автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Совершенствование очистки дизельного топлива в процессе эксплуатации двигателей сельскохозяйственных и транспортных машин

На правах рукописи//'

ооьию—

Воробьев Андрей Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОЧИСТКИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ И ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН

Специальность 05.20.03 - «Технологии и средства технического обслуживания

в сельском хозяйстве»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 МАП 2012

Москва-20] 2

005018921

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Коваленко Всеволод Павлович

Официальные оппоненты: Девянин Сергей Николаевич доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина», заведующий кафедрой «Тракторы и автомобили».

Сыроедов Николай Евгеньевич - кандидат технических наук, доцент, Федеральное автономное учреждение «25 Государственный научно-исследовательский институт химмотологии Министерства Обороны Российской Федерации», ведущий научный сотрудник.

Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук».

Защита состоится «22» мая 2012 года в «13:00» часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина» по адресу: 127550, г. Москва, Лиственничная аллея, д.16А, корпус 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГАУ.

Автореферат разослан «18» апреля 2012 г.

/>с/

Ученый секретарь диссертационного совета .и^/ШЛ А- Г. Левшин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Высокая насыщенность агропромышленного комплекса автотракторной, зерноуборочной и другой самоходной техникой, оснащенной дизельными силовыми установками, с особой остротой ставит вопрос сохранения качества топлива, применяемого при эксплуатации этой техники. Важными результатами решения этого вопроса являются экономия горючего, продление срока службы двигателей и снижение отрицательного воздействия процесса их эксплуатации на окружающую среду.

Основными направлениями сохранения качества дизельного топлива являются разработка и осуществление мероприятий по снижению его загрязненности и обводненности. Особенно необходимо совершенствовать процесс очистки топлива перед его применением по назначению - непосредственно в системе питания дизеля.

Существующая система очистки дизельного топлива, поступающего в баки сельскохозяйственной техники, в большинстве случаев не полностью обеспечивает требуемую чистоту этого продукта. Тем не менее даже при высоком уровне чистоты заправляемого топлива при поступлении в камеру сгорания двигателя оно содержит значительное количество загрязнений, попадающих в него из атмосферы, и других внешних и внутренних источников. Поэтому разработка мероприятий по предотвращению попадания загрязнений в топливный бак и создание высокоэффективного средства очистки топлива в системе питания дизеля являются научными и практическими задачами, весьма актуальными для сельского хозяйства и других отраслей, в которых эксплуатируются дизельные двигатели.

Целью настоящего исследования является повышение эффективности очистки и обезвоживания дизельного топлива при эксплуатации мобильной техники в условиях сельскохозяйственного производства.

Объект исследования: перспективные конструкции средств обеспечения чистоты дизельного топлива с оптимальными технико-экономическими характеристиками для использования в системах питания дизелей.

Предмет исследования: процессы обеспечения чистоты дизельного топлива путём предотвращения попадания загрязнений в систему питания дизеля и тонкой очистки от механических частиц и эмульсионной воды в этих системах.

Научная новизна работы заключается в разработке математических моделей процессов накопления твёрдых загрязнений и эмульсионной воды в топливных баках мобильных машин, в теоретическом обосновании конструкции средств очистки дизельного топлива в системе питания двигателя и разработке физико-математических моделей процессов очистки топлива с использованием этих устройств, а также в экспериментальном подтверждении эффективности их использования.

Практическая ценность работы состоит в разработке мероприятий по предотвращению попадания загрязнений в топливный бак и конструкции устройств для тонкой очистки дизельного топлива в системе питания дизеля, а также рекомендаций по использованию указанных устройств.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 26-й Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей» (Санкт-Петербург, 2011), Международной научно-практической конференции «Научные проблемы эффективного использования тягово-

транспортных средств в сельском хозяйстве» (Москва, 2011, 2012), XVI Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства» (Тамбов, 2011), Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии и оборудование в системе технического сервиса АПК» (Москва, 2011), заседаниях кафедры «Автомобильный транспорт» ФГБОУ ВПО МГАУ (2010,-2011).

Публикации. Результаты работы опубликованы в 9 научных статьях, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК, получен патент на полезную модель № 110659.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников из 114 наименований. Диссертация выполнена на 178 страницах машинописного текста, в том числе содержит два приложения, 31 таблицу и 38 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована ее цель, определены объект и предмет исследований, изложены научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе «Состояние вопроса и постановка задач исследования» рассмотрены процессы, протекающие в дизельном топливе под влиянием внешних и внутренних факторов, и изучены взаимосвязи между явлениями, приводящими к образованию в топливе загрязнений. Предложена уточнённая классификация загрязнений. Проанализированы данные о фактической загрязненности дизельного топлива на различных этапах его жизненного цикла и рассмотрено влияние загрязнений на работу дизеля и экологию окружающей среды. Показана необходимость очистки дизельного топлива от механических загрязнений и эмульсионной воды.

Вопросам очистки нефтепродуктов от механических загрязнений и эмульсионной воды для повышения надежности мобильной техники посвящены работы В.И. Барышева, Г.Ф. Большакова, Г.В. Борисовой, Г.С. Бродского, В.И. Волкова, М.А. Григорьева, Ю.И. Дмитриева, E.H. Жулдыбина, В.П. Зезе-кало, Б.С. Квашнина, В.П. Коваленко, A.C. Полякова, А.И. Руденко, К.В. Рыбакова, A.B. Симоненко, Э.И. Удлера, З.Л. Финкельштейна и многих других ученых. Рассмотрение методов очистки дизельного топлива показало, что перспективным является применение для этой цели фильтрующих гидрофобных перегородок с их непрерывной регенерацией. Целесообразно осуществлять эту операцию с использованием гидродинамического эффекта, заключающегося в том, что подвод жидкости к фильтрующему элементу осуществляется не в радиальном направлении, а параллельно его поверхности, и задержанные на этой поверхности загрязнения (твердые частицы и микрокапли воды) удаляются с нее потоком жидкости. Использование гидродинамического эффекта дает возможность повысить тонкость очистки дизельного топлива без уменьшения размера пор фильтрующего элемента, т.е. без увеличения его гидравлического сопротивления, повысить ресурс его работы и обеспечить эффективное обезвоживание топлива на гидрофобной фильтрующей перегородке. В результате критического анализа рассмотренных материалов сформулированы конкретные задачи, которые необходимо решить для осуществления поставленной цели.

Во второй главе «Теоретическое обоснование конструкции средств обеспечения чистоты дизельного топлива в системах питания дизелей» показано, что совершенствование очистки дизельного топлива должно включать: разработку эффективного воздушного фильтра для очистки воздуха, поступающего в топливный бак; создание приспособлений для повышения эффективности гравитационной очистки топлива в баке; увеличение ресурса работы фильтра тонкой очистки и придание ему функций водоотделителя. Решение указанных задач требует исследования процессов, определяющих общее количество и гранулометрический состав твёрдых загрязнений, а также содержание эмульсионной воды в дизельном топливе. Эти показатели загрязнённости топлива являются исходными данными при разработке математических и физических моделей функционирования устройств для обеспечения чистоты топлива в системе питания дизелей. После 1-ой заправки концентрация загрязнений в баке будет равна:

+ .....+ (1)

у( V V V я

где С2, - суммарное количество загрязнений в топливном баке, г; С„ — концентрация загрязнений в заправляемом топливе, г/л; С, - концентрация загрязнений в воздухе, г/л; ¡г, -объём бака, л; К0 - остаток топлива в баке, л.

V V'

Так как величина ■—< 1, при г » н>0, и при достаточно большом количестве заправок выражение (1) примет вид:

V V

г = 1п -Ь —С, + С . (2)

К К-К

у

Поскольку обычно отношение —=0,1...0,2, загрязненность топлива достигает предельного значения через 2...3 заправки. Анализ этих зависимостей подтверждает намеченные пути снижения загрязненности топлива в системе питания дизеля.

Рассмотренный механизм изменения загрязненности топлива в баке справедлив для дизелей с тупиковой или замкнутой схемами системы питания, а при проточной схеме избыточное топливо, не попавшее в камеру сгорания, сливается в топливный бак. При этом расчет грязеемкости фильтра тонкой очистки по формуле (2) даст несколько завышенные значения, однако целесообразно принимать этот показатель с запасом.

Влага, попадающая в дизельное топливо, имеет преимущественно атмосферное происхождение и первоначально находится в атмосфере в виде водяных паров или осадков. Количество водяных паров, поступающих в бак в результате расхода топлива при работе двигателя, можно определить из выражения:

0обд = 0,001КдСв, (3)

где С„бД - масса атмосферной влаги, попавшей в бак при большом дыхании, кг; К, = 1-'С)- К, = Ясрд - объем израсходованного двигателем топлива, м ; gc - секундный расход топлива, г/с; р, - плотность топлива, кг/м"; т - продолжительность работы двигателя, с; С, - абсолютная влажность воздуха во время работы двигателя, г/м3.

Это выражение справедливо для случая, когда газовое пространство бака непосредственно соединяется с атмосферой, а упругостью паров топлива можно пренебречь. Если топливный бак оборудован дыхательным клапаном, влажный воздух поступает в него при возникновении вакуума. Сделаем допущение,

что этот процесс подчиняется закону Бойля-Мариотта, т.е. протекает при постоянной температуре, и справедливо уравнение:

Рш Ко„=Л, К =0\ - Рт - Ру) Иг, (4)

где Ра и Рц- соответственно атмосферное давление и давление в баке после открытия клапана, Па; Рк, и Ру - соответственно давление открытия клапана и упругость паров топлива, Па; Квозд и К, - соответственно объем воздуха, поступившего в бак, и объем топлива, выданного из него, м3.

Отсюда

Р -Р -Р

v =-1-—-г-V (5)

ВОЗД р п • W/

а

Количество атмосферной влаги, поступающей в бак при выдаче из него топлива, определяется из выражения:

_0,001Fn

^»бд --р- "б^в, (6)

а

где Pg= Р. - Рк,- Ру -давление в баке, Па.

Аналогичным путем, пользуясь уравнением газового состояния и законом Дальтона, можно определить количество влаги, поступающей в вакуума из-за уменьшения объема топлива и снижения упругости его паров.

Кроме попадания паров влаги в газовое пространство топливного бака с атмосферным воздухом при срабатывании дыхательного клапана, влага может поступать в бак также в виде атмосферных осадков при наличии зазоров в его горловине при установке в ней раздаточного крана, а также при разгерметизации бака для осмотра и технического обслуживания. Суммарное количество влаги, попавшей в топливный бак, составляет:

GB = Ga6a + G„, +GHnop +GBlcol„ (7)

_ 2itRàD0..ph

где --jqqq*— - количество влаги, попавшей через зазоры, кг; GBnop = 0,001 Кб Csn„p -

количество поступившей в порожний бак влаги при его разгерметизации для внутреннего осмотра, зачистки и т.п., кг; GB1(0„ = 0,001 Кемк (Стор - CBnJj количество влаги, сконденсировавшейся на внутренних поверхностях порожнего бака при понижении температуры, кг; R -радиус горловины, м; 5 = R-R, - средняя величина зазора, м; Rr. - радиус патрубка раздаточного крана, м; = _ количество осадков, мм; Gr - средняя норма осадков для данное

ной местности, мм/год; т3 - суммарная продолжительность заправок, ч/сут; тос-средняя продолжительность осадков для данной местности, ч/год; рв - плотность воды, кг/м ;CBi,op и Сти -соответственно абсолютная влажность воздуха, поступающего в порожний бак и вытесняемого из бака при наливе в него дизельного топлива, г/м .

Из этого количества часть влаги растворится в дизельном топливе, часть ее образует с ним эмульсию, а часть останется в газовом пространстве бака в виде паровой фазы. Растворимость воды в нефтепродуктах невелика и для дизельного топлива ДЛ колеблется от 0,0021 % при -10 °С до 0,0104 % при 30 °С, поэтому удалять из дизельного топлива растворенную воду нецелесообразно. В основном влага находится в дизельном топливе в виде микрокапель, образуя эмульсионную воду, находящуюся в динамическом равновесии с растворенной в топливе водой. С течением времени микрокапли воды могут укрупняться и, осаждаясь, образовывать на дне емкости слой отстойной (подтоварной) воды, которая также находится в динамическом равновесии с растворенной в продукте водой, а также частично

эмульгируется обратно в топливо при транспортной тряске. Процесс образования подтоварной воды в баке будет зависеть от количества и размера микрокапель воды, диспергированных в дизельном топливе. Объем подтоварной воды, образовавшейся в топливном баке за некоторый промежуток времени:

_ Кп „Г„Ч 2ц„+3цв

отс , , (8)

Рв-Р„

где Коте - объем подтоварной воды, м ; /V - количество микрокапель воды в единице объема топлива в начальный период, шт./м"; У„ - объем топлива в баке, м3; т - продолжительность осаждения микрокапли воды, с, А'-коэффициентперемешивания.

Данное выражение носит оценочный характер из-за трудностей определения количества капель в топливе и их размера. Прочие закономерности, описывающие механизм обводнения дизельного топлива атмосферной влагой, также дают неполную картину этого процесса и требуют корректировки с помощью экспериментальных данных.

Максимальное суммарное количество влаги, способное находится в топливе в свободном состоянии, можно определить, используя выражение:

К^^-С. -рпСГос, +2яйШ„р„ + (Уп+Ут)(С -Ст)

= 0,001

где 0\„

(9)

максимальное количество свободной воды в дизельном топливе, кг; р„ - плот-

ность дизельного топлива, кг/м ; У„г = - Уи - количество дизельного топлива, оставшегося в бакс после работы двигателя, м3.

Этим количеством свободной воды следует задаваться при расчете средств для обезвоживания дизельного топлива при эксплуатации сельскохозяйственной техники.

Поскольку значительное количество атмосферной пыли и влаги попадает в топливные баки дизелей, вместе с воздухом, поступающим туда в процессе эксплуатации, наиболее эффективным методом его очистки является фильтрование. Установлено, что формирование пылевого осадка на волокнах фильтрующей перегородки при скорости воздушного потока 1 м/с происходит с образованием локальных боковых наростов, направленных под углом 110... 120° к оси потока (рис. 1). Это свидетельствует о преимущественном отложении пыли на поверхности перегородки, в лобовой части её волокон и об отсутствии необходимости использования в рассматриваемых условиях объемных фильтров.

По мере накопления осадка пористость среды уменьшается, что препятствует свободному прохождению воздуха, и возникает необходимость в удалении этого осадка. Для регенерации пористых перегородок эффективна их вибрационная очистка, которую целесообразно применять при регенерации воздушных фильтров, установленных на топливных баках дизелей.

Фильтрационные методы обезвоживания воздуха отличаются от аналогичных методов его очистки от твердых частиц. Гидрофобная пористая перегородка пропускает воздух, но является непроницаемой для содержащейся в нём капельной влаги, которая остается на поверхности этой пере-

\ /////№\ \ \\\ упмим

Рис. 1. Схема образования слоя пыли при ее адгезии к волокнам пористой перегородки: 1 - частицы пыли; 2 - осадок; 3 - волокно

городки. Задержка перегородкой капельной влаги происходит за счет адгезионных процессов. При взаимодействии микрокапли воды с пористой перегородкой решающую роль играют величина: поверхностного натяжения на границах раздела фаз и краевой угол смачивания поверхности жидкостью (рис. 2).

Газ В условиях равновесия системы «воздух-

^(воздух)^ 0гв вода-перегородка» взаимодействие ее составных частей описывается уравнением:

Поверхность / Жидкосп. .

(Перегородка) (< (Вода) с<»9 = - "' (10)

ницах трехфазной систе мы «воздух-вода-перегородка»

где о,,,, сг„ и Сгв - соответственно поверхностное натяжение на границах раздела «вода-перегородка», «газ (воз' л ух)—перегородка» и «газ-вода» Н/м; соей — краевой угол Рис.2. Схема адгезионно- смачивания, град; а - угол кривизны перегородки, град, го взаимодействия на гра- , Продавливание капель воды через поры гид-нипах тпехЛазной систе- рофобнои перегородки происходит только при

достижении некоторого критического давления, создаваемого потоком воздуха, которое можно найти из выражения:

ов„/„= (а, „ - огв собО ) /„ =Ркр5п, (11)

где /„ - длина линии контакта по периметру поры, м; Ркр - критическое давление, Па; -площадь поперечного сечения поры, м2.

Отсюда величина критического давления для поры круглого сечения:

где с1п - диаметр поры, м.

Недостатком использования гидрофобных перегородок является блокирование микрокаплями воды пор перегородки, что препятствует прохождению через них очищаемого воздуха. Удалять микрокапли воды с поверхности пористой перегородки, как и пылевого осадка, можно путём вибрационной очистки этой поверхности. При этом нерационально применять дополнительные устройства, так как сам двигатель внутреннего сгорания является источником упругих колебаний от вибрации в широком спектре частот. Эффективность вибрационной очистки пористой перегородки зависит от частоты и амплитуды её колебаний. Частота колебаний воздушного фильтра будет равна частоте колебаний топливного бака, на котором он установлен, но амплитуда колебаний этого бака, жестко смонтированного на раме мобильной машины, имеет ограниченные значения. Величину этого параметра можно увеличить, используя явление резонанса, для чего следует установить фильтр на цилиндрической пружине сжатия, характеристики которой должны удовлетворять условию:

Л = а>„, (13)

[к

где П - частота колебаний топливного бака, Гц; а>„ =. I— - собственная частота колебаний

V т

воздушного фильтра, Гц; к - 'жесткость пружины; т - масса воздушного фильтра, г.

Выражение (13) является условием резонанса. Тогда уравнение для нахождения требуемой жесткости пружины будет иметь вид:

к = О. т. (14)

Чистоту топлива в баке можно существенно повысить за счет гравитационного осаждения содержащихся в нем загрязнений, ускорив этот процесс путем забора топлива из верхних слоев бака с помощью плавающих приемных устройств, в которые первоначально попадают только довольно мелкие частицы и капли воды, но по мере снижения уровня топлива в баке могут попасть и не успевшие осесть крупные загрязнения. Для повышения эффективности гравитационной очистки топлива в баке плавающее приемное устройство целесообразно оснастить тонкослойным динамическим отстойником, выполненным в виде пакета конических тарелок.

В межтарельчатом пространстве динамического отстойника поток топлива совершает плоскопараллельное движение, а твердые частицы перемещаются под воздействием гидродинамической силы потока, направленной параллельно конической образующей тарелок, и объемной силы, являющейся разностью гравитационной и архимедовой сил, направленной вертикально вниз. Осаждение частицы происходит при совместном воздействии указанных сил. За скорость частицы под действием гидродинамической силы потока принимаем среднюю скорость потока в наименьшем сечении межтарелочного пространства, т.е. на выходе из этого пространства:

^..ог- „ 2 п (15)

где - пропускная способность динамического отстойника, м/с; От - внутренний диаметр тарелки, и; 5 - расстояние между тарелками, м; п - количество тарелок в пакете, шт.

После осаждения частицы на поверхность тарелки она подвергается воздействию гидродинамической силы потока, продольной составляющей гравитационной силы и силы сопротивления движению частицы по поверхности (рис. 3), которые имеют следующие значения:

=^рл<4„г (15)

Я^Лг^-О^япа (16)

(17)

где Г„„ , и соответственно гидродинамическая сила потока, продольная составляющая гравитационной силы и сила сопротивления движения частицы, Н; —-

Р, 6

нормальная составляющая гравитационной силы, Н; /•■„ - лобовая подъёмная сила, Н; /= 0,70,8 - коэффициент трения; »•„,„= - скорость потока в окрестностях осевшей части-

о

цы, м/с.

Если не учитывать влияние на частицу лобовой подъемной силы, имеющей малую величину, то условие скатывания осажденных частиц вдоль образующей тарелки и последующий их отвод с поверхности тарелки произойдет при условии:

Р\1р > Гтг + 1<с. (18)

Рис.3. Схема сил, воздействующих на твердую частицу после ее осаждения на поверхность тарелки

Рис.4. Схема сил, воздействующих на каплю воды после её осаждения на поверхность тарелки

Механизм осаждения микрокапель воды на поверхность тарелки и удаления их с этой поверхности имеет особенности: при рассмотрении взаимодействия сил после осаждения капли необходимо учитывать растекание капли по поверхности тарелки, зависящее от краевого угла смачивания (рис.4).

В данном случае суммарное сопротивление скатыванию капли по поверхности тарелки возрастёт на силу сцепления капли с этой поверхностью, а выражение (18) примет вид:

(19)

д пр * пот 1 Д С СЦ V '

Сила сцепления капли с поверхностью тарелки, направленная перпендикулярно этой поверхности, для ограниченно растворимых друг в друге жидкостей, которыми являются вода и топливо, может быть приближенно найдена из выражения:

/=■<:„=( 1-сое 9)бм/, (20)

где б..„, - поверхностное натяжение на границе «вода-топливо», Н/м; I - длина линии соприкосновения капли с тарелкой после растекания, м.

По мере слияния капель при взаимном соприкосновении происходит их укрупнение и скатывание с поверхности тарелки в соответствии с выражением (2.56), так как левая часть этого выражения увеличивается по мере возрастания массы капли. Установлено, что этот процесс происходит при условии, если угол наклона тарелки будет не меньше определяемого по формуле:

а — ахсЩ/. (21)

При коэффициенте трения /=0,75 угол наклона тарелок а = 37°, то есть скатывание капли с тарелки при меньшем угле ее наклона невозможно.

Оптимизация конструкции устройства для тонкой очистки дизельного топлива в системе питания дизеля заключается в совмещении операций по удалению из топлива твердых частиц, задержке микрокапель эмульсионной воды и их отведению из рабочей зоны фильтра с использованием гидродинамического эффекта.

Частица загрязнений, перемещающаяся в потоке топлива, участвует в двух движениях: вдоль поверхности пористой перегородки и параллельно оси горизонтально расположенных пор этой перегородки. Вертикальное движение частицы происходит при совместном воздействии силы, приложенной со стороны потока, и объемной силы, являющейся разностью гравитационной и архимедовой сил. Вертикальная скорость частицы под действием силы потока определяется из выражения

F™ (22) а скорость частицы под воздействием объемной силы - из уравнения:

где рп и рч - соответственно плотность продукта и частицы, г/м3; Fn„- сила, приложенная к ™ ТГ СИ°КСТОРОНЫ П°Т0Ка' Н; * - к°эФФи«ие„т лобового сопротивления Д;"жс™ю части-и ~ соответственно скорость частицы под действием силы потока и скорость ее осаждения под воздействием объемной силы, м/с. и ск°р°сть ее

После преобразований находим суммарную продольную скорость часгацы:

Щ,р = щ,01 + ^ = т )3^+4<g(P4-Pi)

V <РРч V3 ФРч V Зсрр,

Принимаем коэффициент лобового сопротивления ф = 0 1

гтя ™ПпХ?аОНТаЛЬНОе Л"НЖе""е частицы происходит под воздействием перепа-¡тпппГй пористои перегородке, при этом её скорость принимаем равной

поровои скорости потока топлива. ровной

Для обеспечения равномерной подачи топлива на рабочую поверхность пористои перегородки И одинакового давления на входе по всей ее высоте фильтрующий элемент имеет форму усеченного конуса, что обеспечивает переменную ширину его внутренней полости И постоянство поровой (истинной)

скорости потока топлива по всей поверхности перегородки.

Поровая скорость будет равна:

_ KnAPft

"°р---R- ' (25)

_ nd*N

ГДС " ~ 128 коэффициент проницаемости материала, м2; ЛРф1 - перепад давления на фильтрующем элементе, Па; ц - динамическая вязкость продукта, Пас; п' = А. _ просвет. ность пористой перегородки; Rm и _ соответственно средние В[|у1рсн.

ний и наружный радиусы фильтрующего элемента, м; А,, и S„ - соответственно площадь па бочеи поверхности фильтрующего элемента „ площадь'поперечного сечения всех его пор

пер^подиТГГГ"™^^"^ ДИаМ£ТрЫ б0ЛЬШСГО «снования усечённой конической перегородки, м, dm и d„ - внутренний и наружный диаметры меньшего основания усечённой

конической перегородки, м, N- количество пор на единицу поверхности, шт/м2; П=^- _ сгоРпо™м{'.ПеРСГОРОДКИ; " У" ~ COOTBC,CTBCH"° o6l>eM фильтрующего элемента и oLm

Выразив величину просветности через размер пор и их количество на единицу поверхности п' имеем:

¡у__(26)

Пршюжим полученные из выражений (24) и (26) скорости к центру тяжести частицы Если вектор суммы этих скоростей в момент соприкосновения частацы с нижней кромкой поры будет выше точки соприкосновения, то частица не войдет в попу а в противном случае частица попадет внутрь пористои перегородки.

При очистке дизельного топлива фильтрованием с применением гидродинамического эффекта потоком топлива вместе с твердыми частицами с рабочей поверхности пористой перегородки будет удаляться некоторое количество микрокапель воды, однако процесс обезвоживания дизельного топлива с помощью гидрофобной перегородки происходит главным образом за счет взаимодействия этих капель с перегородкой в жидкои среде.

Пии заполнении пор водоотталкивающей перегородки очищаемым продуктом дизельным топливом, на их поверхности образуется жидкостная пленка которая, пропуская топливо, препятствует прохождению через перегородку микрокапель воды. Чтобы продавить каплю воды через пору, надо предварительно вытеснить пленку топлива с ее поверхноста, выполнив работу, равную работе адгезии, затраченной на смачивание топливом поверхности поры, которая описывается выражением:

4,, =(ркР - (27)

гле Р и Р, - соответственно давление, необходимое для продавливания капли воды через пору/заполненную топливом, и пустуй,, Па; ,У„ - площадь поперечного еемения поры, м ; 1п - длина поры, м.

В процессе гидродинамического фильтрования некоторая часть топлива вместе с загрязнениями, не попавшими в поры перегородки, будет сбрасываться из внутренней полости фильтрующего элемента и отводиться обратно в топливный бак. Для очистки этого топлива, которое содержит повышенную концентрацию загрязнений, служит динамическии отстоиник.

В третьей главе «Методическое обеспечение проведения экспериментальных исследований» приведены методики исследования фактической за-пэязнёшюсти и обводненности дизельного топлива в условиях эксплуатации (гранулометрического состава и массового содержания, присутствующих в нем механических частиц и эмульсионной воды), определялась путем статистической обработки результатов анализа проб топлива, отобранных из раздаточных кранов средств заправки и топливных баков транспортных и сельскохозяйственных машин при заправочных операциях и при работе двигателя.

Ёля исследования эффективности очистки поступающего бак воздуха от атмосферной пыли и капельной влаги был разработан стенд включающий емкость моделирующую топливный бак, установленные на ней возГшньТй фильтр и устройство для создания в ней вакуума, вибрационное устройство, имитирующее вибрацию бака при движении мобильном машины аэрозольную камеру, оснащенную пыледозатором, конфузорно-диффузорньш распылителем, диспергатором капельной влаги и осевым вентилятором, а также

Р^ЯйГ' СИСТ6МУ В03ДУХ0В0Д0В' дифференциальные маномет-

При проверке эффективности применения устройства для снижения загрязненности топлива, поступающего из бака в систему питания дизеля исследовалось содержание твердых загрязнений и свободной воды в топливном баке при отсутствии и при наличии указанного устройства. ™пливном оаке

Для экспериментальной проверки закономерностей осаждения твердых частиц и микрокапель свободной воды смонтирована лабораторная установка Ги кпГаЯ ЦИЛИНДР.Ический с°суд, оборудованный пробор™™у6ка1

шоомй тмят™" НШ ШС0С ^с^-темутрубопроводнь.х коммуникаций с запорной арматурой, а также мерный цилиндр, емкость для приготовления суспензии загрязнителя снабженную мешалкой, и емкость для приготовления водной эмульсии, снабжённую диспергатором.

Для экспериментальной проверки эффективности очистки топлива в ди-

приёмГик°еМсЗтЬЧаТ0М 0ТСТ0ЙНИКС' Установленном на плавающем топливо-приемнике, смонтирована экспериментальная установка (рис.5) включающая

?а™"сКсИсИТо Р6ЛК"' ПТЩёШШе В С0СУД' Мелирующий _ный бак, также насос с системой трубопроводных коммуникаций и запорной арматурой

пробоотборные устройства и микрометрическое приспособление НижняГко-

ническая тарелка размещена в сосуде неподвижно, а верхняя может переме

ВЩааТТареВпГРТИКаЛЬН0М На"раВЛе"ИИ С Помои*ю микромеРтр„чес~с"ойс?: ва Тарелки выполнены съемными, с различным углом конусности Система трубопроводных коммуникаций позволяет осуществлять циркуляцию топлива или его перекачку в постороннюю емкость. уляцию топлива

Гидрофобные свойства влагоотделяющих перегородок оценивались по их водопроницаемости, которая характеризовалась давлением, соответствующим

началу просачивания воды через перегородку.

Для определения величины водопроницаемости перегородки использовался гидростатический принцип, на котором основан изготовленный для этой цели прибор. Эксплуатационные свойства фильтрационных влагоотделяющих перегородок определялись на безнасосной фильтрационной установке.

Проверка эффективности использования гидродинамического эффекта при создании фильтра-водоотделителя тонкой очистки производилась на лабораторной установке, позволяющей осуществлять очистку топлива как по обычной схеме, так и с использованием указанного эффекта. Проверка

Э

Рис. 5. Установка для исследования параметров динамического тарельчатого отстойника: 1 - корпус; 2 - верхняя подвижная тарелка; 3 - нижняя неподвижная тарелка; 4 -пробоотборник; 5 - циркуляционный насос; 6 - микрометрическое устройство

прочностных показателей фильтрующих влагоотделяющих перегородок производилась на разрывном стенде. „

В четвертой главе «Экспериментальные исследования устройств для обеспечения чистоты дизельного топлива в системах питания двигателеи» проведены исследования фактической загрязненности и обводненности дизельного топлива при эксплуатации мобильной техники, показавшие, что содержание твердых частиц в топливе после заправки бака составляет в среднем 0,1Ш /о (масс.), а в процессе эксплуатации достигает 0,015 %. Содержание эмульсионной воды в баке составляет в среднем 0,035 % (масс.).

Лабораторные исследования фильтра для очистки поступающего в топливный бак атмосферного воздуха показали, что т0НК0С^Т^™ пойства равна 15...20 мкм, коэффициент проскока пыли - 0,65, эффективность влагоотделения - около 60 %, а вибрационное воздействие увеличивает ресурс

его работы в 3,5-4,0 раза. __„„„„„„

При лабораторных исследованиях устройств для снижения загрязненности дизельного топлива, поступающего из бака в систему питания двигателя, испытывались плавающий топливозаборник и тарельчатый динамическии отстойник которые вначале исследовались дифференцированно, а затем в комплексе при их совместном применении. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности отстаивания топлива от механических частиц, как в стационарных условиях, так и при имитации транспортной тряски и снижении уровня топлива в баке: в течение 30 мин массовое содержание загрязнении в верхних слоях топлива снизилось в 5-7 раз по сравнению с первоначальным, а размеры частиц не превысили 15 мкм. Однако при перемешивании топлива в модельной емкости захрязнения распределяются практически равномерно по всему ее объему. Данные, полученные при очистке дизельного топлива от эмульсионной воды отстаиванием, показывают, что и этот процесс протекает аналогично рассмотренному при очистке топлива от механических загрязнении.

Приведенные результаты показывают, что очистка дизельного топлива отстаиванием эффективна в стационарных условиях и при^ воздействий транспортной тряски, поэтому следует использовать плавающий топливоприемник, но при перемешивании топлива в модельной емкости его забор из верхних слоев неэффективен, целесообразно применять тарельчатый динамическии отстойник. Установлено, что при этом максимальная эффективность очистки (тонкость - 30 мкм, полнота - 25 % для твердых загрязнении и 70 % для воды) достигается при конусности тарелок 45 и зазоре между ними 5 мм.

Исследования фильтров тонкой очистки систем питания дизелеи показали, что применение мелкопористых гидрофобных материалов, обладающих фильтрационными и влагоотделяющими свойствами, при использовании гидродинамического эффекта позволяет обеспечить тонкость очистки з мкм, полноту водоотде-ления довести до 100 %, а ресурс работы фильтра увеличить в 3,7 Раза;

При испытаниях дополнительного устройства (тарельчатого отстоиника), предназначенного для частичной очистки топлива, сбрасываемого из фильтра тонкой очистки, установлено, что тонкость очистки этого топлива составила 25 30 мкм^ содержание в нем твердых загрязнений - 0,029 %, а эмульсионной

В°ДЫ Взятой главе «Реализация результатов исследований и оценка их технико-экономической эффективности» приводятся результаты расчета технических характеристик и разработки конструкции ус-фойств для обеспечения чистоты дизельного топлива в системе питания (рис. 6).

а б в

Рис. 6. Общий вид устройств для обеспечения чистоты топлив в системах питания дизелей: а - воздушный фильтр; б - плавающий топливозаборник-в - фильтр тонкой очистки топлива '

их v™^aTaUHO"Hble испытания Разработанных устройств проводились при их установке в системе питания трактора МТЗ-80, эксплуатирующегося в ЗАО «Домодедово Фьюэл Сервисиз» при проведении работ на территорииТопливозаправочного комплекса. Параллельно эксплуатировался трактор той же марки укомплектованный штатным оборудованием. Р '

,Для Дифференцированной оценки эффективности использования воздушного фильтра были дополнительно проведены стендовые испытания этого устройства. При этом полнота очистки составила 28 %, а водоотделения - 61 %

Результаты испытаний показывают, что разработанные устройства существенно снижают загрязненность выдаваемого из бака топлива, позволяя добиться повышения его чистоты в 5-7 раз. Ресурсные испытания устройств тонкой очистки топлива показали, что ресурс работы предлагаемого устройства превышает соответствующий показатель серийного фильтра тонкой очистки ч?м в 2'5 Раза- Проверялась также эффективность противоточной промывки фильтрационнои влагоотделяющей перегородки, что позволяет значительно восстановить пропускную способность устройства (после промывки ресурс снизился на 7 %. Технико-экономическая оценка результатов нТследова-нии проводилась путем сравнения с зарубежными образцами мирового уровня Для сравнительной оценки выбраны фильтры тонкой очистки дизельного топлива Guspasa FG-2 (Испания) и Piusi (Италия).

Разработанные устройства по своим эксплуатационным и ценовым пока-flTr1 соответствУют мировому техническому уровню, а по тонкости очистки ньте7бр™цы°С™ влагоудаления несколько превосходят аналогичные зарубеж-

Результаты исследований внедрены при проведении научно-исследовательских работ в ВНИИТиН Россельхозакадемии, в фирме ООО «Вита инвест» входящей в состав Московского межрегионального нефтяного союза, и будут использованы при разработке перспективных образцов устройств для обеспечения чистоты дизельного топлива.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Фактическая загрязненность дизельного топлива на всех стадиях его жизненного цикла от нефтеперерабатывающего предприятия до камеры сгорания дизеля - значительно превышает требования, содержащиеся в нормативно-технической документации. Отрицательное воздействие загрязнении на топливную аппаратуру и другие агрегаты двигателя проявляется в повышенном износе сопряженных деталей, закупорке калиброванных отверстии и т. п. что сокращает ресурс работы узлов системы питания, приводит к ее отказам, сверхнормативному расходу топлива, к загрязнению окружающей среды токсичными веществами.

2 Для повышения эффективности очистки и обезвоживания дизельного топлива при эксплуатации мобильной техники исследован механизм загрязнения и обводнения дизельного топлива в баках мобильных машин, разработаны математические модели этих процессов и определены пути совершшствования системы очистки дизельного топлива, включающие: разработку эффективного воздушного фильтра для очистки воздуха, поступающего в топливныи бак; создание устройства для повышения эффективности гравитационнои очистки топлива в баке- повышение эксплуатационных показателей фильтра тонкой очистки - тонкости фильтрования, ресурса работы, а также придание устройству

функций влагоотделителя. „„„„„„.,«

3 Разработаны физические модели очистки поступающего в топливныи бак воздуха от атмосферной пыли и влаги, предложена принципиальная схема воздушного фильтра, обоснована целесообразность его вибрационном очистки и найдены расчетные зависимости для ее осуществления.

4 Дано математическое описание процессов осаждения твердых частиц и микрокапель воды в топливном баке, и обосновано использование плавающего топливозаборника. Рассмотрены механизмы задержки твердых загрязнении и эмульсионной воды динамическим отстойником, и показана целесообразность его применения совместно с плавающим топливозаборником.

5 Предложены математические и физические модели механизма тонкой очистки и обезвоживания топлива в системах питания дизелей при помощи гидрофобных пористых перегородок из металлической сетки с фторопластовым покрытием, обоснована конструкция устройства для осуществления этих операций, включающего гидродинамический фильтр и тарельчатый отстойник для очистки сбрасываемой части топлива.

6 Разработаны методики экспериментальных исследовании, включающие изучение фактической загрязненности дизельного топлива на различных этапах его жизненного цикла, процессов очистки поступающего в топливныи бак воздуха, повышения чистоты выдаваемого из бака топлива, тонкой очистки топлива в системе питания дизеля, спроектированы и изготовлены экспериментальные установки. „„,.„

7 Исследована фактическая загрязненность и обводненность дизельного топлива при эксплуатации мобильной техники, достигающие в баке соответственно 0 0015 и 0 0035 % (масс.). Показано, что применение воздушного фильтра обеспечивает тонкость очистки воздуха 15...20 мкм, а применение вибрационной очистки фильтра увеличивает ресурс его работы в 3,5-4 раза. При отстаивании топлива в баке массовое содержание загрязнении в его верхних слоях снизилось в 5-7 раз по сравнению с первоначальным, поэтому следует использовать плавающий топливозаборник, оснащенный тарельчатым динамиче-

ским отстойником, максимальная эффективность очистки которого достигается при конусности тарелок 45 и зазоре между ними 5 мм.

8. Исследования фильтра тонкой очистки показали, что применение мелкопористых гидрофобных материалов из металлической сетки с фторопластовым покрытием, обладающих фильтрационными и влагоотделяющими свойствами при использовании гидродинамического эффекта позволяет обеспечить тонкость очистки 3 мкм, полноту водоотделения довести до 100 %, И увеличить ресурс работы фильтра в 3,7 раза, а состыкованный с ним тарельчатый отстойник обеспечивает тонкость очистки сбрасываемого из фильтра топлива 25 30 мкм «г™»«® резул,ьтате проведенных исследований разработаны конструкции устройств для обеспечения чистоты дизельного топлива в системе питания включающих фильтр для очистки поступающего в топливный бак воздуха плавающий топливозаборник с динамическим тарельчатым отстойником и гидро-динамическии фильтр тонкой очистки топлива в системе питания дизеля Эксплуатационные испытания этих устройств показали их высокую эффективность. Проведенная технико-экономическая оценка показывает что разработанные устройства по своим эксплуатационным и ценовым показателям соответствуют мировому техническому уровню, а по тонкости очистки и эффективности влагоудаления несколько превосходят аналогичные зарубежные образцы годовой экономический эффект только от использования гидродинамического фильтра в системе питания дизеля за первый год эксплуатации составляет .ЗУ У66 р. в расчете на сто тракторов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Коваленко, В. П., Воробьев, А. Н„ Ерохин, О. В. Устройство для снижен* загрязненности топлива при его выдаче из расходных емкостей. [Текст] / В. П. Коваленко, А. Н. Воробьев, О. В. Ерохин // Международный технико экономический журнал,-2011.-№ 1.-С. 106-111. р технико

В' 11 0чистка атмосферного воздуха, поступающего в оп-ливные баки мобильных машин и цистерны автотопливозаправщиков ГТекст1 / В. П. Коваленко, А. Н. Воробьев, О. В. Ерохин, А. И. Косых // Международный технико-экономический журнал. - 2011. - № 2. - С. 105-111 сл^"<фодныи

3. Коваленко, В. П. Гидродинамические фильтры-водоотделители для

Гобьев" пФ^ТДУКТ0/ЛГ,еКСТ] ' В' П' К0П™> Е. А. Улюкина, А Н. Во-20П № 1 -С 1 П-П5 Международный технико-экономический журнал. -

4. Коваленко, В. П. Современные методы очистки автомобильных топлив от механических загрязнений и воды [Текст] / В. П. Коваленко, Е. А. Улюкина

№ " С 2°1-2е3В ИК ФГ°У ВП° МГАУ' Сер' <<АгРОинжеперия». - 2011.'

5. Коваленко, В. П. Очистка топлив для тракторов и сельскохозяйственных

ГяША0ТнСХ«аИИТКИХ^ЯЗНеШ,Й И В0ДЫ ^ / В- П- Коваленко, Е А. Ушо-™ а;„А;„Н' Воробьев // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии техни-ДЛЯ Растениеводства и животноводства: сб. научных док-В^ИИТиН, 20Гь^С 202-206НаучнопРактическ°й конференции. - Тамбов,:

6. Коваленко, В. П. Устройства для повышения чистоты топлив в системах питания дизелей [Текст] / В. П.Коваленко, Е. А. Улюкина, А. Н. ВоробьевТш-

вышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии техника нового поколения для растение-водствГн животноводства: сб парных докладов XVI Международной научно-практической конференции. - Тамбов,: ВНИИТиН, 2011 -С. 211-213.

Р 7 Коваленко, В. П. Плавающее приемное устройство для выдачи топлива из расходных емкостей [Текст] / В. П. Коваленко, Е. А. Улюкина, А. Н. Воробьев О В Ерохин // Улучшение эксплуатационных показателей автомоби-Й тракторов іТдвигателей: сб. научных трудов 26-й Международной научно-технической конференции. - СПб.: СП61 АУ, 2011. С. 23-32.

8 Коваленко, В. П. Устройство для защиты топливных баков от загрязнении атмосферного происхождения [Текст] / В. П. Коваленко, Е. А. Улюкина ^ Н Во-ообьев II Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей: сб!^ научных трудов 26-й Международной „аучно-техническои конфе-

оенции - СПб.: СПбГАУ, 2011. С. 33-40.

Р 9 Коваленко, В. П. Фильтры-водоотделители для очистки топлив дая автомобилей и сельскохозяйственных машин [Текст] / В. П. Коваленко, Е. А^Улюки-на А Н Воробьев, А. И. Косых // Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, факторов и двигателей, сб. наушых трудов 26-й Международной научно-технической конференции. - СПб.: СПоГАУ ІОП. С. ^-ЗК

10 Пат 110659 Российская Федерация, МПК' В 01 В 46/24 (2006.01). Устройство для очистки поступающего в топливный бак возду^а от пыли и влаги / Коваленко В. П., Галко С. А .Улюкина Е. А., Воробьев А. Н. № 2011126311/05 заявл. 28.06.2011; опубл. 27.11.2011, Бюл. № 3:>. -2 с.

11 Положительное решение от 16.03.2012, о выдаче патента на изоорете-ние по заявке № 2011108692/05/012556. Устройство для очистки жидкостей в циркуляционных системах.

Подписано к печати 17.04.2012, формат 68x84/16, печать трафаретная, бумага офсетная, усл. печ. л. 1,1, тираж 100 экз., заказ №358.

Отпечатано в ООО «УМЦ «Триада» 127550, Москва, ул. Лиственничная аллея, 7-2

61 12-5/2409

Воробьев Андрей Николаевич / ^

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОЧИСТКИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ И ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение........................................................................... 4

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования......... 8

1.1. Загрязнённость дизельного топлива в сфере сельскохозяйственного производства..................................................................... 8

1.2. Влияние загрязнённости дизельного топлива на работу двигателя и экологическое состояние окружающей среды.................................... 22

1.3. Методы очистки и обезвоживания дизельного топлива............ 30

1.4. Очистка топлива в системах питания дизелей......................... 37

1.5. Выводы по главе и постановка задач исследования............... 44

Глава 2. Теоретическое обоснование конструкции средств обеспечения чистоты топлива в системах питания дизелей............................ 47

2.1. Пути совершенствования системы обеспечения чистоты дизельного топлива в двигателях.............................................................. 47

2.2.Закономерности накопления механических загрязнений в топливных баках и системах питания дизелей........................................ 49

2.3. Закономерности обводнения дизельного топлива в баках......... 53

2.4. Обоснование и разработка конструкции устройства для предотвращения попадания атмосферных загрязнений в топливный бак............. 60

2.5. Закономерности процесса гравитационного осаждения загрязнений в топливных баках..................................................................... 70

2.6. Теоретические предпосылки совершенствования устройства для снижения загрязненности топлива, выдаваемого из бака............................... 76

2.7. Оптимизация конструкции фильтра тонкой очистки системы питания дизеля........................................................................... 81

2.8. Выводы по главе............................................................ 90

Глава 3. Методическое обеспечение проведения экспериментальных

исследований............................................................................. 92

3.1. Методики исследования фактической загрязненности и обводненности дизельного топлива в условиях эксплуатации...................... 92

3.2. Разработка стенда и методики для исследования работы воздушного фильтра топливного бака............................................ 102

3.3. Методика исследования эффективности устройства для снижения загрязнённости поступающего из бака топлива........................... 105

3.4. Методика исследования усовершенствованного фильтра-водоотделителя тонкой очистки топлива.......................................... 110

3.5. Выводы по главе............................................................ 116

Глава 4. Экспериментальные исследования устройств для обеспечения чистоты дизельного топлива в системах питания двигателей......... 118

4.1. Исследование загрязненности дизельного топлива при эксплуатации мобильной техники............................................................ 118

4.2. Исследование устройства для очистки поступающего в топливный бак воздуха........................................................................ 121

4.3. Исследование устройства для снижения загрязнённости поступающего из бака топлива...................................................... 124

4.4. Исследование эффективности усовершенствованного фильтра тонкой очистки топлива................................................................ 137

4.5. Выводы по главе................................................................ 144

Глава 5. Реализация результатов исследований и оценка их технико-

экономической эффективности.......................................................... 147

5.1. Разработка конструкции устройств для обеспечения чистоты дизельного топлива в системе питания двигателя................................ 147

5.2. Эксплуатационные испытания разработанных устройств....... ...... 150

5.3. Технико-экономическая оценка результатов исследований...... 156

5.4. Выводы по главе............................................................ 164

Общие выводы................................................................... 166

Приложения...................................................................... 180

ВВЕДЕНИЕ

Высокая насыщенность агропромышленного комплекса автотракторной, зерноуборочной и другой самоходной сельскохозяйственной техникой, оснащённой дизельными силовыми установками, с особой остротой ставит вопрос сохранения качества дизельного топлива в условиях сельскохозяйственного производства. Важными позитивными результатами решения этого вопроса являются экономия горючего, продление срока службы дизельных двигателей и снижение отрицательного воздействия процесса их эксплуатации на окружающую среду. Основными направлениями сохранения качества дизельного топлива являются разработка и осуществление мероприятий по снижению его загрязненности и обводненности на всех этапах жизненного цикла - в процессе изготовления топлива, его транспортирования, хранения, заправки сельскохозяйственной техники и ее эксплуатации.

Вопросы обеспечения чистоты дизельного топлива в условиях его производства достаточно успешно решаются путем использования современных заводских технологий [1], а для обеспечения требуемого уровня чистоты топлива в процессе транспортно-складских и заправочных операций разработаны достаточно эффективные мероприятия и сконструированы соответствующие технические средства [2, 3], хотя их повсеместное использование до настоящего времени не налажено. В то же время некоторые исследователи [4, 5] отмечают необходимость совершенствования процесса очистки дизельного топлива на последнем этапе его жизненного пути перед применением по назначению - непосредственно в системе питания дизеля. В указанных работах предлагается решить эту задачу путем совершенствования конструкции бумажных фильтрующих элементов, устанавливаемых в фильтре тонкой очистки двигателя или путем использования в качестве фильтрующей перегородки тонкослойного проката из нержавеющей стали, однако предложенные конструкции фильтрующих элементов (с лабиринтно-гофрированными или звездообразно-спиральными шторами), хотя и обладают эксплуатационными преимуществами по сравнению с серийно выпускаемыми звездообразными фильтрующими элементами, но технология их изготовления весьма трудоёмка и требует использования слож-

4

ного оборудования, а применение фильтрующих элементов из нержавеющей стали существенно повысит их стоимость.

Очевидно, что существующая на сегодняшний день система очистки дизельного топлива, поступающего в баки сельскохозяйственной техники при заправке на нефтескладах предприятий агропромышленного комплекса, в большинстве случаев не полностью обеспечивает требуемый уровень чистоты этого продукта, что объясняется недостаточным применением на указанных объектах современных средств очистки топлива. Кроме того, даже при высоком уровне чистоты заправляемого топлива, при его поступлении в камеру сгорания двигателя из топливного бака без дополнительной очистки в системе питания или при очистке существующими фильтрами, установленными в этой системе, оно будет содержать значительное количество загрязнений ввиду их постоянного поступления в топливо из атмосферы и других внешних и внутренних источников.. Это свидетельствует о необходимости, параллельно с разработкой мероприятий по предотвращению попадания загрязнений в топливный бак, уделить серьезное внимание созданию высокоэффективного средства очистки дизельного топлива в системе питания дизеля, оптимизированного по соотношению показателей «цена - качество».

Для разработки профилактических мероприятий по предотвращению попадания загрязнений в топливный бак и создания указанного средства очистки необходимо исследовать фактическую загрязненность дизельного топлива на различных этапах его жизненного цикла, изучить требования к чистоте дизельного топлива с точки зрения его применения на двигателе, проанализировать перспективные способы очистки топлива и конструкции соответствующих устройств, теоретически обосновать и разработать конструкцию устройства для очистки дизельного топлива в системе питания двигателя, провести испытания этого устройства и оценить его экономическую эффективность.

Вопросам очистки нефтепродуктов от механических загрязнений и эмульсионной воды для повышения надёжности мобильной техники посвящены работы В. И. Барышева, Г. Ф. Большакова, Г. В. Борисовой, Г. С. Бродского, В. И. Волкова, М. А. Григорьева, Ю. И. Дмитриева, Е. Н. Жулдыбина,

5

В. П. Зезекало, Б. С. Квашнина, В. П. Коваленко, А. С. Полякова, А. И. Ру-денко, К. В. Рыбакова, А. В. Симоненко, Э. И. Удлера, 3. Л. Финкелыитейна и многих других учёных. Особо следует отметить фундаментальные исследования В. А.Жужикова [6], давшего подробный анализ процессов фильтрования различных жидкостей через пористые среды. В трудах перечисленных авторов и других работах содержатся результаты многоплановых теоретических и экспериментальных исследований, на которые целесообразно опираться при выполнении данной работы.

Целью настоящего исследования является повышение эффективности очистки и обезвоживания дизельного топлива при эксплуатации мобильной техники в условиях сельскохозяйственного производства.

Объектом исследования служат перспективные конструкции средств обеспечения чистоты дизельного топлива с оптимальными технико-экономическими характеристиками для использования в системах питания дизелей.

Предметом исследования являются процессы обеспечения чистоты дизельного топлива путем предотвращения попадания загрязнений в систему питания дизеля и тонкой очистки от механических частиц и эмульсионной воды в этих системах.

Научная новизна работы заключается в разработке математических моделей процессов накопления твердых загрязнений и эмульсионной воды в топливных баках мобильных машин, в теоретическом обосновании конструкции средств очистки дизельного топлива в системе питания двигателя и разработке физико-математических моделей процессов очистки топлива с использованием этих устройств, а также в экспериментальном подтверждении эффективности их использования.

Практическая ценность работы состоит в разработке мероприятий по предотвращению попадания загрязнений в топливный бак и конструкции устройств для тонкой очистки дизельного топлива в системе питания дизеля, а также рекомендаций по использованию указанных устройств.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Загрязненность дизельного топлива в сфере сельскохозяйственного производства

Процессы загрязнения дизельного топлива протекают на всех этапах его жизненного цикла - при производстве, транспортно-складских и заправочных операциях, а также при его применении в двигателях. Эти процессы на каждом из перечисленных этапов имеют свои особенности, поэтому целесообразно классифицировать эти загрязнения применительно к названным этапам, уточнив существующую классификацию [7] в соответствии со специфическими свойствами дизельного топлива. Уточненная классификация разработана на основе рассмотрения процессов, протекающих в дизельном топливе под влиянием внешних и внутренних факторов, и изучения взаимосвязей между явлениями, приводящими к образованию в топливе загрязнений. Такая классификация, разработанная с использованием данных, приведенных в работах [8, 9 и др.], представлена на рисунке 1.1.

Производственные загрязнения попадают в дизельное топливо или образуются в нем в процессе переработки нефти на нефтеперерабатывающих предприятиях. Операционные загрязнения попадают в дизельное топливо или образуются в нем при осуществлении транспортно-складских и заправочных операций. Эксплуатационные загрязнения попадают в топливо или образуются в нем при эксплуатации дизелей.

Рисунок 1.1. - Классификация загрязнений в дизельном топливе

Источники загрязнения нефтепродуктов во время транспортных, неф-тескладских и заправочных операций можно выявить, анализируя химический состав неорганических загрязнений, приведенный в работе [10].

Приведенная классификация показывает, что загрязнения в дизельном топливе, в зависимости от своего агрегатного состояния, могут быть твердыми, жидкими, пластичными и газообразными [2, 7-10, 15]. Твердые загрязнения находятся в дизельном топливе в виде отдельных взвесей или суспензии с размерами частиц, характерными для коллоидных и мелкодисперсных систем. Они состоят из минеральных частиц и органических веществ, включающих глубокоокисленные сернистые, азотистые и кислородные органические соединения, часто агрегатированные со структурной влагой и микрокаплями эмульсионной воды.

Жидкие загрязнения представляют собой воду и смолистые вещества, находящиеся в растворенном или свободном состоянии. Свободная вода в дизельном топливе может находиться в виде эмульсии с размером капель от долей до единиц микрометра или в виде второй фазы (подтоварной воды). К пластичным загрязнениям, представляющим собой вязкие взвеси или коллоидные растворы, относятся продукты окисления углеводородов нефти и микробиологические загрязнения (бактерии, микробы, грибки и продукты их жизнедеятельности - пирогенные вещества). Газообразные загрязнения - это воздух и газы, находящиеся в топливе в растворенном состоянии или в виде эмульсии с размерами пузырьков до нескольких микрометров.

Твердые загрязнения, содержащие неорганические вещества, образуются в топливе в результате коррозии металлов, абразивного и фрикционного износа трущихся пар, попадания атмосферной пыли. Органические твердые загрязнения, включающие углеводородные серо-, азото- и кислородосодер-жащие соединения, образуются в результате окисления и уплотнения этих соединений в топливе при его хранении, транспортировании, заправке техники и его применении в процессе эксплуатации машин. Органические загрязнения, которые образуются при вымывании прокладочно-уплотнительных

9

материалов и разрушении неметаллических конструкционных материалов, могут быть твердыми, пластичными и жидкими.

Дизельное топливо в России выпускается в основном по ГОСТ 305-82

[11], который регламентирует отсутствие в топливе механических загрязнений и воды, однако предусмотренные этим документом методы определения указанных показателей обладают недостаточной чувствительностью (нижний предел измерений содержания механических примесей - 0,005 %

[12], а воды - 0,01 % [13]) и не дают реальной картины загрязнённости топлива. В настоящее время принят ГОСТ 52368-2005 [14], соответствующий европейскому стандарту ЕН 590:2004 (таблица 1.1), по которому в стране пока производится менее 20 % дизельного топлива. В этом документе приводятся нормы содержания в дизельном топливе механических загрязнений и воды в состоянии поставки потребителю, но фактическое содержание этих примесей при транспортно-складских и заправочных операциях существенно превышает указанные нормы.

По данным, приведенным в [17], дизельное топливо при отпуске из товарно-сырьевого парка нефтеперерабатывающего предприятия может содержать 80 мг/кг механических загрязнений с общим количеством частиц до 15 000 шт./мл, а также 100 мг/кг воды. Дальнейшее загрязнение дизельного топлива на пути к потребителю продолжается, и в условиях сельскохозяйственного производства, характеризующихся повышенной запыленностью воздуха, загрязненность дизельного топлива после транспортировки может достигать 0,063 % (масс.), а размер отдельных частиц доходит до 500 мкм [ 17-21 и др.]. Практически все исследователи отмечают тенденцию к увеличению концентрации механических загрязнений в процессе транспортирования дизельного топлива от нефтебазы до баков мобильных машин, используемых в сельском хозяйстве (таблицы 1.2, 1.3).

Таблица 1.1

Физико-химические показатели дизельного топлива ЕВРО согласно ГОСТ 52368-2005 (ЕН 590:2004) [14]

Показатели Размерность Значения

Минимальные Максимальные

Плотность при 15 °С кг/м1 820 845

Кинематическая вязкость при 40 °С мм2/с 2,0 4,5

Температура вспышки град 55 —

Содержание серы мг/кг

I 350,0

II 50,0

III 10,0

Коксуемость остатка (10 %) % - 0,3

Цетановое число — 51 —

Зольность % - 0,01

Содержание воды мг/кг - 200

Содержание загрязнений мг/кг 24

Окислительная стабильность г/м3(осадка) 25

Коррозия медной пластинки класс 1

топливо, доставляемое на нефтесклады сельскохозяйственных предприятий, содержит 0,0115...0,0148 % (масс.) механических загрязнений, а при несоблюдении правил хранения топлива в наземных резервуарах нефтескладов его загрязненность достигает 0,0649 % (масс.), что в 5 раз превышает аналогичный показатель в средней климатической зоне, составляющий 0,0128 % (масс.).

В работах [23, 26] указывается, что загрязненность дизельного топлива составляет 0,006 % (масс.) в резервуарах нефтескладов и возрастает до 0,025 % (масс.) в топливных баках. При этом дизельное топливо, выдаваемое потребителям с распределительных нефтебаз, содержит 0,01.. .0,12 %