной аппаратуры 11 дизельных двигателей

1.3. Методы и средства для очистки топлива в системах 21 питания дизельных двигателей

1.4. Методы определения содержания воды в 31 нефтепродуктах и эффективности водоотделения

1.5. Выводы по главе и постановке задач исследования 34 Глава 2. Закономерности процесса отстаивания топлива в баках 36 мобильных машин

2.1. Механизм осаждения частиц загрязнений и 36 микрокапель воды

2.2. Распределение загрязнений в баке 41

2.3. Теоретические основы работы тарельчатых 51 динамических отстойников

2.4. Выводы по главе 57 Глава 3. Методика экспериментальных исследований 59

3.1. Конструкция экспериментальных установок и 59 методика исследований

3.2. Метод анализа проб топлива 66

3.3. Конструкция экспериментального стенда 72

3.4. Выводы по главе 74 Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 76

4.1. Исследование динамики осаждения загрязнений в 76 топливном баке

4.2. Исследование эффективности работы тарельчатого 79 динамического отстойника

4.3. Анализ экспериментальных данных 82

4.4. Выводы по главе 92

Глава 5. Результаты эксплуатационных испытаний устройства 93 для повышения чистоты топлив в баках и оценка его экономической эффективности

5.1. Конструкция динамического тарельчатого отстойника 93

5.2. Результаты эксплуатационных испытаний 100

5.3. Экономическая эффективность выполненных 101 исследований

5.4. Выводы по главе 104 Общие выводы 106 Литература 108 Приложения 113

Введение

Сельское хозяйство является одним из самых массовых потребителей нефтепродуктов, расходуя более 40% дизельного топлива и около 30% бензина, производимых в стране. Надежная работа сельскохозяйственной техники может быть обеспечена только при условии применения при ее эксплуатации качественных нефтепродуктов.

Уровень загрязненности является основным показателем качества топлива, который способен существенно изменяться в процессе производства, транспортировки; заправки и применения; а также оказывать определенное влияние на надежность двигателей внутреннего сгорания сельскохозяйственной техники.

Обеспечению чистоты топлив, применяемых при эксплуатации мобильных машин в народном хозяйстве страны, посвящено много теоретических исследований, экспериментальных и практических работ. Эти работы проводились в области очистки различных нефтепродуктов с применением разнообразных технических устройств (фильтры, отстойники и т.д.), которые использовались для повышения чистоты отдельных сортов топлива как в процессе транспортировки этих нефтепродуктов от завода-изготовителя до двигателя мобильной машины, так и непосредственно в системе питания двигателя при его эксплуатации. Несмотря на достигнутые в этих работах значительные результаты, некоторые вопросы очистки нефтепродуктов от загрязнений требуют дальнейшего изучения, например, обезвоживание топлив в процессе работы двигателя.

Система обеспечения чистоты нефтепродуктов в агропромышленной сфере при их транспортировании, хранении и заправке сельскохозяйственной техники разработана в [1]. Система включает комплекс мероприятий по предотвращению загрязнения и эффективной очистке всех нефтепродуктов (в том числе и топлив), применяемых в сельском хозяйстве. Разработанные

мероприятия не затрагивают вопросы обеспечения чистоты нефтепродуктов при эксплуатации мобильных машин.

Данной проблеме посвящена работа [2], где исследовалась в том числе и очистка дизельного топлива в процессе эксплуатации различной техники, однако, несмотря на обилие исследований по дизельным двигателям и топливной аппаратуре, целый ряд вопросов, возникающих в условиях эксплуатации дизельных двигателей, до сих пор недостаточно изучен.

Загрязненность дизельного топлива резко снижает работоспособность топливной аппаратуры: от 30 до 95% отказов дизельных двигателей связано с неисправностями системы питания, причем половина этих отказов вызвана загрязненностью топлива.

Учитывая изложенное, настоящей работе была поставлена задача повышения чистоты топлива в системе питания дизельных двигателей сельскохозяйственной техники.

1. Состояние вопроса и постановка задач исследования

1.1. Загрязненность дизельного топлива в системах питания

При эксплуатации сельскохозяйственной техники происходит загрязнение топлива на всех этапах: при транспортировке от завода-изготовителя, хранении на нефтескладах, заправке и применения непосредственно в системе питания двигателя. При этом, несмотря на принимаемые меры, уровень загрязненности увеличивается более чем в 2 раза. В свою очередь надежность работы двигателей, их топливная экономичность зависят от состояния топливной аппаратуры.

Исследованиями К.В. Рыбакова, В.П. Коваленко, А.И. Руденко, В.И. Зрелова, В.Е. Турчанинова и др. [3—7 и др.] установлено, что рост загрязненности топлива имеет место практически на всех этапах его хранения, транспортирования, перекачки и заправки и в процессе эксплуатации машин.

В условиях сельскохозяйственного производства, повышенной запыленности окружающей среды загрязненность дизельного топлива может достигать 0,063% (масс). Размер отдельных частиц загрязнений может быть до 500 мкм.

Все исследователи отмечают тенденцию к увеличению концентрации механических примесей в дизельном топливе при транспортировании от нефтебазы до баков сельскохозяйственной техники (табл. 1.1 и 1.2). Удлер Э.И. в работе [9] установил, что топливо, доставленное на нефтесклад хозяйства в южной климатической зоне, содержит 0,0115—0,0148% загрязнений.

При несоблюдении правил хранения топлива в наземных резервуарах хозяйств его загрязнение может достигать 0, 0649%, что в 5 раз превышает уровень загрязнения топлив в средней климатической зоне, где этот показатель составляет 0,0126%.

Авторы работ [10, 11] указывают, что загрязненность топлива возрастает от 0,006% (резервуар нефтесклада) до 0,025% (топливный бак), а дизельное топливо, выдаваемое нефтебазами своим потребителям, уже содержит 0,01— 0,12% загрязнений.

А.И. Руденко и К.В. Рыбаков в работе [12] приводят данные о загрязненности дизельного топлива в условиях сельских нефтескладов, которая составляет 0,0005—0,063% с размерами частиц от 1 до 500 мкм. Загрязненность дизельного топлива при транспортировании исследовал Л.А. Емельянов [13]. Он пришел к выводу, что содержание загрязнений при транспортировании составляет 0,02—0,03%, а при заправке в условиях запыленности воздуха от 1,0 до 2,5 г/м3 содержание загрязнений в баке трактора возрастает в 2—3 раза и достигает 0,25%. Исследования загрязненности дизельных топлив на заправочных пунктах проведены Карпекиной Т.П. [14].

Таблица 1.1

_Загрязненность дизельного топлива по данным [8]

Место отбора проб Ростовская область Московская область Оренбургская область

Содержание механических примесей, % (масс)

Нефтебаза 0,0009 0,0006 0,001

Нефтесклад 0,0025 0,0056 0,0016

хозяйства

Склад 0,0040 0,0067 0,0026

тракторной бригады

Бак 0,0222 0,0327 0,009

трактора (донная проба)

В

свежего

процессе слива топлива в резервуар происходит перемешивание топлива с его остатками и осевшими загрязнениями. В резервуарах

топливо подвергается дальнейшему загрязнению за счет накопления продуктов коррозии, атмосферной пыли и влаги, поступающих в резервуары в результате малых и больших дыханий.

Таблица 1.2

Загрязненность дизельного топлива по данным [7].

Место отбора Узбекистан Алтайский край Новосибирская область

проб Содержание механических примесей, % (масс)

Нефтебаза 0,00227 0,001 0,00286

Центральный 0,00306 0,0028 0,00336

склад

хозяйства

Склад 0,00825 0,0057 0,00856

тракторной бригады

Бак трактора (донная проба) 0,16 0,0096 0,0125

По данным [11] среднее содержание загрязнений в баках тракторов составляет 0,008—0,009%.

Загрязненность топлива в баках тракторов зависит от характера выполняемых технологических операций и времени года. Так в работе [14] показано, что загрязненность топлива, заправленного в баки, составляет 0,0018% зимой и 0,0062% летом при максимальном размере частиц 60 мкм. Дальнейшее загрязнение топлива происходит в баках мобильных машин за счет остаточного топлива, продуктов коррозии, атмосферной пыли и влаги, поступающих в баки по мере расхода топлива и колебаний температуры. И если первоначальное содержание загрязнений в баках составляло 0,0091% с размером частиц около 70 мкм, то к концу рабочего дня эти величины возрастали до 0,0098% и 80 мкм соответственно [14]. Увеличение загрязненности топлива в процессе транспортировки, хранения и заправки

обусловлено главным образом попаданием в него атмосферной пыли и остаточными загрязнениями, скапливающимися в баках и резервуарах, которые повторно загрязняют свежее топливо. Атмосферная пыль и влага попадает в топливо на всех этапах его хранения, транспортировки и заправки.

Загрязнения, содержащиеся в топливе, состоят из продуктов неорганического и органического происхождения, воды и микроорганизмов. К загрязнениям неорганического происхождения относятся атмосферная пыль, продукты коррозии металлов и их сплавов. Загрязнения, попадающие в дизельное топливо в виде пыли, на 60—80% состоят из кварца (8102) и оксидов металлов (2пО, Ре?Оз, СаО, А^Оз). Данные приведены в работе [12].

Многие исследователи отмечают, что остаточные загрязнения составляют 16—24% суммарного количества загрязнений. Механизм их образования весьма разнообразен: от износа аппаратуры, коррозии емкостей до химических и физико-химических процессов [3—5].

Таким образом, дизельное топливо, применяемое в различных отраслях народного хозяйства, а особенно в сельском хозяйстве, подвержено постоянному загрязнению механическими частицами.

По данным [14], в топливных баках имеет место примерно равное соотношение неорганической и органической части загрязнений (табл. 1.3). Дизельное топливо в баках тракторов и автомобилей содержит также значительное количество свободной воды. Содержание загрязнений в топливе, поступающем в топливный насос высокого давления дизеля (ТНВД) составляет в зимний период 0,0024% масс, а в летний — 0,014% масс. Исследованиями установлено, что при эксплуатации мобильных машин в сельском хозяйстве в топливных баках содержание свободной воды составляет до 0,08—0,1% в средней климатической зоне, а в южной— 0,025—0,3%. К моменту замены фильтрующих элементов в корпусах фильтров грубой и тонкой очистки скапливается 3 м воды.

Таблица 1.3

Относительный состав загрязнений дизельного топлива в баках автомобилей по данным [14].

Состав Содержание, % (масс)

загрязнений МАЗ-206 КрАЗ - 256

Неорганическая часть 30 67

Органическая часть 70 33

в том числе:

асфальтены 3 2

оксикислоты 7 4

карбены и карбоиды 60 27

По данным [69] отстой, сливаемый из корпусов фильтров грубой очистки, содержит до 83% воды, до 7% водотопливной эмульсии, порядка 8 % механических загрязнений. А состав отстоя, сливаемого из корпусов фильтров тонкой очистки, содержит 66% воды, 14% водотопливной эмульсии и 4 % загрязнений различного происхождения. Большие исследования по обводненности то пли в проводились в авиации [25, 33], при этом полученные результаты аналогичны данным исследований наземной техники.

При проведении исследований содержания свободной воды и механических загрязнений в топливных баках тракторов ДТ-75 и К-700 в южной климатической зоне обнаружено, что до 0,05—0,07% объема бака заполнено водой. В отстое, сливаемом из корпусов фильтров тонкой очистки автомобилей КамАЗ, содержалось до 0,34% воды [70].

В средней климатической зоне содержание свободной воды несколько меньше, но тоже достигает значительной величины. Однако процессы обводнения дизельных топлив и ограничения доступа свободной воды к приборам систем питания мобильных сельскохозяйственных машин еще мало изучены.

Устройства, ограничивающие поступление свободной воды из топливных баков в двигатель, на отечественных тракторах и автомобилях отсутствуют.

1.2. Влияние загрязнений на работу топливной аппаратуры дизельных двигателей

Топливная аппаратура является важнейшей составной частью системы питания двигателя. От совершенства ее конструкции и повышения работоспособности зависят основные эксплуатационные показатели двигателя. Надежность и долговечность топливной системы дизелей в значительной мере зависит от чистоты топлива, поступающего в ТНВД и к форсункам. Около 50% отказов в работе топливной системы дизельных двигателей происходит в результате загрязнения топлива [16]. Плунжерные пары ТНВД являются наиболее уязвимым звеном насоса.

По мнению B.C. Тарасова [17], ресурс деталей плунжерных пар при использовании топлива, содержащего кварцевую пыль в количестве 0,0415 кг/м , составляет всего 20—24 часа, а при тщательной очистке топлива от загрязнений ТНВД может работать более 16 тысяч часов. Ресурс плунжерных пар зависит от многих факторов, которые можно разделить на две основные группы [18]. К первой группе следует отнести конструктивно-технологические факторы: конструкция пары, ее материал, термическая обработка и защитное покрытие деталей пары, первоначальный технологический зазор в паре. Вторая группа факторов отражает влияние эксплуатационных условий, в которых работает насос. К ним относятся такие показатели, как качество топлива, степень очистки его от механических загрязнений и воды, количество загрязнений и размеры твердых частиц, проникающих через плунжерную пару в процессе работы и др.

Многолетний опыт эксплуатации показывает, что, наряду с улучшением качества изготовления топливной аппаратуры и применением для плунжерных пар износостойких материалов, на увеличение их ресурса первостепенное влияние оказывает повышение качества очистки топлива. Попадание механических загрязнений минерального происхождения в сопряжения

прецизионных пар вызывает гидроабразивный износ, причем, по мнению авторов ряда работ [15, 17, 19, 20] гидроабразивный износ и является основным видом изнашивания плунжерных пар.

Механические загрязнения, основными составляющими которых являются оксиды алюминия и кремния, служат главным источником износа деталей топливной аппаратуры. Прецизионные пары (плунжер, гильза и детали распылителя форсунки) имеют очень высокую чистоту поверхности, подбираются индивидуально друг к другу. Абразивные частицы вместе с топливом проникают в плунжерное пространство, а затем под действием высокого давления некоторая часть топлива с частицами просачивается в зазор между плунжером и гильзой. Поскольку твердость окиси алюминия по десятибалльной шкале достигает 9 баллов, а твердость деталей ТНВД — только 7—8 баллов, механические частицы проникая в зазор между поверхностями плунжера и втулки, внедряются в них, деформируя поверхностные слои деталей или срезая частички металла.

Расулов Х.А. в работе [21] отмечает, что долговечность плунжерных пар, работавших на тщательно отфильтрованном топливе, составила 8... 10 тыс. мото.-ч, тогда как на недостаточно отфильтрованном — 400...500 мото.-ч. Фомин Ю.Я. и другие [22] считают, что до 95% отказов плунжерных пар происходит по причине абразивного износа. Гуревичем Д.Ф. [18] приведены кривые износа плунжеров (рис 1.1) по времени при использовании отфильтрованного топлива без механических загрязнений. Нарастание износа происходит по типичным кривым износа. Величина износа составляет за 3000 часов работы около 0,35 мкм, т.е. практически неощутима.

При использовании топлива, загрязненного механическими примесями, характер износа плунжера совершенно другой (рис. 1.2). Интенсивность износа возрастает с увеличением размера абразивных частиц, значительно превышающих радиальный зазор.

время, ч

Рис. 1.1. Износ плунжеров в зависимости от длительности испытания при

отсутствии в топливе абразивных частиц; о — серийные; х — хромированные

время, час

Рис. 1.2. Износ плунжеров в зависимости от длительности испытаний при загрязнении топлива частицами размером до 30 мкм; о — серийные; х — хромированные

Аналитическое выражение для интенсивности износа плунжерных пар в зависимости от концентрации абразивных примесей в топливе можно получить воспользовавшись предположением [18], что износ пропорционален числу абразивных частиц, перемещающ