Повышение топливной экономичности тракторов мтз–80/82 на сельскохозяйственных работах за счет использования водно-воздушной смеси
На правах рукописи
СТОРОЖЕВ Иван Иванович ПОВЫШЕНИЕ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ ТРАКТОРОВ МТЗ–80/82 НА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАБОТАХ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства
Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук
Челябинск – 2011
Работа выполнена на кафедре «Сельскохозяйственные и мелио ративные машины» ФГОУ ВПО «Тюменская государственная сель скохозяйственная академия» и на кафедре «Тракторы и автомобили» ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная акаде мия».
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Старцев Андрей Васильевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Окунев Геннадий Андреевич кандидат технических наук, доцент Штыка Михаил Григорьевич
Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»
Защита состоится «11» марта 2011 г., в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 при ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» по адресу: 454080, г. Че лябинск, пр. В.И. Ленина, 75.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».
Автореферат разослан «9» февраля 2011 г. и размещен на офи циальном сайте ФГОУ ВПО ЧГАА http://www.csaa.ru 10 февраля 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Возмилов А.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Уровень эффективности механизирован ных процессов является одним из главных факторов, определяющих эффективность сельскохозяйственного производства.
В связи с резким ростом цен на энергоносители в конце ХХ века возникла острая необходимость решения проблемы энергосбереже ния в АПК. Сегодня во всех отраслях народного хозяйства РФ актив но внедряются энергосберегающие технологии. Очевидно приори тетное влияние энергетических ресурсов не только на трудоемкость и себестоимость продукции, но и в целом на конечные показатели сель скохозяйственного производства. Отношение энергозатрат к объему произведенной продукции определяет конечный показатель эффек тивности механизированных технологий при производстве сельско хозяйственной продукции.
Развитие механизированных производственных процессов в сельском хозяйстве предъявляет следующие требования к конструк циям перспективных машин: обеспечение высокой надежности и то пливной экономичности;
универсализация;
повышенный тяговый КПД;
упрощение и удешевление конструкции;
снижение затрат на комплектование машинных агрегатов и техническое обслуживание;
обеспечение безопасности и комфортабельных условий работы меха низатору. Модернизация систем питания тракторных агрегатов при водит к энергосбережению в АПК. В связи с этим тема диссертаци онной работы, посвященная повышению топливной экономичности машинно-тракторных агрегатов, актуальна.
Цель исследования состоит в повышении эффективности ис пользования тракторных агрегатов на базе трактора МТЗ–80/82 путем улучшения топливной экономичности и экологической безопасности двигателя внутреннего сгорания за счет использования топливовоз душной смеси с добавлением воды.
Задачи исследования:
1. Определить пути повышения топливной экономичности и эко логической безопасности машинно-тракторных агрегатов за счет ис пользования топливовоздушной смеси с добавлением воды.
2. Разработать экспериментальную установку и схему подачи во ды в камеру сгорания дизельного двигателя.
3. Провести теоретические исследования рабочего процесса дви гателя внутреннего сгорания, работающего на топливовоздушной смеси с добавлением воды.
4. Определить рациональный компонентный состав топливовоз душной смеси с добавлением воды для дизельного двигателя внут реннего сгорания и разработать научно обоснованные рекомендации по ее применению для дизельных двигателей, работающих в услови ях рядовой эксплуатации.
5. Дать технико-экономическую и экологическую оценку пред ложенных мероприятий по улучшению топливной экономичности тракторных агрегатов на базе тракторов МТЗ–80/82 в сельскохозяй ственном производстве.
Объект исследования. Рабочий процесс тракторного дизельного двигателя, работающего на топливовоздушной смеси с добавлением воды.
Предмет исследования. Закономерности повышения топливной экономичности машинно-тракторных агрегатов на базе тракторов МТЗ–80/82 за счет использования топливовоздушной смеси с добав лением воды.
Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:
– установлены закономерности, позволяющие связать основные показатели рабочего процесса в цилиндре дизельного двигателя, ра ботающего на топливовоздушной смеси с добавлением воды, с эф фективными показателями работы двигателя;
– разработана оригинальная экспериментальная установка и предложена схема подачи воды во впускной коллектор дизельного двигателя;
– определен рациональный компонентный состав топливовоз душной смеси с добавлением воды для дизельного двигателя и разра ботаны научно обоснованные рекомендации по ее применению;
– определены технико-экономические и экологические показате ли использования в сельском хозяйстве машинно-тракторных агрега тов на базе тракторов МТЗ–80/82 с модернизированной системой пи тания.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Результаты исследований позволяют повысить эффективность ис пользования универсально-пропашных тракторов класса 1,4 в систе ме АПК за счет повышения эффективных и экологических показате лей работы двигателя, обусловленных применением топливовоздуш ной смеси с добавлением воды. Теоретические разработки и резуль таты экспериментальных исследований могут быть использованы проектными и конструкторскими организациями, занятыми разработ кой перспективной сельскохозяйственной техники. Результаты ис следований внедрены в СПК «Малышенское» Голышмановского рай она Тюменской области, в ФГУП «Учебно-опытное хозяйство Тюм ГСХА», а также в учебном процессе Тюменской ГСХА при проведе нии занятий по дисциплине «Тракторы и автомобили» для специаль ности 110301 – «Механизация сельского хозяйства».
Апробация работы. Основные положения диссертационной ра боты обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях Тюменской ГСХА (г. Тюмень 2004…2009 гг.), Челябинского(ой) ГАУ(А) (г. Челябинск, 2008…2009 гг.), Ульяновского ГСХИ (г. Ди митровград, 2007 г.), Курганской ГСХА (2005…2006 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы от ражено в 10 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего в себя 165 наименований (в том числе 7 на иностран ном языке), и приложений. Основное содержание работы
изложено на 145 страницах машинописного текста, включая 36 иллюстраций и 16 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы, показаны её научная и практическая значимость, определена цель проводимых ис следований и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» приведены результаты анализа факторов, определяющих эффектив ность механизированных процессов в сельскохозяйственном произ водстве. Рассмотрено влияние энергетических ресурсов на трудоем кость и себестоимость продукции, а также в целом на конечные пока затели сельскохозяйственного производства.
Установлено, что в сложившихся условиях эксплуатационные показатели машинно-тракторных агрегатов (МТА) можно условно разделить на три группы:
Первая группа: технологические показатели, обеспечивающие качество выполняемой операции в соответствии с агротехническими требованиями, в том числе способность движения по полю в задан ном силовом и кинематическом режиме, а также качества, присущие мобильным машинам: управляемость, маневренность, устойчивость и безопасность движения, плавность хода и др.
Вторая группа: общетехнические показатели – прочность, долго вечность, удобство и малая трудоёмкость технического обслужива ния и др.
Третья группа: технико-экономические и технико энергетические показатели –: производительность МТА, топливная экономичность, экологическая безопасность и др.
Основными направлениями, позволяющими повысить топливную экономичность технических средств, являются использование аль тернативных видов топлив и применение различных добавок к тради ционному топливу (многокомпонентное топливо). Как наиболее пер спективное нами было выбрано направление, предусматривающее использование воды в качестве добавки к системе питания воздухом дизельного двигателя. В настоящее время в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) нашли применение три варианта подачи воды в ка меру сгорания двигателя для получения дополнительной энергии:
1) подача воды в выпускной коллектор двигателя, где от контакта воды с горячими выхлопными газами происходит процесс парообра зования, после чего пар поступает на лопатки турбины, которая «по могает» основному двигателю (компания BMW – 2005 г.);
2) распыление воды во впускном тракте двигателя с целью сни жения температуры свежего заряда и улучшения наполнения цилинд ра, после чего вода вместе с воздухом поступает в цилиндры двигате ля, где происходит ее дальнейшее парообразование (спортивные ав томобили, снабженные двигателями с турбонаддувом);
3) впрыскивание (распыление) специально подогретой воды не посредственно в цилиндры. От контакта с горящим топливом и стен ками цилиндра происходит парообразование, и расширяющийся пар помогает рабочим газам.
Изучение работ, освещающих опыт использования воды в каче стве добавки к топливовоздушной смеси, показало, что основное внимание обращалось на изыскание способов увеличения мощности двигателя, работающего на пределе своих возможностей (авиация, спортивные автомобили и т.п.). Вместе с тем, вопросы работы ДВС в штатном режиме освещены недостаточно глубоко. Некоторые аспек ты работы двигателей на альтернативных и многокомпонентных топ ливах отражены в работах О.И. Быстрова, В.Д. Дмитриенко, Л.М. Жмудяка, И.Г. Зедгинидзе, В.Н. Калиновского, B.C. Кукиса, А.Г. Куртанзона, P.M. Селиверстова и других. Однако вопросы по вышения эффективности, улучшения топливной экономичности дви гателя и экологической безопасности за счет применения топливо воздушной смеси с добавлением воды при эксплуатации машинно тракторных агрегатов в сельскохозяйственном производстве остаются малоизученными, что определило тему диссертационной работы.
Проведенный анализ литературных источников позволил выбрать объект и предмет исследования, а также разработать устройство для подачи воды в воздушный тракт двигателя внутреннего сгорания, ко торая может быть использована на штатном двигателе без изменения его конструкции.
Вторая глава «Теоретические аспекты повышения топливной экономичности машинно-тракторных агрегатов» посвящена анали зу теории рабочего процесса в двигателе внутреннего сгорания при использовании альтернативных и многокомпонентных топлив с це лью повышения топливной экономичности.
При проведении теоретических исследований рабочего процесса в ДВС, работающем на топливовоздушной смеси с добавлением во ды, были поставлены и решены следующие задачи:
1) оценено влияние термодинамических факторов на изменение термического КПД и среднего давления рабочего цикла при исполь зовании воды как дополнительного компонента к топливовоздушной смеси и на этой основе установлены рациональные значения термо динамических факторов для получения наилучшей экономичности и максимальной удельной работы цикла;
2) получены значения термического КПД и среднего давления цикла, которые могут выступать в качестве критериев для оценки степени повышения экономичности и удельной работы (мощности) двигателя при использовании воды как дополнительного компонента к топливовоздушной смеси для двигателей внутреннего сгорания.
В качестве основного топлива было принято дизельное топливо, предназначенное для автотракторных дизелей по ГОСТ 305–82 и ТУ 38.1011348–90. Основным показателем качества дизельного топлива являлось цетановое число. В качестве основных теоретических поло жений влияния воды на рабочий процесс в ДВС были использованы результаты исследований B.C. Кукиса и О.И. Быстрова.
При наличии достаточно высокой температуры внутри цилиндра двигателя (600…700 С) в присутствии перегретого пара происходят следующие окислительные реакции:
y Cx H y mH 2O O2 xCO2 H 2O Q1 ;
C 2H 2O CO2 2H 2 Q2 ;
CO H 2O CO2 H 2 Q3 ;
2 H 2 O2 2 H 2O Q4.
Суммарная теплота, полученная в процессе доокисления:
QH2O Q1 Q2 Q3 Q4.
Суммарная внутренняя энергия продуктов сгорания и получаемая от доокисления теплота, которые идут на парообразование и перегрев пара, определяют максимальное количество воды (цикловую подачу), возможное при подаче в цилиндр двигателя для получения водяного пара. Данное обстоятельство мы учитывали в качестве ограничения при проведении экспериментальных исследований по определению оптимальной цикловой подачи воды по критерию максимальной эф фективной мощности, а также по критерию максимального крутяще го момента дизельного двигателя.
Внешний тепловой баланс дизельного двигателя, работающего на топливовоздушной смеси с добавлением воды, нами был представлен в виде следующих составляющих:
H и Gт QH 2 O Qe Qг Qв Qн.с Qост, 3, где Qе – теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя, МДж/с;
Qг – теплота, потерянная с отработавшими газами, МДж/с;
Qв – тепло та, передаваемая охлаждающей среде, МДж/с;
Qн.с – теплота, потерян ная из-за химической неполноты сгорания основного топлива, МДж/с;
Qост – неучтенные потери теплоты, МДж/с;
Gт – часовой расход топли ва, кг/ч;
Ни – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг топл;
Ни=42,7 мДж/кг.
Эффективность эксплуатации конструкций современных ДВС может быть оценена эффективным КПД двигателя е, удельным эф фективным расходом топлива qe и рядом других показателей.
Эффективный КПД двигателя е – отношение количества энер гии, превращенной в работу на валу двигателя, ко всей энергии со жженного в двигателе топлива:
Qe.
e = H и + QH2O Приняв обозначение H u' = H u +QH O, получим 3,6 10 3 3,6 10 3 Gт 10 тогда, e = ' ge = =, H u ge H u e ' Ne где ge – удельный эффективный расход основного (углеводородного) топлива, г/кВт·ч;
Gт – часовой расход основного (углеводородного) топлива, кг/ч.
Также определяется погектарный расход основного (углеводо родного) топлива:
g e К схм 10 К схм g га = или gга = ', 360 т см H u e т см где Ксхм – удельное сопротивление агрегатируемой сельхозмашины, кН/м;
т – КПД трансмиссии трактора (энергетического средства);
см – коэффициент использования времени смены.
Анализ полученной зависимости показывает, что удельный по гектарный расход топлива снижается с повышением теплоты сго рания топлива и улучшением протекания теплового процесса в двигателе.
Кроме того, парообразование в цилиндре двигателя отстает от процесса горения углеводородного топлива, что приводит к повыше нию индикаторного давления в середине такта «рабочий ход» и, со ответственно, к непропорциональному увеличению крутящего мо мента на валу двигателя и коэффициента приспособляемости двига теля к внешним нагрузкам Км (рисунок 1):
M д max KM =, M д nom где Мд max – максимальный крутящий момент, развиваемый двигате лем трактора;
Мд nom – номинальный крутящий момент, развиваемый двигателем трактора.
Рисунок 1 – Внешняя скоростная характеристика двигателя С учетом изложенного, условие бесперебойной работы машинно тракторного агрегата примет вид:
M д max K M M д nom.
Из полученного выражения видно, что бесперебойная работа машинно-тракторного агрегата будет обеспечена тем надежнее, чем больше коэффициент приспособляемости двигателя трактора, чего можно добиться за счет работы двигателя на топливовоздушной сме си с добавлением воды.
В третьей главе «Методика проведения экспериментальных ис следований» приведена методика проведения экспериментальных ис следований.
В качестве экспериментальной установки был выбран сельскохо зяйственный посевной агрегат в составе трактора МТЗ–80/82 и стер невой сеялки СКП–2,1, поскольку тракторы тягового класса 1,4 в на стоящее время являются основными энергетическими средствами в сельскохозяйственном производстве РФ и широко используются при проведении посевных работ.
Экспериментальные исследования были проведены в Тюменской государственной сельскохозяйственной академии (в Инженерном ме ханико-технологическом институте) в период с 2005-го по 2008 гг.
Лабораторные испытания двигателя Д–240 проведены на модернизи рованном тормозном стенде КИ–5543. Полевые испытания сельско хозяйственного посевного агрегата проведены на полях Учебно опытного хозяйства Тюменской ГСХА. В качестве агрофона исполь зована стерня зерновых колосовых культур.
В ходе проведенных экспериментальных исследований были по ставлены и решены следующие задачи:
– экспериментальная проверка теоретических зависимостей, рас крывающих взаимосвязь влияния топливовоздушной смеси с добав лением воды на топливную экономичность и улучшение экологиче ских показателей дизельных двигателей для сельскохозяйственных тракторных агрегатов;
– поиск исходных данных для анализа, позволяющего оценить влияние топливной экономичности двигателя на повышение эффек тивности использования сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов применительно к агрегату в составе трактора МТЗ–80/82 и стерневой сеялки СКП–2,1:
а) тяговое сопротивление прицепной сельскохозяйственной ма шины;
б) оценка состояния окружающей среды (температура и влаж ность воздуха, атмосферное давление) и агрофона (влажность, ук лон);
в) буксование движителей;
коэффициенты сцепления и сопротив ления качению.
Полученные результаты измерений и наблюдений обрабатывали с использованием основных положений теории математической ста тистики.
В основу методики проведения экспериментальных исследова ний легли стандартные методики, изложенные в ГОСТ 24055– «Техника сельскохозяйственная. Методы эксплуатационно технологической оценки. Общие положения», ГОСТ 23728– «Техника сельскохозяйственная. Основные положения и показате ли экономической оценки», ГОСТ 23729–88 «Техника сельскохо зяйственная. Методы экономической оценки специализированных машин», ГОСТ 7057–81 «Тракторы сельскохозяйственные. Методы испытаний», ОСТ 70.5.2–85 (ОСТ 70.5.2–74) «Испытание сельско хозяйственной техники. Программа и методы испытаний». Лабора торные испытания двигателя Д–240, которым был оснащен экспе риментальный трактор, проводились на основании ГОСТ 18509– «Двигатели тракторные и комбайновые. Методика стендовых ис пытаний».
Общей программой экспериментальных исследований преду сматривалось проведение лабораторных исследований по опреде лению топливной экономичности двигателя Д–240 при работе на топливовоздушной смеси с добавлением воды в систему питания воздухом и проведение полевых испытаний машинно-тракторного агрегата в составе трактора МТЗ–80/82, который оснащался модер низированным двигателем Д–240, и стерневой сеялки СКП–2,1.
В ходе проведения экспериментальных исследований были найде ны необходимые значения показателей для практической реализа ции теоретических выкладок, а также для проверки основных тео ретических предположений, полученных в результате математиче ского моделирования.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследова ний» опыты, лабораторные и полевые испытания тракторного агрега та двигателя производились раздельно, в два этапа. На первом этапе подача воды производилась во впускной коллектор двигателя Д–240, на втором – в систему рециркуляции отработавших газов. Кроме того, оценены экологические показатели работы двигателя Д–240 при обо их вариантах подачи воды.
Регрессионный анализ полученных на первом этапе экспери ментальных данных показал, что изменение эффективной мощно сти в зависимости от цикловой подачи воды во впускной коллектор двигателя Д–240 в границах изменения факторного пространства может быть, с достаточной степенью доверительной вероятности (R2 = 0,99), описано полиномиальным трендом третьего порядка (рисунок 2):
2 Ne = 52,71 - 0,166qH2O +0,188qH2O - 0,007qH2O, кВт, где qH O – цикловая подача воды, мг/ц.
При этом были получены следующие оптимальные значения цикловой подачи воды:
qH2O опт = 17,452 ± 0,87 мг/ц, при N e max = 69,87 ± 3,49 кВт.
Ne, кВт 3 y = -0,007x + 0,188x - 0,166x + 52, 0 5 10 15 20 25 H2O, мг/ц Рисунок 2 – Изменение эффективной мощности двигателя Д– в зависимости от цикловой подачи воды во впускной коллектор Процентное содержание воды по отношению к дизельному топ ливу составило около 32%, что соответствует результатам теоретиче ских исследований (33,3%, или третья часть от цикловой подачи топ лива).
Таким образом, увеличение эффективной мощности при опти мальной цикловой подаче воды, равной 17,452±0,87 мг/ц, происходит на 10…12 кВт, или на 17…19%, в сравнении со штатным показателем данного двигателя, составляющим 59 кВт.
На втором этапе исследований подача воды производилась в сис тему рециркуляции отработавших газов двигателя Д–240 через спе циальное устройство, выполненное на базе карбюратора пускового двигателя К–61. Результаты проведенных исследований представле ны на рисунке 3. Установлено, что изменение эффективной мощности в зависимости от цикловой подачи воды в систему рециркуляции от работавших газов двигателя Д–240 в границах изменения факторного пространства может быть, с достаточной степенью доверительной ве роятности (R2 = 0,98), описано полиномиальным трендом второго по рядка:
Ne = 46,46 +0,8515qH2O - 0,0337qH2O, кВт.
Ne, кВт y = -0,0337x2 + 0,8515x + 46, 0 5 10 15 20 25 30 H2O, мг/ц Рисунок 3 – Изменение эффективной мощности двигателя Д–240 в зависимости от цикловой подачи воды в систему рециркуляции отработавших газов Как видно из рисунка 3, подача воды в систему рециркуляции от работавших газов не привела к увеличению мощности двигателя.
По определению эффективных показателей работы двигателя Д–240 производилось снятие внешней скоростной характеристики двигателя при работе с регулятором (рисунок 4).
Мк, Нм Ne, кВт Мк Н2О Мк NeН2О Ne 50 ge, г/кВт ч Gт, кг/ч Gт Н2О 15 30 Gт 20 80 ge 10 40 ge Н2О 0 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 - n, мин Рисунок 4 – Совмещенная внешняя регуляторная характеристика дизельного двигателя Д–240, снятая при подаче воды во впускной коллектор и без воды (цикловая подача воды 17±5% мг/ц) Из рисунка 5 видно, что подача воды во впускной коллектор повышает эффективные показатели работы двигателя. В частности, на номинальном режиме работы двигателя повысилась эффективная мощность с 58,86 кВт до 69,34 кВт (на 18 %);
увеличился эффек тивный крутящий момент с 256 Нм до 301 Нм (на 18%);
снизился удельный эффективный расход топлива с 245 г/кВт·ч до 208 г/кВт·ч (на 15%).
Вместе с тем, на корректорной ветви характеристики произош ло некоторое увеличение часового расхода топлива. Максимальное увеличение часового расхода топлива отмечается на частоте 1800…1900 мин-1 и достигает 1,44 кг/ч (на 11,6%). Данное обстоя тельство может быть объяснено дополнительным расходом тепло ты, введенной с топливом, на парообразование и нагрев водяного пара.
Опыты по определению экологических параметров работы двига теля проводились при оптимальной цикловой подаче воды двумя вышеописанными способами.
Согласно общей методике оценки экологических показателей ра боты двигателя трактора, в качестве основных оценочных параметров были выбраны:
– содержание СО в отработавших газах двигателя, мг/м3;
– содержание NOx в отработавших газах двигателя, мг/м3;
– дымность отработавших газов, %.
Результаты проведенных исследований представлены на рисун ке 5. Анализ данных показывает, что в целом подача воды в цилиндр работающего двигателя благотворно сказывается на экологических показателях отработавших газов. Оба варианта подачи воды способ ствуют снижению токсичности отработавших газов, особенно окиси углерода (СО), содержание которой может быть уменьшено на 40…60%.
Противоречивая ситуация наблюдается с оксидами азота (NOx).
На режиме холостого хода применение воды способствует увеличе нию NOx, что может быть объяснено относительно невысокой темпе ратурой отработавших газов. Однако нужно учесть, что данный ре жим работы двигателя не определяет эффективности его использова ния в качестве силовой установки на сельскохозяйственном тракторе.
CO, мг/м Без подачи воды 0, 0, 0, 0, 0, Подача воды в систему рециркуляции отработавших Подача воды во впускной 0, газов коллектор двигателя 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 pe, МПа а NOx, мг/м 8,5 Без подачи воды 7, 6, 6 Подача воды в систему рециркуляции отработавших газов 5,5 Подача воды во впускной коллектор двигателя 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 pe, МПа б Дымность, % Без подачи воды 2, 2, 2, 2, Подача воды в систему рециркуляции отработавших 1, газов Подача воды во впускной коллектор двигателя 1, 1, 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 pe, МПа в Рисунок 5 – Изменение содержания вредных выбросов в отработавших газах дизельного двигателя Д–240 в зависимости от среднего эффективного давления при различных вариантах подачи воды: а) СО;
б) NOx;
в) дымности Полевые испытания машинно-тракторного агрегата в составе трактора МТЗ–80/82 и стерневой сеялки СКП–2,1 проводились по ме тодике полного факторного эксперимента по двухуровневому плану второго порядка Бокса-Бенкина.
Экспериментальные тяговые характеристики трактора МТЗ–80/82 с устройством для подачи воды во впускной коллектор двигателя и без него представлены на рисунке 6.
Рисунок 6 – Совмещенная экспериментальная тяговая характеристика трактора МТЗ–80/82 на стерне зерновых Анализ представленных характеристик выявил наибольший эффект при работе двигателя трактора на топливовоздушной смеси с добавле нием воды на режиме номинальной мощности и при работе двигателя на корректорной ветви внешней скоростной характеристики. Макси мальное значение тяговой мощности достигается на шестой передаче, в то время как без добавления воды максимальное значение тяговой мощности трактора МТЗ–80/82 было зафиксировано на пятой передаче.
Эффективность использования трактора МТЗ–80/82, снабженного устройством для подачи воды во впускной коллектор двигателя, в тя говом режиме также можно оценить при помощи условного тягового КПД:
N кр ту =.
N e max Изменение максимальных условных тяговых КПД трактора МТЗ–80/82 на различных передачах представлено на рисунке 7. Зна чения условного тягового КПД для трактора МТЗ–80/82, снабженно го устройством для подачи воды во впускной коллектор двигателя, на низших передачах (на агрофоне – стерня зерновых) ниже, чем у се рийного трактора. Данное обстоятельство объясняется низким сцеп ным весом трактора МТЗ–80/82. В качестве рекомендаций можно указать, что наибольшей эффективности данный трактор достигает при агрегатировании его с тягово-приводными сельхозмашинами, при эксплуатации которых часть мощности двигателя трактора сни мается через вал отбора мощности (ВОМ).
ту 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1 2 3 4 5 6 7 8 Номер передачи Без подачи воды С подачей воды Рисунок 7 – Изменение максимальных условных тяговых КПД трактора МТЗ–80/82 на различных передачах (агрофон – стерня зерновых) Таким образом, производительность машинно-тракторного агре гата при условии, что трактор как тяговое средство сможет реализо вать свои тяговые возможности, а параметры технологической опера ции позволят ему реализовать его скоростные возможности, опреде ляется мощностью установленного двигателя. Повышение экономич ности двигателя приведет к снижению затрат топлива на обработку единицы площади возделываемой сельскохозяйственной культуры.
В свою очередь топливная экономичность двигателя определяет ся эффективностью сгорания топлива в течение одного цикла работы цилиндра двигателя.
Важнейшей характеристикой действительного цикла работы дви гателя является его индикаторная диаграмма. Графическое изображе ние индикаторной диаграммы рабочего цикла дизельного двигателя Д–240 представлено на рисунке 8 при оптимальной цикловой подаче воды 17,452 мг/ц.
Анализ полученной индикаторной диаграммы показывает, что подача воды в цилиндр двигателя приводит к снижению максималь ного индикаторного давления (на 4,97%) и как следствие – к некото рому снижению нагруженности деталей кривошипно-шатунного ме ханизма при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки.
Следует особо отметить рост среднего индикаторного давления на 0,378 МПа (с 0,938 МПа – у серийного двигателя, до 1,316 – у опытного двигателя), или на 40,30%, причем в той части индикатор ной диаграммы, где давление газов наиболее эффективно трансфор мируется в индикаторный крутящий момент двигателя (рисунок 9).
P, МПа Z Z' z z' Без добав ления в оды При добав лении в оды b' b ОА=8,3 b' b ОВ=133, Ро аа a'а' А 0 50 100 В V(S,мм) Рисунок 8 – Индикаторная диаграмма рабочего цикла дизельного двигателя Д– Мк, Нм При добавлении воды 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 - - Рисунок 9 – Цикловой крутящий момент одного цилиндра двигателя Д– На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно заключить, что оптимальная цикловая подача воды составляет около 17,5 мг/ц, при этом происходит улучшение эффективных показателей работы двигателя. В частности, на номи нальном режиме работы двигателя происходит повышение эффек тивной мощности с 58,86 кВт до 69,34 кВт (на 17,80%);
увеличение эффективного крутящего момента с 256 Нм до 301 Нм (на 17,58%);
снижение удельного эффективного расхода топлива с 245 г/кВт·ч до 208 г/кВт·ч (на 15,10%).
В пятой главе «Экономико-экологическая оценка применения многокомпонентных топлив при эксплуатации машинно тракторных агрегатов» дана экономическая оценка эффективности внедрения результатов диссертационного исследования.
Расчет затрат на модернизацию системы питания двигателя Д– для подачи воды во впускной коллектор двигателя показывает, что уве личение балансовой цены трактора МТЗ–80/82 произойдет на 8538 руб.
Оценка экономической и энергетической эффективности от использо вания машинно-тракторных агрегатов в составе трактора МТЗ–80/82 и стерневой сеялки СКП–2,1 (в ценах 2009 г.) представлена в таблице 1.
Таблица 1 – Результаты расчета оценки экономической эффективности использования машинно-тракторных агрегатов в составе трактора МТЗ–80/82 и стерневой сеялки СКП–2, (в ценах 2009 г.) Базовый агрегат Новый агрегат Показатель МТЗ–80/82 СКП–2,1 МТЗ–80/82 СКП–2, Цена машины, руб. 343 000 95 000 351 538 Часовая производи 5,76 6, тельность, га/ч Сумма удельных приведенных затрат, 101,99 86, руб./га Годовой экономиче ский эффект от мо дернизации системы 52 питания трактора МТЗ–80/82, руб./г Годовой энергетиче ский эффект от мо дернизации системы 98 питания трактора МТЗ–80/82, МДж/г Экологическая оценка эффективности использования машинно тракторных агрегатов с двигателями, работающими на многокомпо нентном топливе, может быть представлена снижением содержания:
окиси углерода (СО) на 40…60%;
оксидов азота (NOx) при работе двигателя на корректорной ветви на 20…30%;
дымности – на 8…10%.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Анализ путей повышения эффективности использования ма шинно-тракторных агрегатов за счет улучшения топливной эконо мичности и экологической безопасности их двигателей показал, что наиболее приемлемым способом является применение альтернатив ных и многокомпонентных топлив, позволяющих существенно сни зить расход традиционных топлив (снизить издержки при эксплуата ции МТА). Одним из наиболее перспективных направлений, не тре бующих существенного изменения конструкции двигателя внутрен него сгорания и в то же время позволяющих снизить расход традици онных топлив, является применение воды, которая вводится в систе му питания воздухом.
2. Теоретически установлено, что увеличение мощности и крутя щего момента двигателя может быть получено за счет увеличения те плоты, получаемой от сгорания топлива и перегретого пара в цилин дре двигателя. Парообразование в цилиндре двигателя отстает по уг лу поворота коленчатого вала от начала горения топлива, что приво дит к увеличению крутящего момента на валу двигателя и, соответст венно, к увеличению коэффициента приспособляемости двигателя к внешним нагрузкам.
3. Разработанный алгоритм расчета индикаторных показателей четырехтактного рабочего цикла позволяет оценить эффективность введения в рабочий цикл воды для наиболее полного использования энергии топлива. Для определения оптимальной цикловой подачи во ды могут выступать критерии максимальной эффективной мощности и максимального крутящего момента дизельного двигателя. В резуль тате математического моделирования установлен рост среднего ин дикаторного давления, причем в той части индикаторной диаграммы, где давление газов наиболее эффективно трансформируется в инди каторный крутящий момент двигателя. Повышение среднего индика торного давления произошло на 0,378 МПа (с 0,938 МПа – у серийно го двигателя, до 1,316 – у опытного двигателя), или на 40%.
4. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что с достаточной степенью доверительной вероятности (R2 = 0,99) при подаче воды во впускной коллектор двигателя Д– оптимальное значение цикловой подачи воды составляет qH O опт = 17,5 ± 0,9 мг/ц при N e max = 70 ± 3,5 кВт, при этом содержание воды по отношению к дизельному топливу составило около 32%, что соот носится с результатами теоретических исследований (33%, или третья часть от цикловой подачи топлива). Увеличение эффективной мощ ности при этом происходит на 10…11 кВт, или на 17…19%, в сравне нии со штатными показателями данного двигателя, составляющими 59 кВт.
5. Экспериментально установлено, что подача воды в цилиндр работающего двигателя благотворно сказывается на экологических показателях отработавших газов, способствует снижению их токсич ности, особенно окиси углерода (СО), содержание которой может быть снижено на 40…60%.
6. На основании анализа полученных скоростных характеристик опытного дизельного двигателя Д–240 установлено, что подача воды во впускной коллектор повышает эффективные показатели работы двигателя. В частности, на номинальном режиме работы двигателя произошло повышение эффективной мощности с 59 кВт до 69 кВт (на 18%);
увеличение эффективного крутящего момента с 256 Нм до 301 Нм (на 18%), снижение удельного эффективного расхода топлива с 245 г/кВт·ч до 208 г/кВт·ч (на 15%). Вместе с тем, на корректорной ветви характеристики произошло некоторое увеличение часового расхода топлива. Максимальное увеличение часового расхода топли ва отмечается на частоте 1800…1900 мин-1 и достигает 1,44 кг/ч (на 11,6%). Данное обстоятельство может быть объяснено дополнитель ным расходом теплоты, введенной с топливом, на парообразование и нагрев водяного пара.
7. Годовой экономический эффект от модернизации системы пи тания трактора МТЗ–80/82 в ценах 2009 года составит 52863 руб./г.
(для посевного агрегата – 15,19 руб./га). Годовой энергетический эффект – 55 380 МДж/г (для посевного агрегата – 15,91 МДж/га).
Экологический эффект – снижение содержания окиси углерода (СО) – достигает 40…60%;
снижение оксидов азота (NOx) при рабо те двигателя на корректорной ветви достигает 20…30%;
снижение дымности – 8…10%.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Сторожев, И. И. Результаты полевых испытаний трактора МТЗ–80/82, оборудованного устройством для подачи воды во впускной коллектор двигателя, в агрегате со стерневой сеялкой СКП–2,1 [Текст] / И. И. Сторожев // Аграрный вестник Урала: 2010. – № 9.– С. 6–8.
в других изданиях 2. Старцев, А. В. Улучшение эффективных показателей работы ди зельного двигателя путем подачи воды в систему рециркуляции отрабо тавших газов [Текст] / А. В. Старцев, И. И. Сторожев // «Достижение нау ки – агропромышленному производству» : Науч. вестник ЧВАИ. – Вып.
№ 9. – Челябинск, 2008. – С. 6–9.
3. Старцев, А. В. Эффективность использования машинно тракторных агрегатов с двигателями, работающими на многокомпонент ном топливе. Сообщение 1. Экономическая оценка [Текст] / А. В. Старцев, И. И. Сторожев // «Наука и производство» : Сб. науч.- труд. / под ред.
В. В. Ерофеева. – Челябинск : ЧРО РАЕН, 2009. – С. 10–17.
4. Старцев, А. В. Эффективность использования машинно тракторных агрегатов с двигателями, работающими на многокомпонент ном топливе. Сообщение 2. Энергетическая оценка [Текст] / А. В. Стар цев, И. И. Сторожев // «Наука и производство» : Сб. науч.- тр. / под ред.
В. В. Ерофеева. – Челябинск : ЧРО РАЕН, 2009. – С. 18–23.
5. Сторожев, И. И Расщеплённый цикл [Текст] / И. И. Сторожев // Инновации молодых ученых – развитие АПК Тюменской области : Сб.
науч.-тр. студ. науч. конф. – Тюмень : ТюмГСХА, 2007. – C. 4–6.
6. Сторожев, И. И. Результаты лабораторных исследований топлив ной экономичности двигателя Д–240 при работе на многокомпонентном то пливе [Текст] / И. И Сторожев;
науч. рук.: А. В. Старцев, докт. техн. наук (ЧГАУ) // Научно-методический журнал «Вестник ТГСХА». – №3 (10). – 2009. – С. 144–149.
7. Старцев, А. В. Улучшение эффективных показателей работы ди зельного двигателя путем подачи воды в систему рециркуляции отрабо тавших газов [Текст] / А. В. Старцев, И. И. Сторожев // Материалы меж дународной научно-технической конференции «Достижения науки – агро промышленному производству, посвященной 100-летию со дня рождения И.Е. Ульмана. Ч. 2. Челябинск : ЧГАУ, 2008. – С. 193–197.
8. Сторожев, И. И. Улучшение экологических показателей дизель ного двигателя путём добавления воды в рециркуляцию отработавших га зов [Текст] / И. И. Сторожев // «Наука в современных условиях : от идеи до внедрения». – Ульяновск : Ульяновский ГСХИ, 2007. – С. 39–42.
9. Сторожев, И. И. Улучшение экологических показателей дизель ных двигателей рециркуляцией отработавших газов с добавлением воды [Текст] / И. И. Сторожев;
науч. рук. : А. В. Старцев докт. техн. наук (ЧГАУ) // «Аграрная политика на современном этапе» : Сб. науч.-прак.
конф. – Тюмень : ТюмГСХА., 2007. – C. 228–233.
10. Сторожев, И. И Повышение экологических показателей путем добавления воды в систему питания воздухом дизельных двигателей [Текст] / И. И. Сторожев // «Аграрная политика на современном этапе» :
Сб. науч.-прак конф. – Тюмень : ТюмГСХА, 2007. – C. 250–254.
Подписано в печать 07.02.2011. Формат 60х84/16. Уч.-изд. л. 1,0.
Заказ № 29. Тираж 100 экз.
Редакционно-издательский отдел ЧГАА.
г. Челябинск, пр. Ленина, 75.
УОП ЧГАА