Технологии и технические средства адаптации автотракторной техники к работе на альтернативных видах топлива

На правах рукописи

Савельев Геннадий Степанович

Технологии и технические средства адаптации

автотракторной техники к работе на альтернативных

видах топлива

Специальность 05.20.01 – Технологии

и средства механизации

сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2011

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский на учно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИМ Россельхозакадемии).

Научный консультант доктор технических наук, профессор, академик Россельхозакадемии Краснощеков Николай Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, академик Россельхозакадемии Лачуга Юрий Федорович доктор технических наук, профессор Уханов Александр Петрович доктор технических наук, профессор Ерохов Виктор Иванович

Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина» (ФГОУ ВПО МГАУ).

Защита состоится « » 2011 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 006.020.01 при Государственном научном учреждении Всероссийский на учно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства по адресу:

109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИМ Россельхозакаде мии.

Автореферат разослан « » 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук И.А.Пехальский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсивный рост цены на дизельное топливо за по следние годы (в 3–4 раза) и связанное с этим увеличение доли затрат на традицион ное топливо в себестоимости сельскохозяйственной продукции обусловили акту альность разработок по использованию альтернативных видов топлива. Возможность применения определенного вида альтернативного топлива (АТ) определяется его ре гиональными ресурсами, соотношением цен между альтернативными и традицион ными топливами, необходимыми затратами на адаптацию двигателей к работе на АТ, на инфраструктуру доставки, хранения и заправки техники.

Применительно к сельскохозяйственному производству по моторным АТ прио ритет принадлежит биологическим моторным топливам на основе растительных ма сел и обезвоженных спиртов, а также газомоторному топливу (ГМТ).

АТ позволяют снизить негативную экологическую нагрузку от токсичных вы бросов с отработавшими газами (ОГ) двигателей сельскохозяйственных тракторов для выполнения норм Правил ЕЭК ООН № 96, Директивы 97/68 ЕС и соответ ствующего ГОСТ Р. 41.96-2005.

Поэтому исследования, направленные на разработку технологий и технических средств адаптации автотракторной техники к работе на альтернативных видах топ лива, являются актуальными.

Исследования и разработки, составившие основу диссертационной работы, вы полнялись в соответствии с Приказом Минсельхоза России и Россельхозакадемии № 5/10 от 27.01.93, Федеральной Целевой программой «Топливо и энергия», утвер жденной постановлением Правительства Российской Федерации № 263 от 06.03.96;

решением Бюро Отделения механизации, электрификации и автоматизации Рос сельхозакадемии от 31 марта 2005 г. Актуальность разработок по ГМТ подтверждена поручением Президента Российской Федерации от 18.10.2004 г. № 1686 ГС и по ручением Правительства Российской Федерации от 25.10.2004 г. № МФ-П9-5799 по расширению использования ГМТ в сельском хозяйстве. Часть работ по ГМТ вы полнялась в Обществе с ограниченной ответственностью «Научно-исследователь ский институт природных газов и газовых технологий ВНИИ ГАЗ».

Цель работы. Повышение эффективности функционирования сельскохозяй ственных предприятий путем обеспечения частичной их энергоавтономности по ди зельному топливу (ДТ) на основе разработки технологий и технических средств адап тации дизелей для эффективной работы на рапсовом масле (РМ) и смеси РМ с ДТ (СТРМ) без существенных изменений в конструкции двигателя.

Разработка конструкторской документации и технологий переоборудования ав тотракторной техники для работы на ГМТ.

Предмет исследований. Энергетические, экологические, технико-экономиче ские показатели, параметры рабочего процесса двигателей при работе на биоди зельном топливе (БДТ) и ГМТ, комплекты оборудования для адаптации автотрак торной техники к работе на БДТ и ГМТ, опытные образцы адаптированной авто тракторной техники для приемочных испытаний.

Объекты исследований. Технологии и технические средства, обеспечивающие повышение надежности и эффективности функционирования производственных процессов, снижение себестоимости сельскохозяйственной продукции, повышение экологической безопасности при использовании альтернативных видов топлива.

Методы исследований. Теоретические исследования выполнены при использо вании математических моделей, экспериментальные исследования проводились по специальным и гостированным методикам в стендовых и эксплуатационных усло виях. Технико-экономические исследования проводились в соответствии с методи ческими положениями ГОСТ, также использовались «Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирова ния» (утв. Госстроем России, Минэкономики РФ, Минфином РФ и Госкомпромом России от 31.03.94) и «Внутрикорпоративные правила оценки эффективности НИОКР» ОАО «Газпром».

Научную новизну работы составляют:

- технологии и технические средства внутрихозяйственной комплексной пере работки рапса, обеспечивающие повышение надежности, экологической безопас ности и эффективности функционирования производственных процессов в частично энергоавтономном сельскохозяйственном предприятии;

- метод определения оптимального соотношения рапсового масла (РМ) и ди зельного топлива (ДТ) в СТРМ по критериям эффективности и ресурсосбережения на основе исследований параметров рабочего процесса, энергетических, топливно экономических и экологических показателей дизелей при работе на РМ и СТРМ;

- технологии и конструкторская документация переоборудования автотракторной техники для работы на компримированном (КПГ) и сжиженном (СПГ) природном газе с учетом оптимизации конструкционных параметров и режимов работы по критериям эффективности и ресурсосбережения технологических процессов при максимальном удовлетворении агротехнических требований;

- новые энергетические, топливно-экономические, экологические показатели га зодизельных и газоискровых двигателей;

- зависимости влияния коэффициента загрузки двигателя, запальной дозы ДТ у газодизеля, изменения капвложений на переоборудование, разницы в ценах ГМТ и ДТ на показатели коммерческой эффективности.

Практическая значимость и реализация результатов исследований вклю чают:

- конструкторскую документацию комплектов адаптации тракторов и автомоби лей к работе на РМ и СТРМ, разработанную на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований;

- результаты приемочных испытаний опытных образцов автотракторной тех ники (8 типов тракторов и 4 типа автомобилей), работающей на ГМТ и БДТ, прове денных девятью МИС и др. организациями);

- рекомендации по производству и использованию БДТ из РМ;

- руководство по организации и проведению переоборудования тракторов для ра боты на компримированном природном газе ОАО «Газпром», Минсельхозпрод РФ, 2000 г. и руководство по конвертации дизеля RABA-MAN-D2156 для автобусов «Икарус» в газовый двигатель с искровым зажиганием, ВРД 39-1.20-068-2002, ОАО «Газпром».

Достоверность основных положений и выводов подтверждена эксперименталь ными исследованиями, оценкой адекватности расчетных и полученных на стендах данных, результатами приемочных испытаний двигателей и тракторов, работающих на АТ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на: конфе ренции ОАО «Автогаз», Паланга, 20.05.91;

Совместном заседании Проблемного Совета «Трактородвигателестроение» НТС Госкоммаша и секции «Тракторы» НТС АО «АСМ-Холдинг», М., 19.04.94;

Расширенном заседании Комиссии Правительства РФ по использованию природного и сжиженного нефтяного газа в качестве мотор ного топлива, М., 1995 г.;

научно-техническом совете РАО «Газпром», секция «Ис пользование природного газа», ООО «ВНИИГАЗ», 1996 г.;

московской междуна родной конференции «Газ в моторах», М., 23.05.96;

научно-техническом совете ОАО «Автосельхозмаш-холдинг», М., 27.06.96;

бюро отделения механизации, электри фикации и автоматизации Россельхозакадемии, 24.04.96;

выставке-семинаре в Анд роповском районе Ставропольского края «Возможности использования сжатого природного газа в качестве моторного топлива», 26.05.99;

международной научно технической конференции «Энергосбережение в сельском хозяйстве», М., 2000 г.;

международной научно-технической конференции «Земледельческая механика в ра стениеводстве», М., 2001 г.;

отраслевом совещании ОАО «Газпром» по проблеме «Ис пользование газа в качестве моторного топлива на транспорте России в современных условиях», Невинномысск, 2001 г.;

международной конференции «Альтернативные источники энергии для транспорта и энергетики больших городов», М., 2005 г.;

меж дународном круглом столе «Использование технологий переработки биомассы для производства энергии и на транспорте, опыт Европы, возможности России», М., 2005 г.;

бюро отделения механизации, электрификации и автоматизации Россельхо закадемии, М., 2005 г.;

конференции по рапсу, Ростов-на-Дону, 23.03.2006 г.;

круглом столе на 1-й Международной специализированной выставке «Альтернативная энер гетика», М., ВВЦ, 26.04. 2008 г.;

третьем Международном конгрессе «Биодизель 2008», М., 26.11.2008 г.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Технологии и технические средства внутрихозяйственной комплексной пере работки рапса, обеспечивающие повышение надежности и эффективности функ ционирования производственных процессов при реализации частично энергоавто номного сельскохозяйственного производства, повышении его экономических показателей и экологической безопасности.

2. Методики и результаты теоретических и экспериментальных исследований топ ливных систем низкого давления и гидродинамического расчета процесса топливо подачи тракторных дизелей при работе на РМ и СТРМ.

3. Метод определения оптимального соотношения РМ и ДТ в СТРМ по критериям эффективности и ресурсосбережения на основе исследований параметров рабочего процесса, энергетических, топливно-экономических и экологических показателей ди зелей, коксования отверстий распылителей форсунок и нагароотложений на деталях цилиндро-поршневой группы у автотракторных дизелей при работе на РМ и СТРМ.

4. Комплект оснастки для адаптации систем топливоподачи тракторных дизелей, обеспечивающей эффективную их работу на РМ и СТРМ с ручным и автоматизи рованным переключением видов топлив.

5. Метод оценки коммерческой эффективности производства и использования БДТ из РМ в зависимости от цены маслосемян, производительности и стоимости оборудования для производства БДТ.

6. Технология и конструкторская документация переоборудования автотрактор ной техники для работы на КПГ и СПГ с учетом оптимизации конструкционных па раметров, режимов работы по критериям эффективности и ресурсосбережения при максимальном удовлетворении агротехнических требований.

7. Опытные образцы, результаты стендовых, эксплуатационных и приемочных ис пытаний сельскохозяйственных тракторов, работающих на КПГ и СПГ, при кон вертации дизелей на газодизельный режим и в монотопливные газоискровые дви гатели с эжекторными и инжекторными системами подачи газа, в том числе с микропроцессорными системами управления.

8. Результаты оценки влияния на показатели коммерческой эффективности коэф фициента загрузки двигателя, запальной дозы ДТ у газодизеля, величины капвложений на переоборудование, разницы в ценах на ГМТ и ДТ. Методика и результаты оценки ком мерческой эффективности переоборудования на ГМТ отдельных образцов машин, а также парка техники в масштабе сельскохозяйственных предприятий и регионов.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 61 работе, в т.ч.

в двух монографиях, пяти брошюрах, 30 статьях в журналах и изданиях по перечню ВАК РФ. Общий объем опубликованных печатных работ по теме диссертации со ставляет более 55 печатных листов. По теме диссертации получено 2 авторских сви детельства.

Содержание работы Во введении показана актуальность рассматриваемой проблемы, ее связь с го сударственными и отраслевыми программами, отражено хозяйственное значение, вклад в научно-технический прогресс, представлена информация о реализации ре зультатов исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ технологий и технических средств производства и использования биодизельных и газомоторных топлив» отражены перспективы и приоритеты использования природного газа (КПГ и СПГ) и биодизельных топлив первого и второго поколений в качестве моторных топлив.

В решение проблем разработки и использования АТ значительный вклад внесли известные ученые: А.А.Артюшин, И.Ф.Бородин, Д.Б.Бубнов, Д.С.Буклагин, Ю.Н.Ва сильев, М.Е.Вайсблюм, А.И.Гайворонский, К.И.Генкин, Л.Н.Голубков, Л.В.Грехов, С.Н.Девянин, В.И.Ерохов, А.Н.Зазуля, Л.С.Золотаревский, В.Ф.Заборский, А.Ю.Из майлов, Р.З.Кавтарадзе, И.М.Коклин, Н.В.Краснощеков, Н.А.Лапушкин, Н.А.Пат рахальцев, Ю.Ф.Лачуга, В.А.Лиханов, В.А.Лукшо, П.Д.Лупачев, В.С.Маринин, В.А.Марков, Я.С.Мкртычан, Ю.В.Панов, Е.С.Панцхава, В.В.Пашков, Е.Г.Пономарев, Е.Н.Пронин, Б.С.Рачевский, А.М.Савенков, В.Г.Семенов, Н.Т.Сорокин, Д.С.Стреб ков, А.П.Уханов, В.Ф.Федоренко, А.С.Хачиян, К.Ю.Чириков, В.Л.Чумаков.

На основе выполненного анализа химмотологических, ценовых, ресурсных по казателей различных видов АТ установлены следующие приоритеты их использо вания в целях реализации полной или частичной энергоавтономности сельскохо зяйственного предприятия:

1. ГМТ в виде КПГ, СПГ и биометана. Основной составляющей (до 98%) у при родного газа (ПГ) и до75% у биометана (БМ) является метан. К ГМТ также относится сжиженный углеводородный газ (СУГ), состоящий из смеси пропана и бутана. СУГ широко применяется в двухтопливных бензогазовых двигателях, но не может эф фективно использоваться в дизелях ввиду низкого (16–25) цетанового числа (ЦЧ).

2. Биодизельное топливо на основе растительных масел (БДТ).

3. Смеси обезвоженных спиртов (этилового, метилового, бутилового) с бензином для двигателей с искровым зажиганием.

4. Синтетическое жидкое углеводородное топливо, получаемое по методу Фи шера-Тропша из синтез газа (СГ), исходными продуктами для получения которого могут быть биомасса, газ, уголь и сланцы.

5. Диметиловый эфир – топливо для дизелей с хорошими экологическими каче ствами, полученное синтезом из газа, угля, сланцев.

По объему выполненных научных исследований, коммерческой эффективности, возможностям практического использования с получением существенной экономи ческой эффективности наиболее продвинутыми являются три первых вида моторных топлив.

После нефти вторым энергоресурсом для моторного топлива является ПГ. Рос сия обладает самыми большими доказанными и потенциальными ресурсами ПГ.

После истощения нефтяных ресурсов ПГ является реальным энергоресурсом на пе реходной период до освоения водородной энергетики.

Хорошие экологические характеристики и более низкая цена способствуют рас ширению использования ПГ в качестве моторного топлива. ПГ, используемый для производства КПГ, оплачивается по сниженной цене, что позволяет выполнять по становление Правительства РФ № 31 от 15.01.93., предусматривающее цену КПГ в пределах 50% от цены низкооктанового бензина.

В настоящее время природный газ в качестве моторного топлива используется в 63 странах. Наиболее широкое применение КПГ имеют Аргентина и Бразилия. Бо лее широкое использование КПГ в России сдерживается следующими факторами:

- недостаточное количество автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) и низкие темпы роста их сети;

- отсутствие серийного выпуска техники, работающей на ГМТ, вследствие чего рост парка газобаллонной техники происходит только за счет переоборудования находящейся в эксплуатации техники;

- значительные затраты на инфраструктуру для производства, транспортировки и заправки КПГ;

- значительная стоимость переоборудования техники для работы на КПГ при по стоянно растущих ценах на баллоны и газоредуцирующую аппаратуру;

- отсутствие отечественных законодательных актов, стимулирующих использо вание ГМТ;

- повышенные массогабаритные параметры газобаллонного оборудования;

- снижение длительности работы техники на одной заправке ГМТ.

Последние два недостатка в значительной мере устраняются при использовании СПГ.

Несмотря на отмеченные выше отрицательные факторы, применение ГМТ в ближайшей перспективе будет расти в связи с прогнозируемым снижением добычи нефти и ужесточением норм по токсичности. Росту использования ГМТ будут также способствовать:

- расширение сети АГНКС в соответствии с утвержденной в ОАО «Газпром» Це левой комплексной программой развития газозаправочной сети и парка техники, ра ботающей на ПГ, на 2007–2015 гг.;

- увеличение коммерческой эффективности перевода техники на ПГ в связи с по стоянно растущими ценами на нефтетопливо.

Переоборудование автотракторной техники на ПГ производится по следующим вариантам:

- дизели переоборудуются для работы в газодизельном режиме;

- дизели конвертируются в монотопливные газоискровые двигатели с понижен ной по сравнению с дизелями степенью сжатия;

- бензиновые двигатели переоборудуются в двухтопливные газобензиновые.

Ввиду ограниченной сети АГНКС широко используются газодизельные двига тели, которые при необходимости переключаются на дизельный режим. При гаран тированной ежедневной заправке газом более эффективна конвертация дизелей в мо нотопливные газовые двигатели при полном замещении ДТ более дешевым газовым.

В отличие от ГМТ при использовании БДТ применяются обычные средства транспортировки и заправки топлива, что значительно снижает первоначальные ка питальные затраты. Перспективность использования БДТ обусловлена следующим:

- биотопливо производится из возобновляемых источников, что позволяет сель хозпроизводителю иметь собственную сырьевую базу, полностью или частично обеспечить энергоавтономность ДТ;

- применение биотоплив положительно влияет на парниковый эффект за счет за мкнутого баланса двуокиси углерода. Негативное влияние энергосиловых установок на окружающую среду значительно снижается за счет уменьшения токсичных вы бросов с отработавшими газами и способности биотоплива, попадающего в почву, к быстрому биоразложению;

- при выращивании рапса в почве накапливается азот, калий, фосфор;

- из рапсовой соломы можно изготавливать пеллеты (твердое экологичное топ ливо);

- при производстве биотоплива из рапса удовлетворяются потребности живот новодства в дефицитном белковом концентрате в виде жмыха или шрота, что поз воляет значительно увеличить продуктивность животноводства;

- у сельхозпроизводителя появляется новая товарная продукция с неограничен ным сбытом в виде РМ, шрота, биодизеля, в том числе и на экспорт.

БДТ из РМ как моторное топливо используется в следующих вариантах:

1. Метиловый эфир РМ (МЭРМ), получаемый при метанолизе РМ.

2. Чистое РМ «холодного» отжима и СТРМ.

МЭРМ (европейское название биодизель, RME – Rape Metyl Ester) имеет близ кие к ДТ физико-химические показатели по вязкости, зольности, цетановому числу (табл. 1). Качество RME регламентируется национальными стандартами.

Ввиду того, что добавка RME улучшает качество нефтяного ДТ, производимые в настоящее время за рубежом объемы RME используются в смеси с ДТ. Это позво ляет в определенной степени исключить недостатки, имеющиеся при использовании RME в чистом виде – нестабильность показателей при длительном хранении, агрес сивное влияние на некоторые резинотехнические изделия и цветные металлы. По следние исследования показали также снижение мощности двигателя при длитель ной работе на 100% RME.

ТАБЛИЦА 1 – ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТОПЛИВ РМ. Обычного Смесь ДТ Л/3 RME отжима / холод Показатель РМ и ДТ ГОСТ 305- DIN EN ного отжима 75 : 25 82 14. DIN 51605* Низшая удельная теплота сго 37,2/36* 38,3 41,8 37, рания, МДж/ кг Плотность при 20°С, кг/м3 915/900…930* 890 860-840 860… 78 (при 20°С)/ Вязкость, мм2 /с 38,2 3,6/1,85 3,5… 37** (при 40°С) Температура, °С:

– помутнения –9 –9 –5…–25 0…–20*** – застывания –18 –16 –1/–35 –10…– – самовоспламенения 593 583 550 120**** Цетановое число 41/39* min 42 45 Йодное число, г /100 г –/95…125* 9,0 6,0 Кислотность КОН, мг/100 см3 6,1/1,2* max 6,0 5,0 Содержание, % (масс):

– углерода 78,3 80,3 86,4 77, – водорода 12,8 12,95 13,4 12, – кислорода 8,7 6,52 0,0 10, * «Холодного» отжима. ** При 40°С. *** Фильтруемость. **** Температура вспышки СТРМ по сравнению с МЭРМ имеет следующие преимущества: простая техно логия получения топлива, реализуемая в сельхозпредприятии, высокая стабиль ность при хранении за счет растворения РМ в ДТ на молекулярном уровне.

По сравнению с ДТ у РМ вязкость больше в 25 раз, плотность выше на 9%, со держание серы меньше в 10 раз, температура самовоспламенения выше на 50°С, тем пература застывания ниже на 10°, чем у летнего, и на 17° выше, чем у зимнего ДТ.

СТРМ по физико-химическим показателям занимает промежуточное положение между ДТ и РМ. Большая вязкость РМ осложняет его применение в качестве топлива в дизелях, однако при повышении температуры до 70–90°С его вязкость снижается до значений, близких к вязкости ДТ.

Несмотря на то, что в Германии имеются значительные производственные мощ ности по выпуску МЭРМ, в последние годы ведутся интенсивные работы по ис пользованию чистого РМ «холодного» отжима в качестве топлива в дизелях. Фирма Fend начала производство трактора модели 820 Variogreentes с двигателем фирмы De utz, работающим на РМ.

Эффективность и целесообразность производства и использования биотоплив возрастает по мере увеличения цен на нефтетоплива. Европейские цены на нефте топлива примерно в 2 раза выше, чем в России, поэтому там раньше наступил па ритет цен на био- и нефтетоплива.

В перспективе значительный интерес представляет биотопливо второго поколе ния (БДТ-2) в виде синтетического жидкого углеводородного топлива из биомассы (БСЖТ), получаемого из синтез-газа по методу Фишера-Тропша. Россия обладает практически неограниченной сырьевой базой для производства БДТ-2 в виде сель скохозяйственных и лесных ресурсов.

Исходя из приведенного краткого анализа состояния и перспектив использования альтернативных топлив, настоящая работа предусматривает решение следующих за дач:

1. Обосновать параметры технологий производства биотоплива из семян рапса с учетом ценовых и производственных показателей оборудования при обеспечении улучшения химмотологических свойств РМ и повышения доходности сельскохо зяйственного предприятия в целом, обосновать возможный уровень его энергоавто номности по ДТ.

2. Теоретически исследовать влияние физико-химических свойств БДТ из РМ на параметры топливоподачи дизелей, обосновать конструкционные параметры ком плектов оснастки для адаптации дизельной автотракторной техники к работе на СТРМ и РМ, разработать техническую документацию, изготовить опытные образцы комплектов и провести их испытания.

3. Провести экспериментальные исследования энергетических, топливно-эконо мических и экологических показателей автотракторных дизелей при работе на РМ и на его смесях с ДТ.

4. Разработать технологии переоборудования сельскохозяйственных тракторов на КПГ и СПГ с учетом обеспечения оптимальных конструкционных параметров и ре жимов работы по критериям эффективности, ресурсосбережения и максимального удовлетворения агротехнических требований к тракторам.

5. Провести исследования энергетических, топливно-экономических и экологи ческих показателей газодизельных и газоискровых двигателей, работающих на при родном газе. Разработать конструкторскую документацию, изготовить опытные об разцы газодизельных сельскохозяйственных тракторов, обеспечить авторское сопровождение приемочных испытаний опытных образцов.

6. Определить эксплуатационно-технологические показатели МТА при работе на АТ и провести оценку коммерческой эффективности переоборудования на ГМТ от дельных образцов машин, а также парка автотракторной техники в масштабах сель скохозяйственного предприятия и региона.

Во второй главе «Технологии производства биотоплива из рапса и возмож ный уровень энергоавтономности сельскохозяйственного предприятия» пред ставлены результаты исследований и разработок по технологиям внутрихозяй ственного производства биотоплива из РМ. Определен возможный уровень энергоавтономности сельскохозяйственного предприятия по ДТ.

В результате выполненного автором анализа технологий производства БДТ из рапса, объемов производства МЭРМ (RME) установлено следующее:

- за рубежом имеется большое число фирм, которые выпускают комплектные за воды по отжиму масла и переработке его в БДТ в виде метилэфиров различных рас тительных масел;

- при производстве метилэфиров в основном используются рапсовое, соевое, пальмовое масла, в Индии ведутся интенсивные работы по организации производ ства метилэфира из масла ятрофы с хорошими химмотологическими свойствами;

- при производстве МЭРМ используются циклические и непрерывные техноло гии трансэстерификации в целях удешевления производства, улучшения качества вы ходной продукции, исключения загрязнения окружающей среды, ведутся разра ботки новых технологий.

В диссертации представлены технологии внутрихозяйственного производства БДТ из РМ, а также первоочередной и полный комплекты оборудования для ком плексной переработки рапса.

К первоочередному комплекту относятся: расходный бункер маслосемян, пресса холодного отжима РМ, смеситель масла с кизельгуром, фильтр-пресс для очистки масла.

Полный комплект может комплектоваться после пуска в эксплуатацию перво очередного, в том числе за счет экономии затрат на моторное топливо. Дополни тельно к первоочередному комплекту полный комплект должен включать:

- установку для эстерификации РМ в метилэфир (МЭРМ);

- установку для приготовления полнорационных кормов;

- установку брикетирования жмыха и соломы для изготовления пеллет;

- газогенераторную когенерационную установку, работающую на пеллетах из со ломы или жмыхе для выработки электрической и тепловой энергии.

Разработана технология внутрихозяйственного «холодного» отжима РМ, пред назначенного для использования в качестве топлива, которая отличается использо ванием прессов малой производительности фирмы «Керн-Крафт» (Германия) и ЗАО «Белогорье», обеспечивающих более низкую температуру (60°С) РМ. Технология реализована в пилотном энергоавтономном предприятии ООО «Жито» (Рязанская обл.). При этом подтверждена возможность использования чистого РМ в качестве топлива на тракторах и автомобилях КамАЗ.

Уровень энергоавтономности сельскохозяйственного предприятия по ДТ при ис пользовании чистого РМ и исключении вредных для двигателя режимов работы на РМ определялся с использованием коэффициента весомости (взвешенности) WF, ко торый применяется при измерении токсичности отработавших газов по процедуре ESC, предписанной правилами ЕЭК ООН № 49 и ГОСТ Р 41.96-2005.

Цикл испытаний, содержащий параметры нагрузочного и скоростного режимов, а также коэффициент WF характеризуют работу дизельного двигателя в процессе экс плуатации автомобиля по правилам ЕЭК ООН № 49 и трактора по ГОСТ Р 41.96 2005. Коэффициент энергоавтономности Э является безразмерной величиной Э = Gfuel ср рм / Gfuel ср, (1) где Gfuel ср рм – средний расход РМ, кг/ч;

Gfuel ср – средний условный расход топлива на смешанных режимах работы на РМ и ДТ, кг/ч.

Расчет проводится исходя из общего годового расхода топлива с учетом коэф фициента месячного использования РМ kс, равного отношению общего количества используемого топлива в месяц к общему количеству использованного топлива за год:

kс = Gс / G, (2) где Gс – количество израсходованного топлива за месяц;

G – количество израс ходованного топлива за год.

Соответственно, энергоавтономность предприятия А составит:

A = G kс Э / G. (3) При использовании чистого РМ в качестве топлива энергоавтономность за 2008 г.

по ДТ в ООО «Жито» составила 54%. Этот показатель можно увеличить до 70% за счет применения в холодное время года, 25% добавки РМ в ДТ.

Полную энергоавтономность сельскохозяйственного предприятия можно обес печить при использовании биометана из отходов животноводства в качестве топлива в тракторах и автомобилях, РМ и твердого биотоплива в стационарных энергоуста новках.

В третьей главе «Технологии и т ехнические решения по адаптации авт о тракторных дизелей для работы на Б ДТ из РМ» теоретически обоснована воз можность использования в качестве топлива чистого РМ и его смесей с ДТ.

Для работы на Р М проведены расчеты следующих элементов топливной си стемы тракторов МТЗ-82 с дизелем Д-243 и ДТ-75 с дизелем Д-440:

– участка низкого давления от бака до топливоподкачивающего насоса;

– участка низкого давления от топливоподкачивающего насоса до топливного на соса высокого давления (ТНВД);

– участка высокого давления от ТНВД до форсунок.

Для первого участка определены параметры топливопровода и штуцера топли возаборника, которые обеспечивают прокачиваемость РМ при имеющейся величине разрежения у топливоподкачивающего насоса Нн Нтр. В результате выполненных расчетов определены необходимый диаметр трубопровода и его допустимая длина (для дизеля Д-440, соответственно, 14 мм и 1,6 м).

Для сохранения работоспособности второго участка линии низкого давления необходимо понизить вязкость биотоплива до уровня вязкости ДТ при подогреве РМ в теплообменнике с использованием тепла системы охлаждения двигателя.

На третьем участке задачей гидродинамического расчета процесса впрыска яв ляется определение количества топлива, поданного в цилиндр двигателя за цикл, и изменения скорости впрыскивания топлива. Движение топлива в трубопроводе опи сывается системой дифференциальных уравнений движения неустановившегося одномерного потока вязкой сжимаемой жидкости:

dP/dx+dс/dt+2kс =0;

} (4) dс/dx+(dP/dt)/c2=0, где x – текущая координата длины топливопровода, м;

– плотность топлива, кг/м3;

с – скорость топлива, м/с;

t – время, с;

k – фактор гидравлического сопротив ления, 1/с.

Расчет проводился по методике, разработанной профессором Л.Н.Голубковым.

Гидродинамический расчет производится при совместном решении уравнений не установившегося движения топлива в трубопроводе и уравнений граничных усло вий.

Получена система уравнений граничных условий на выходе из насоса в виде (5) на входе в форсунку в виде (6) где Р – давление, МПа;

– угол поворота кулачкового вала насоса, град;

f – пло щадь поперечного сечения, мм2;

с – скорость движения, м/с;

– ступенчатые функ ции;

f – эффективное проходное сечение, мм2;

Z – расход топлива через зазоры, г/с;

n – частота вращения кулачкового вала насоса, мин-1;

– средний коэффициент сжи маемости топлива;

V – объем, мм3;

М – масса движущихся деталей, г;

hK – полный подъем нагнетательного клапана, мм;

– жесткость пружины;

Pц – давление газа в цилиндре двигателя, МПа;

у – подъем иглы форсунки, мм.

Для гидродинамического расчета процесса впрыска необходимо определение зависимости эффективного проходного сечения распылителя от подъема иглы f = F(y), которая определялась на стенде постоянного напора по количеству топлива, прошедшего через распылитель за 30 с.

Сравнение полученных зависимостей впрыскивания для ДТ и РМ (рис. 1) сви детельствует об отсутствии в характеристиках топливоподачи РМ факторов, пре пятствующих его использованию в топливной системе дизелей Д-243 и Д-440. На ос новании результатов теоретических исследований разработана конструктор ская документация, изготовлены об разцы, проведены испытания комплек тов адаптации топливных систем тракторов к работе на РМ и СТРМ. В адаптированных топливных системах (рис. 2) реализованы следующие кон структивные изменения:

1 – дополнительный бак для ДТ ;

3 – Рисунок 1 – Р асчетное давление (----) -ДТ и подогреватель;

4 - основной бак для РМ;

(——) -РМ над штуцером ТНВД (Рш) и в фор- 5 - по двод охлаждающей жидкости из системы о хлаждения двигате ля;

6 – сунке (Рф) фильтр гр убой о чистки;

7 – топлив о подкачивающий насос;

8 – ТНВД;

9 – форсунка;

10 – рас-пылитель;

11 – головка блока цилиндров;

12 – воздушный фильтр;

13 – филь тр тонкой очистки;

14 – топлив о провод;

15 – датчик температуры;

16 – электромагнитный клапан переключения вида топлива;

17 – электрический топливоподкачивающий насос;

18 – датчик по ложения рейки ТНВД;

19 – датчик температуры топлива;

20 – управляющий блок;

21 – тройник;

22 – электромагнитный клапан слива;

23 – датчик давления топлива;

24 – сливная трубка.

- штатные распылители форсунок заменены на распылители с увеличенным (на 25–30%) суммарным проходным сечением;

- у топливозаборника бака для РМ увеличены проходные сечения штуцеров и диа метры трубопроводов от топливного бака для РМ до подогревателя (до 10 мм у Д- и 14 мм у Д-440);

- установлен теплообменник 3 для по догрева РМ с подводом теплоносителя из системы охлаждения двигателя, элек тромагнитные клапаны 16, 22, электри ческий топливоподкачивающий насос, датчик температуры охлаждающей жид кости 15, датчик положения рейки ТНВД 18, управляющий блок 20.

Данная конструкция адаптации си стемы питания обеспечивает работу ди зеля на чистом РМ с автоматическим пе реключением на ДТ при низкой температуре охлаждающей жидкости и работе дизеля с нагрузкой менее 20%, что позволяет избежать неполного сго Рисунок 2 – Адаптированная для работы на рания РМ вследствие более высокой тем РМ топливная система трактора МТЗ-82 с пературы самовоспламенения у РМ (на автоматизированным переключением видов 50°С) по сравнению с ДТ.

В четвертой главе «Технологии пе топлив реоборудования авт отракторных ди зелей для работы на компримированном и сжиженном природном газе» приве дены результаты разработок технологий и технических средств переоборудования двигателей сельскохозяйственных тракторов в газодизельные и газоискровые мо дификации. Под руководством и при непосредственном участии автора разработаны следующие технологии:

- технология и техническая документация переоборудования тракторов К-701, Т-150К, МТЗ-82, ДТ-75, ЮМЗ-6, ЛТЗ-55 для работы на КПГ по газодизельному ре жиму;

- технология переоборудования тракторов К-701 и МТЗ-80/82 для работы на сжиженном (криогенном) природном газе (СПГ);

- технология конвертации в газоискровые двигатели дизелей трактора МТЗ-82, ав томобилей ЗИЛ-5301, КамАЗ-740.10, КамАЗ-740.15-260.

Газодизельные тракторы прошли приемочные испытания в Центральной, Ку банской и Поволжской МИС (табл. 2). Опытные образцы газодизельных тракторов работают в Ставропольском крае, Саратовской, Нижегородской и других областях (рис. 3 и 4).

В современных условиях аграрного производства с высокими темпами роста цен на энергоносители при разработке технологий и технических средств конвертации автотракторной техники для работы на ПГ необходимо руководствоваться мето дами оптимизации конструкционных параметров и режимов работы технических средств по критериям эффективности и ресурсосбережения.

Исходя из этого, при разработке технологий переоборудования тракторов для ра ТАБЛИЦА 2 – ПРОТОКОЛЫ И АКТЫ ПРИЕМОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ ГАЗОДИЗЕЛЬНЫХ ТРАКТОРОВ Место приемочных Протокол приемочных Марка трактора, двигателя испытаний испытаний 1. К-701 ЦМИС, РосНИИТиМ № 13-34-96, № 07-87- 2. К-700А КубНИИТиМ № 07-60- 3. МТЗ-82 ЦМИС № 13-33- 4. ДТ-75 РосНИИТиМ № 07-101- 5. ЮМЗ-6 ЦМИС и НАТИ № 13-31- 6. Т-150К № 13-40- ЦМИС 7. ЛТЗ-55 № 13-28- 8. Трактор МТЗ-82 с бортовой ГНУ ВИМ, Акт приемочных испытаний системой питания СПГ ООО «ВНИИГАЗ» от 15.01.04, г. Москва Поволжская МИС, 9. Бортовая система питания трак- Протокол № 08-96-2007, ГНУ ВИМ, тора К-701, работающего на СПГ г. Кинель ООО «ВНИИГАЗ»

10. Трактор МТЗ-80Л, работающий Северо-Кавказская Отчет № 11-24-94, г. Зерно на биотопливе МИС град 11. Полевой газозаправщик на базе Кубанская МИС Отчет № 07-15- автомобиля ЗИЛ- 12. Газовые двигатели с микропро Акты приемочных испытаний цессорной системой управления ООО «ВНИИГАЗ»

от 24. 02.04 г и от 15. 01.05, на базе дизелей КамАЗ-740.10 и ГНУ ВИМ г. Москва 740.13- 13. Газоискровой двигатель на базе ГНУ ВИМ, Акт приемочных испытаний дизеля ММЗ-243 для ЗИЛ-5301 и ООО «ВНИИГАЗ» от 30.07.04, г. Москва МТЗ- Рисунок 3 – Газодизельные тракторы К-701 и Т-150К Рисунок 4 – Газодизельные тракторы МТЗ-82 и ДТ-75 на пахоте боты на ГМТ необходимо обеспечить:

- снижение затрат на топливо при выполнении комплекса работ;

- сохранение или улучшение нормируемых энергетических и экологических по казателей;

- необходимую длительность работы на одной заправке газом;

- агрегатируемость трактора с основным комплексом сельхозмашин;

- требования стандартов по безопасности труда и нормам воздействия движите лей на почву;

- удобство проведения технического обслуживания;

- распределение массы тракторов по осям без ухудшения тягово-динамических показателей трактора и навесоспособности сельхозмашин;

- сохранение габаритов трактора в пределах нормируемых показателей;

- сохранение возможности использования аварийных мобилизационных люков и открывания окон кабины;

- возможность использования вала отбора мощности трактора для привода ак тивных рабочих органов мобильных и стационарных сельхозмашин.

Кроме того, у двигателя, работающего на КПГ, необходимо сохранение всере жимного регулирования частоты вращения двигателя.

Для работы на КПГ на заднюю полураму тракторов «Кировец» и Т-150К уста навливается, соответственно, 18 и 10 стальных газовых баллонов в виде двух кассет с просветом по центру для обеспечения обзорности сзади (рис. 3). У трактора МТЗ 82 (рис. 4) на крыше кабины монтируется 4 металлопластиковых баллона. За счет установки газобаллонной аппаратуры увеличение эксплуатационной массы тракто ров составляет 7–9 % при установке стальных баллонов из легированной стали и 4,6– 6,2% при металлопластиковых баллонах.

По результатам приемочных испытаний газобаллонного трактора К-701 в Рос НИИТиМ, дано заключение, что «элементы конструкции газодизельной установки не затрудняют доступ в кабину и к местам обслуживания трактора, расположение кас сет с баллонами по бокам с просветом обеспечивает нормальное функционирование вала отбора мощности и позволяет осуществлять их ремонт и техническое обслу живание».

Оценка требований стандартов по нормам воздействия на почву проводилась для трактора Т-150К с 10 баллонами. Установлено, что увеличение общей массы на 795 кг не привело к существенному росту плотности почвы: увеличение твердости составило 7,8%, сопротивления вспашке – 2,4%, снижение коэффициента крошения пласта – 3,9%. Данные негативные эффекты устраняются при комплектации трактора шинами большего размера (66 х 43,00 R25).

С целью создания газодизельных мобильных и стационарных энергетических средств обеспечивающих энергетические, топливно-экономические и экологиче ские показатели на необходимом техническом уровне разработаны и проведены ис следования бортовых газотопливных систем для КПГ с ме ханическим и э лек тронным всережимным регулированием подачи газа. Всережимное регулирование подачи газа у механической системы обеспечивается дозатором газа с приводом от штатного регулятора ТНВД. У газодизельной топливной аппаратуры с микропро цессорной системой управления количество газа регулируется газовым дозатором, который управляется системой электронного регулирования СЭРГ-500.

По газовому топливу газодизель имеет внешнее смесеобразование и возможность получения гомогенной смеси во всасывающем тракте. Это позволяет работать на бо лее низких, по сравнению с дизелем, коэффициентах избытка воздуха и обеспечи вает возможность получения у газодизеля мощности на 20–30% больше базового ди зеля. Перефорсировка газодизеля по мощности приводит к увеличению теплонапряженности, возможности подплавления поршней и выходу из строя дру гих деталей. Поэтому при переоборудовании дизелей в газодизели целесообразно применять блокировочные системы по расходу топлива. Использование электронных систем регулирования позволяет реализовать ограничения как по отдельным пара метрам (температура отработавших газов, давление наддува и расход газа), так и по их комплексу. Наиболее простым управляющим параметром является температура отработавших газов. Особенно чувствительны к перефорсировке газодизели с над дувом ввиду более высокой теплонапряженности базового дизеля.

Механическая система управления подачей газа при работе по внешней регуля торной характеристике (рис. 5) обеспечивает одинаковую максимальную мощность в газодизельном (203 кВт) и дизельном (202 кВт) режимах.

Величина запальной дозы ДТ газодизеля зд, выраженная в процентах, опреде ляется отношением расходов ДТ в газодизельном (Gтз) и дизельном (Gт.дн) режимах зд =100 Gтз / Gтдн. (7) В целях увеличения замещения ДТ газовым и уменьшения затрат на топливо ве личину запальной дозы целесообразно снижать. Ее снижение ограничивается воз можностью обеспечения качественного смесеобразования при уменьшении частоты вращения и возрастания утечек в зазорах плунжерных пар. Это приводит к необхо димости у отечественных автотракторных дизелей устанавливать зд не менее 20–25%.

Величина запальной дозы (Gтз) по внешней регуляторной характеристике газо дизеля ЯМЗ-240Б (рис. 5) остается одинаковой – 12,3 кг/ч (23%) – в широком диа пазоне нагрузок на регуляторной ветви характеристики. На режиме максимальной частоты холостого хода 2090 мин-1 Gтз снижается до 9,75 кг/ч, что меньше расхода топлива в дизельном режиме 14,8 кг/ч при частоте 2060 мин-1.

Исходя из разницы в расходах ДТ в газодизельном и дизельном цикле на данном режиме необходимо подать газа 4,4 кг/ч с учетом разницы в теплоте сгорания газа и ДТ. Механическая система подает газа 11 кг/ч. По мере увеличения мощности избыточная подача газа уменьшается и суммарный расход газового и дизельного топлив у газодизеля (Gт.экв) приближается к расходу топлива в дизельном режиме (Gт), и при мощности 180 кВт Gт.экв и Gт становятся одинаковыми.

У газодизеля с механической систе мой регулирования запас крутящего мо мента µ (9,7%) ниже, чем у дизеля Рисунок 5 – Внешняя регуляторная характе- (22,9%). Обеспечить оптимальное регу ристика газ одизеля ЯМЗ-240Б с ме ханиче- лирование подачи газа во всем диапазоне ской системой управления газоподачей нагрузок с механическим приводом до затора и эжекторной подачей газа путем оптимизации размеров газовоздушного смесителя и профиля штока дозатора весьма проблематично. Оптимальная подачи газа на регуляторной и корректорной ветви ха рактеристики в полной мере обеспечивается при электронной системе управления подачей газа СЭРГ-500 (рис. 6).

Электронная система регулирования четко формирует регуляторную характери стику газодизеля, идентичную дизельной характеристике. Протекание зависимости крутящего момента у газодизеля и дизеля идентично. Частота вращения на регуля торной ветви у газодизеля от максимальной мощности до холостого хода остается близкой к постоянной величине до выключения подачи газа на режиме холостого хода.

Разработаны т ехнологии и к онструкторская доку ментация к онвертации дизелей Д-243, КамА З-740.10, 740. 13-260, Д-2156 и Д-10 в монот опливные га зоискровые двигат ели, обеспечивающие более высокие по сравнению с газоди зельным вариантом показатели эффективности, ресурсосбережения и экологической безопасности за счет полного замещения ДТ более дешевым и экологичным газо вым. В сельском хозяйстве наибольший экологический эффект может быть полу чен при конвертации дизелей тракторов МТЗ, работающих в закрытых помеще ниях, в том числе на фермах.

При конвертации находящихся в экс плуатации дизелей в газоискровые дви гатели применяется два способа подачи газа: центральная инжекторная, или эжекторная, подача газа во всасывающий Рисунок 6 – Р егуляторная х арактеристика тракт и распределенная по цилиндрам газодизеля ЯМЗ-240Б с э лектронной систе- инжекторная подача газа перед впуск мой регулрования газоподачи ным клапаном.

Технология конвертации дизеля в га зовый двигатель включает:

- расточку камеры сгорания в поршне для снижения степени сжатия до 12 с уче том результатов исследований по влиянию геометрии камеры сгорания на энерге тические, экономические и экологические показатели газового двигателя;

- доработку впускных коллекторов для установки дроссельных узлов и электро магнитных клапанов распределенной подачи газа;

- установку свеч и узлов системы зажигания, датчиков частоты вращения, отметки ВМТ, фазы зажигания, дроссельного узла на впускном тракте, доработку газового коллектора.

В результате стендовых исследований конвертированного газового двигателя КамАЗ-740.13 установлено: газовый двигатель на номинальном режиме имеет оди наковую с базовым дизелем мощность (240 л.с.);

максимальное значение эффек тивного КПД равно 36%, а в режиме номинальной мощности 33%;

удельный расход топлива изменяется от 205 г/кВт-ч на режиме максимального крутящего момента до 220 г/кВт-ч при номинальной мощности;

максимальная температура отработавших газов за турбинами не превышает 580°С на номинальном режиме и 545°С при мак симальном крутящем моменте.

Разработана т ехнология к онвертации дизе ля Д-243 в газ оискровой двига тель, которая реализована в опытных образцах тракторов МТЗ-82, работающих в ООО «ВНИИГАЗ», и автомобилях ЗИЛ-5301 («Бычок») в 41 автокомбинате г.

Москвы. С целью снижения затрат на переоборудование и обеспечения надежности работы при конвертации максимально использовались серийные узлы. Результаты стендовых испытаний газоискрового двигателя показали возможность получения его номинальной мощности (58,8 кВт), равной мощности дизеля (58,2 кВт). Запас кру тящего момента у газоискрового двигателя (19%) превосходит норматив для трак торного двигателя (15%).

Для эффективной работы трехкомпонентного нейтрализатора и выполнения норм Евро-2 необходимо поддерживать на входе в нейтрализатор содержание СО в ин тервале 0,65–0,75%, что обеспечивается при работе на стехиометрической смеси с коэффициентом избытка воздуха = 0,9-1,02. Обеспечить содержание СО в данном диапазоне возможно при использовании «широкополосного» датчика кислорода.

Учитывая высокую цену такого датчика, для корректировки расхода топлива и под держания в необходимых пределах использован доработанный пневматический до затор газа, который предназначен для увеличения подачи газа при открытии дрос сельной заслонки. При работе с нейтрализатором концентрации СО и СН меньше норм Евро-2, а концентрация NOx удовлетворяет нормативу Евро-2. При работе без нейтрализатора выбросы СО и NMHC также соответствуют требованиям норм Евро-2, но содержание NOx (19,7 г/кВт·ч) выше нормы Евро-0 (15,0 г/кВт·ч) и удов летворяет только требованиям ГОСТ 17.2.02.06-99.

Разработаны технологии и технические средства, изготовлены опытные об разцы газ одизельных трак торов К-701 и МТЗ-82 с криогенными б ортовыми топливными системами для СПГ, позволившие определить возможности устра нения главных недостатков переоборудования тракторов на КПГ – недостаточная ве личина одноразовой заправки газом и увеличение эксплуатационной массы трактора за счет установки газовых баллонов. На тракторе МТЗ-82 устанавливается для СПГ бак БКТ-100 объемом 100 л с вакуумной теплоизоляцией, на тракторе К-701 – два или один бак БКТ-300 в зависимости от необходимой длительности работы на од ной заправке.

С исчезновением вторичного рынка дешевых стальных баллонов и переходом на дорогие стальные и металлопластиковые баллоны стоимость комплектов для пере оборудования на КПГ и СПГ практически сравнялась.

Применение СПГ по сравнению с КПГ обеспечивает:

- при одинаковой величине одноразовой заправки габаритный объем баков СПГ в 2,8–3,5 раза меньше габаритного объема секций газовых баллонов для КПГ;

- при одинаковой величине одноразовой заправки газом масса баллонов КПГ в (при металлопластиковых баллонах) и в 5 раз (при стальных легированных балло нах) больше массы баков СПГ.

Для газификации СПГ (перевода СПГ из жидкой фазы с температурой кипения минус 162°С в газ) в бортовом теплообменнике в качестве теплоносителя исполь зуется охлаждающая жидкость системы охлаждения дизеля. Отмеченные преиму щества криогенной бортовой топливной системы подтверждены результатами ис пытаний образцов тракторов К-701 и МТЗ-82, работающих на СПГ. Трактор К-701, работающий на СПГ, успешно прошел приемочные испытания в Поволжской МИС (Протокол № 08-96-2007).

В пятой главе «Экспериментальные исследования энергетических, топливно экономических и экологических показателей автотракторных дизелей при ра боте на РМ и СТРМ» приведены результаты стендовых испытаний дизелей Д- и Д-440 с определением параметров рабочего процесса, энергетических, топливно экономических и экологических показателей, значений коксования отверстий рас пылителей форсунок, нагаро- и лакоотложений на деталях цилиндро-поршневой группы при работе на РМ и СТРМ.

Наличие в РМ связанного кислорода (8,9%) приводит к снижению теоретически необходимого количества воздуха для сгорания 1 кг РМ до lo=13,0 кг против 14,45 кг у ДТ. При одинаковых коэффициентах наполнения двигателя снижение lo у РМ поз воляет компенсировать потерю мощности из-за меньшей удельной теплоты сгорания РМ за счет увеличения цикловых подач. При увеличенной плотности и вязкости РМ снижаются утечки топлива в зазорах плунжерных пар и возрастает цикловая подача топлива.

Исследования показали незначительные изменения основных параметров ра бочего процесса дизелей Д-243 и Д-440 при работе на СТРМ по сравнению с рабо той на ДТ (рис. 7). При работе на СТРМ по сравнению с работой на ДТ на режимах номинальной мощности и максимального момента среднее индикаторное давление pi уменьшается на 0,03–0,04 МПа (3,4 –4,6%), максимальное давление в цилиндре (PZ) на 0,12–0,26 МПа (1,5–3,3%), максимальная скорость нарастания давления в ци линдре (dp/d)MAX уменьшилась на 0,11–0,15 МПа/град. п.к.в. (13–15%), макси мальная температура газов в цилиндре TZ снизилась на 42–53°С (2–2,5%), тем пература отработавших газов уменьши лась на 20–40°С (4–8%).

Такие изменения рабочего процесса при работе на СТРМ обусловлены влия нием меньшей, чем у ДТ, низшей удель ной теплоты сгорания и увеличенной вяз костью. При работе на СТРМ необходимо отметить более раннее на чало процесса сгорания и более позднее его окончание, характеризуемое смеще нием максимумов PZ, TZ и (dp/d)MAX на Рисунок 7 – Индик аторные диаграммы ди- 2–3° в сторону начала сгорания, переме зеля Д-243 при раб оте на СТР М при но ми- щение точки выгорания 90% топлива на нальной мощности 4–5° в сторону окончания сгорания. Это связано с увеличением действительного угла опережения впрыска на 1–2°, вызван ного меньшим коэффициентом сжимаемости СТРМ при сохранении общей про должительности впрыска, уменьшением угла задержки воспламенения на 1–2° (0,13– 0,16 mc), обусловленное меньшим на 4–5 ед. цетановым числом у РМ.

При работе дизеля Д-243 на СТРМ с 75% РМ и 25% ДТ по сравнению с 100% РМ на режиме номинальной мощности среднее индикаторное давление увеличивается на 1,2%, максимальное давление и температура в цилиндре уменьшаются на 3 и 0,5% соответственно. При работе на СТРМ с 75% РМ на режиме максимального крутящего момента относительно СТРМ с 50% РМ pi увеличивается на 2,5%, PZ и TZ возрастают, соответственно, на 3 и 2,5%, (dp/d)MAX снижается на 2%, индикаторный КПД на ходится на уровне работы на ДТ. Полученные результаты по параметрам рабочего процесса свидетельствуют об оптимальном составе СТРМ при 75% РМ и 25% ДТ.

Результаты определения энергетических и т опливно-экономических пока зателей при работе дизелей Д-243 и Д-440 на РМ и СТРМ с различными эффек тивными проходными сечениями отверстий распылителей F, с подключенным и от ключенным подогревателем топлива свидетельствуют о следующем:

1. При работе на СТРМ с 75% РМ и 25% ДТ у дизеля Д-243 с пятидырчатыми рас пылителями по сравнению с четырехдырчатыми распылителями обеспечивается повышение мощности на 7%, максимального крутящего момента на 2%, часового расхода топлива на 3%, снижение удельного расхода топлива на 4% при одновре менном росте эффективного КПД на 4 %.

2. Увеличение установочного угла опережения впрыска топлива оп.впр на 2° по отношению к штатному (24°) приводит к увеличению эффективной мощности на 4%, максимального момента на 6% и снижению удельного расхода топлива на 4% при со хранении одинакового часового расхода топлива. При дальнейшем увеличении оп.впр до 28° происходит снижение мощности и топливной экономичности. Умень шение оп.впр на 2° (до 22°) при сохранении продолжительности впрыска приводит к уменьшению эффективной мощности на 3%, крутящего момента на 2%, часовой и удельный расходы топлива при этом увеличивается на 2 и 5% соответственно.

3. При работе дизеля Д-243 на СТРМ с 75% РМ и 25% ДТ без подогрева топлива в сравнении с работой при подогреве увеличивается часовой и удельный расходы топ лива на 9% и повышается температура отработавших газов, что связано с увеличе нием величины цикловой подачи топлива при одновременном ухудшении парамет ров топливоподачи, смесеобразования и сгорания из-за увеличенной вязкости топлива.

4. При работе дизеля Д-243 с пятидырчатыми распылителями, подогревом топ лива и оптимальным оп.впр на номинальном режиме обеспечивается одинаковая мощность при использовании СТРМ с 75% РМ и ДТ (рис. 8). При этом часовой рас ход СТРМ выше ДТ, что объясняется увеличенной на 3,5% плотностью,снижением утечек в зазорах плунжерных пар за счет повышенной вязкости.

5. Удельный массовый расход топлива (г/кВт-ч) возрастает при работе дизеля Д-243 на СТРМ пропорционально сни жению его удельной теплоты сгорания (9%). Значения удельного расхода топ лива, выраженные в единицах подведен ной с топливом энергии (МДж/кВт-ч), для СТРМ и ДТ при загрузке дизеля по мощности более 40% имеют близкие значения, что подтверждается нижними кривыми ge1 (рис. 8).

6. Корректорный запас крутящего мо мента (см. рис. 8) при работе на СТРМ больше (17,6%), чем при работе на ДТ (14,7%).

7. Приведенные на рис. 9 зависимости Рисунок 8 – Внешние регуляторные характе- эффективного КПД при работе на СТРМ ристики дизеля Д-240: () ДТ;

(—-) СТРМ и ДТ также свидетельствуют об отсут (75% РМ+25% ДТ) ствии существенного ухудшения ра бочего процесса дизеля Д-243 при ра боте на СТРМ.

8. На частичных скоростных режи мах (рис. 10) мощность дизеля Д-243 на СТРМ больше на 5,2% при n = 0,85nmax и на 4,5% при n = 0,7nmax.чем на ДТ.

9. При испытаниях дизеля Д-440 по лучены близкие значения номинальной мощности (рис. 11) на ДТ (66,9 кВт) и чи стом РМ (66,0). Соответственно значе ниям удельной теплоты сгорания топлив Рис. 9. Эффективный КПД дизеля Д-240: () удельный расход топлива у дизеля Д- ДТ и ( ) СТРМ на номинальном режиме при работе на чистом РМ (292 г/кВт-ч) выше (на 10%), чем при ДТ (264,2 г/кВт-ч).

10. Приведенные на рис. 12 экологические показатели дизеля Д-240 подтвер ждают снижение токсичных выбросов при работе на СТРМ. Окись углерода СО и вы Рисунок 10 – Частичные регуляторные характеристики дизеля Д-240:

N = 0,85 nmax (а) и 0,75 nmax (б);

(—-) - 75% РМ+25% ДТ;

() – ДТ Рисунок 11 – Внешняя регу ляторная х арак теристика дизеля Д-440 при раб оте на чи- Рисунок 12 – Эк ологические показатели ди стом РМ (—-) и ДТ () зеля Д-240: (оо) -СТРМ с 50 % РМ;

(хх) СТРМ с 75 % РМ;

() - ДТ бросы углеводородов СН при работе на СТРМ с содержанием РМ 50% на всех ре жимах по нагрузке снижаются примерно в 2 раза, твердые частицы на режиме мак симальной нагрузки меньше в 2 раза и снижаются до 0 при уменьшении нагрузки.

11. При работе на СТРМ не происходит коксования отверстий распылителей фор сунок. У дизеля Д-243 при работе на ДТ коксование отверстий распылите-лей со ставляет 0,6–1,7%. На СТРМ при всех вариантах испытаний, наоборот, отмечено не которое увеличение эффективного проходного сечения F на 0,75–3,2%.

12. Оценка нагарообразования, загрязненности деталей и масляного фильтра после работы дизеля Д-440 на чистом РМ показала отсутствие нагара на огневой ча сти камеры сгорания головки цилиндров и поршня, тарелках клапанов.

Поршневые кольца свободно перемещаются в канавках. Отмечено отложе-ние рыхлого нагара на верхней части головки поршня от днища до первого поршневого кольца. Согласно ГОСТ 21490-76, подвижность поршневых колец, суммарная за грязненность поршня нагаро- и лакоотложениями оценена в 18 баллов.

13. Полученные при исследованиях данные по мощности и топливной эконо мичности дизеля Д-243 при работе на РМ и СТРМ подтверждены результатами ис пытаний трактора МТЗ-80Л в Северо-Кавказской МИС (табл. 3), где также без из менения регулировок топливной аппаратуры получена одинаковая максимальная мощность при работе на ДТ (57,5 кВт) и СТРМ (57,9 кВт).

В шестой главе «Эксплуатационно-технологическая оценка МТА с двигате лями, работающими на АТ» представлены (табл. 4–5) эксплуатационно-техноло гические показатели МТА, полученные при приемочных испытаниях тракторов Т 150К (ЦМИС) и К-701 (РосНИИТиМ) с микропроцессорной системой управления.

При работе в поле с различными сельхозмашинами производительность МТА за час основного и технологического времени в дизельном и газодизельном режимах прак тически одинакова. Для газодизельного режима трактора К-701 приведено суммар ное значение расходов газа и ДТ.

Незначительное повышение производительности в дизельном режиме у К- связано с повышенной рабочей скоростью (на 3%) за счет увеличенной частоты вра щения и степени неравномерности регулятора в дизельном режиме (см. рис. 5 и 6).

Из данных табл. 4 видно, что с ростом коэффициента загрузки (КЗ) снижаются за траты на топливо и растет коэффициент замещения ДТ газом. Увеличение Кз на 1% приводит к снижению затрат на топливо на 2,3%.

Эксплуатационная проверка работы тракторов МТЗ-82 и автомобиля КамАЗ на чистом РМ проведена в ООО «Жито» (Рязанская обл.). В ходе эксплуатацион ных испытаний контролировали физико-химические показатели топлив (РМ и ДТ), коксование сопловых отверстий распылителей форсунок. За время испытаний не исправностей, связанных с работой на РМ, не отмечено.

В седьмой главе «Коммерческая эффективность производства и испо льзо ТАБЛИЦА 3 - РЕЗУЛЬТАТЫ ТОРМОЗНЫХ ИСПЫТАНИЙ ТРАКТОРА МТЗ- Внешние регуляторные Частичные регуляторные характеристики характеристики Основные Виды топлива Виды топлива показатели СТРМ ДТ ДТ СТРМ 75% РМ 75% РМ Моточас 517 520 517 518 519 520 521 При холостом ходе n, мин-1 2428 2389 2428 2073 1700 2389 2662 GТ, кг/ч 4,5 5,1 4,5 3,4 2,5 5,1 4,5 3, При максимальной мощности N, кВт 57,5 57,9 57,5 54,1 44,5 57,9 52,2 44, n, мин-1 2178 2174 2178 1781 1426 2174 1734 Mк, Н.м 252,2 254,2 252,2 290,2 298,3 254,2 287,4 305, Gт, кг/ч 14,5 15,5 14,5 13,9 11,9 15,5 14,1 12, ge, г/кВт.ч 252 268 252 257 267 268 270 При максимальном крутящем моменте Mкmax, Н.м 298,4 294,3 298,4 300,4 299,3 294,3 298,4 306, n, мин-1 1387 1349 1387 1372 1399 1349 1445 ge, г/кВт.ч 278 296 278 275 269 296 290, % 10,9 9,4 10,9 15,2 17,5 9,4 17,3 19, µ, % 18,3 15,8 18,3 3,4 0,3 15,8 3,8 0, ge,оц, г/кВт.ч 261 281 261 250 243 281 275 вания А Т» определены технико-экономические показатели производства РМ и МЭРМ в зависимости от цены маслосемян, а также переоборудования автотрактор ной техники для работы на ПГ.

При внутрихозяйственном производстве РМ холодного отжима на оборудо вании с годовой производительностью по маслу 320 т средняя себестоимость РМ и жмыха в диапазоне цен маслосемян 5–10 руб./кг изменяется от 7,56 до 12,56 руб./кг (рис. 13). При цене маслосемян 5 руб./кг и реализации жмыха на сторону по цене 8 руб./кг перераспределенная себестоимость РМ снижается до 6,71 руб./кг, при этом годовой чистый дисконтированный доход (ЧДД) достигает 3,7 млн руб., срок оку паемости капвложений на приобретение оборудования (с учетом дисконта) менее 1 года. При использовании жмыха на собственные нужды цена РМ (7,56 руб./кг) в 3 раза меньше существующей цены ДТ.

При использовании оборудования с годовой производительностью РМ 5 тыс. т, маслосемян по цене 5 руб./кг, продаже жмыха на сторону цена РМ равна 1,35 руб./кг ТАБЛИЦА 4 – ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ МТА С ТРАКТОРОМ К-701, РАБОТАЮЩИМ В ДИЗЕЛЬНОМ И ГАЗОДИЗЕЛЬНОМ РЕЖИМАХ ПО ГОСТ 24055 И Производи Расход топ Экономия затрат по загрузки двигателя тельность Замещение ДТ, % лива* топлива, руб./ч топливу, руб./ч Коэффициент за час Расход ДТ, % Стоимость основного вре основного вре ского времени технологиче Вид работы мени кг/ч и состав агрегата мени кг/га Дисковое лущение стерни пшеницы:

12, К701ГД+БДТ-7К 8,2 7,6 4,2 38,7 61,3 158,6 77,6 0, 19, К-701+БДТ-7К 8,4 7,8 4,21 100 - 236,2 - 0, 32, Дисковое лущение стерни гороха:

12, 701ГД+БДТ-7К 7,3 7,1 4,4 37,1 62,9 157,5 77,2 0, 20, К-701+БДТ-7К 7,5 7,2 4,4 100 - 234,7 - 0, 32, Дисковое лущение стерни подсолнечника первый след:

11, К701ГД+БДОТ-7Б 6,0 5,5 5,63 34,1 65,9 161,2 85,1 0, 22, К701+БДОТ-7Б 6,0 5,5 5,67 100 - 246,3 - 0, 34, 11, К-701ГД+КМ-6 5,9 5,5 6,3 31,2 68,8 173,5 101,3 0, 25, К-701+КМ-6 6,06 5,6 6,2 100 - 272,2 - 0, 37, Вспашка стерни пшеницы на глубину 25 см:

11, К-701ГД+ПТК-9-35 2,1 1,78 18,3 29,5 70,5 178,8 111,4 0, 26, К701+ПТК-9-35 2,15 1,85 18,7 100 - 290,2 - 0, 40, Дисковое лущение стерни подсолнечника второй след:

12, К701ГД+БДОТ-7Б 6,1 5,6 6,56 29,9 70,1 184,1 107,1 0, 27, К701+БДОТ-7Б 6,1 5,6 6,63 100 - 291,2 - 0, 40, Предпосевная обработка после уборки сахарной свеклы:

12, К-701ГД+КМ-6 4,8 4,5 9,33 27,7 72,3 204,1 128,5 0, К-701+КМ-6 4,9 4,6 9,43 100 - 332,6 - 0, 46, *В числителе расход дизельного запального топлива, в знаменателе – расход газа.

(в 16 раз ниже современной цены ДТ в России). При производстве биотоплива из РМ основные затраты (84%) приходятся на стоимость сырья, поэтому внутрихозяй ственное производство БДТ и использование сырья по себестоимости обеспечивают значительное повышение эффективности.

Себестоимость МЭРМ (рис. 14) при крупнотоннажном производстве 90 тыс. т Рисунок 13 – Себестоимость и коммерческая эффективность производства РМ, реализация по 30 р уб./кг. Годовая произв одительность о борудования – 320 т Р М, к апвложения – 1,6 млн руб.

в год и использовании маслосемян по рыночной цене 2007 г. (8–10 руб./кг) находи лась в диапазоне 24–30 руб./кг. При снижении рыночных цен маслосемян в 2008 г.

до 5–6 руб./кг себестоимость МЭРМ при данном производстве уменьшается до 14,5–17 руб./кг..

При переоборудовании дизелей на ГМТ коммерческая эффективность в значи тельной степени зависит от коэффициента загрузки двигателя Кз (табл. 6).

У газодизеля с увеличением Кз от 0,5 до 0,75 ЧДД возрастает на 44% (при по вышении Кз на 1% ЧДД увеличивается на 1,76%). При увеличении Кз газодизеля воз растает экономия затрат по топливу и ЧДД за счет снижения доли запальной дозы ДТ в суммарном расходе топлива. У газоискрового двигателя ввиду отсутствия за пальной дозы ДТ при увеличении Кз в меньшей степени по сравнению с газодизе лем растет ЧДД (при увеличении Кз на 1% ЧДД возрастает на 0,8%).

В целом конвертация дизеля в газоискровой двигатель более эффективна по ТАБЛИЦА 5 – ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ МТА С ТРАКТОРОМ Т-150К В ДИЗЕЛЬНОМ И ГАЗОДИЗЕЛЬНОМ РЕЖИМАХ Производительность га, Расход топлива ткм, за час времени Состав Режим агрегата работы эксплуата газ, м основного ДТ, кг/ч ционного Т-150К+ПЛН-5-35 Газодизель 1,57 0,94 12,33 6, Т-150К+ПЛН-5-35 Дизельный 1,48 0,96 - 19, Т-150К+ОЗТП-9557 Газодизель 268,8 96,2 0,032 0, Т-150К+ОЗТП-9557 Дизельный 240,8 91,5 - 0, Рисунок 14 – Себестоимость и коммерческая эффективность производства МЭРМ при реа лизации на экспорт по цене 36 руб./кг. Годовая производите-льность завода – 90 тыс. т РМ, капвложения – 648 млн руб сравнению с переоборудованием на газодизельный режим. При коэффициенте за грузки двигателя 75 и 50% ЧДД у газоискрового двигателя выше соответственно на 37 и 65% по сравнению с газодизельным вариантом, т.е. у машин с низкой загрузкой двигателя по мощности преимущества конвертации дизеля в газоискровой вариант возрастают.

Рост цен на топливо и газобаллонное оборудование неоднозначно влияет на по казатели коммерческой эффективности. Результаты расчета для фактических цен (табл. 7) на топливо и газобаллонное оборудования (ГБО) свидетельствуют о высо кой эффективности переоборудования тракторов при всех вариантах по ценам топ ТАБЛИЦА 6 – ПОКАЗАТЕЛИ КОММЕРЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРАКТОРА МТЗ-82 С ГАЗОДИЗЕЛЬ (КЗ) НЫМ И ГАЗОИСКРОВЫМ ДВИГАТЕЛЯМИ ПРИ РАЗЛИЧНОМ КОЭФФИЦИЕНТЕ ЗАГРУЗКИ ДВИГАТЕЛЯ Кз = 0,50 Кз = 0, Параметры Газодизель Газоискровой Газодизель Газоискровой ЧДД за 10 лет, тыс. руб. 571 945 822 Срок окупаемости, мес 12 8 8 Экономия ДТ, л/год 10665 15120 14040 ТАБЛИЦА 7 – ЦЕНЫ НА ТОПЛИВА И ГБО Год и вариант ДТ, КПГ, Стальной Металлопластиковый руб./м расчета руб./л баллон, руб. баллон, руб.

2003, вариант 1 7,5 3,7 2000 2007, вариант 2 18 8,5 9700 12 2007, вариант 3 18 8,5 - 12 лива и ГБО, что подтверждается положительным значением ЧДД во всех вариантах (табл. 8).

Сроки окупаемости затрат на переоборудование тракторов находятся в пределах ТАБЛИЦА 8 – КОММЕРЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЕРЕОБОРУДОВАНИЯ ТРАКТОРОВ НА КПГ Газо Газодизельный искровой К-701 Т-150К МТЗ-82 ДТ-75 МТЗ- Вариант 1: газ - 3,7 руб./м3;

ДТ - 7,5 руб./л;

баллоны стальные – 2 тыс. руб./шт., ме таллокомпозитные – 8,36 тыс. руб./шт ЧДД за 10 лет, тыс. руб. 939 421 203 225 Дисконтированный 6 11 20 13 срок окупаемости мес.

Вариант 2: газ - 8,5 руб./м3;

ДТ - 18 руб./л;

баллоны – 9,7 (стальной) и 12 тыс. руб./шт. (металлокомпозитный) ЧДД за 10 лет, тыс. руб. 2259 1021 598 506 Дисконтированный срок 9 13 12 18 окупаемости, мес.

Вариант 3: газ – 8,5 руб./м3;

баллон металлокомпозитный – 12 тыс. руб./шт.

ЧДД за 10 лет, тыс. руб. - - - - Дисконтированный срок - - - - окупаемости, мес.

от 6 до 20 месяцев (для первого варианта) и от 9 до 18 месяцев (для второго вари анта) при норме 72 месяца.

Наиболее эффективно переоборудование самого мощного трактора К-701 за счет максимальной годовой экономии ДТ. Повышение стоимости ГБО за 4 года для дан ного трактора приводит к увеличению затрат на переоборудование в 3,5 раза (с 83, до 292,3 тыс. руб.), при этом срок окупаемости увеличивается с 6 до 9 месяцев. Од нако за счет увеличения в 2,5 раза разницы цен ДТ и КПГ, ЧДД в 2007 г. в 2,4 раза выше (2259 тыс. руб.), чем в 2003 г. (939 тыс. руб.). У трактора ДТ-75 при втором ва рианте ЧДД (506 тыс. руб.) больше, чем в первом (225 тыс. руб.), однако за счет пя тикратного роста цен на баллоны срок окупаемости возрастает с 13 до 18 месяцев.

Более низкие значения ЧДД у данного трактора объясняются меньшей годовой за грузкой гусеничного трактора. Сравнительно большой срок окупаемости (12 меся цев) получен у трактора МТЗ-82 за счет меньшей по сравнению с К-701 в 3,4 раза годовой экономии ДТ и использования дорогих металлопластиковых баллонов, од нако ЧДД при втором варианте также повышается в 2,9 раза. Расчеты, выполненные для трактора К-701, показали значительное влияние величины запальной дозы ДТ на коммерческую эффективность переоборудования. При прочих равных условиях увеличение запальной дозы ДТ с 15 до 45% приводит к снижению ЧДД на 60% и увеличению срока окупаемости с 5 до 7,2 месяца.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1. Разработаны технологии внутрихозяйственного производства биодизельного топлива из семян рапса, предусматривающие поэтапное оснащение его производи телей первоочередным и полным комплектами оборудования как зарубежного (на пример, Германия), так и отечественного (ЗАО «Белогорье») производства и обес печивающие улучшение химмотологических свойств топлива и снижение себестоимости продукции у сельхозтоваропроизводителя.

К первоочередному комплекту оборудования отнесены: расходный бункер мас лосемян, пресса холодного отжима рапсового масла, смеситель масла с кизельгуром, фильтр-пресс для очистки масла.

Полный комплект дополнительно включает:

- установку для эстерификации рапсового масла в метилэфир;

- установку для приготовления полнорационных кормов;

- установку брикетирования жмыха и соломы для изготовления пеллет;

- газогенераторную когенерационную установку, работающую на пеллетах из со ломы и шрота для выработки электрической и тепловой энергии с общим КПД установки 86% (30% по электроэнергии и 56% по тепловой энергии).

2. Разработаны рекомендации по обеспечению частичной энергоавтономности сельскохозяйственного предприятия при внутрихозяйственном комплексном ис пользовании рапса, апробация которых в пилотном объекте – ООО «Жито» (Рязан ская обл.) подтвердила возможность обеспечения энергоавтономности сельхозтова ропроизводителя по ДТ на уровне не менее 70% при использовании 25% добавки рапсового РМ в ДТ в холодное время года и при работе на чистом РМ в теплое время года.

3.1. Теоретически обоснована возможность использования чистого РМ и его смесей с ДТ в качестве топлива в автотракторных дизелях. По результатам расчетно теоретических исследований гидравлических процессов топливоподачи РМ и СТРМ в топливных системах тракторов МТЗ-82 и ДТ-75 определены:

- коэффициент сжимаемости и скорость распространения волны давления био топлива из РМ;

- необходимый диаметр штуцера топливозаборника и трубопровода, его допу стимая длина в топливной системе низкого давления тракторов МТЗ-82 и ДТ-75;

- обоснована необходимость снижения вязкости биотоплива из РМ до уровня вяз кости ДТ путем подогрева биотоплива в теплообменнике с использованием тепла системы охлаждения двигателя;

- экспериментально определена зависимость эффективного проходного сечения распылителя от подъема иглы форсунки;

- сравнением полученных зависимостей впрыскивания для ДТ и РМ показано от сутствие в характеристиках топливоподачи показателей, препятствующих исполь зованию РМ в топливной системе дизеля.

3.2. Разработана конструкторская документация, изготовлены образцы, проведены испытания комплектов адаптации топливных систем тракторов к работе на РМ и его смесях с ДТ, выданы рекомендации: по увеличению (на 25–30%) суммарного эф фективного проходного сечения распылителей форсунок;

увеличению проходных сечений штуцеров и диаметров трубопроводов от топливного бака для РМ до подо гревателя;

установке теплообменника для подогрева РМ с подводом теплоносителя из системы охлаждения двигателя.

4. Для использования компримированного (КПГ) и сжиженного (СПГ) природ ного газа в мобильной сельскохозяйственной энергетике разработаны:

- технология и техническая документация переоборудования тракторов К-701, Т-150К, МТЗ-82, ДТ-75, ЮМЗ-6, ЛТЗ-55 для работы на КПГ по газодизельному ре жиму;

- технология переоборудования тракторов К-701 и МТЗ-80/82 для работы на сжиженном (криогенном) природном газе (СПГ);

- технология конвертации в газоискровые двигатели дизелей трактора МТЗ-82, ав томобилей ЗИЛ-5301, КамАЗ-740.10, КамАЗ-740.15-260;

4.1. Исследованиями по использованию КПГ по газодизельному режиму уста новлено:

- при механической системе регулирования подачей газа с приводом дозатора газа от регулятора ТНВД обеспечивается одинаковая максимальная мощность при работе в газодизельном (203 кВт) и дизельном (202 кВт) режимах;

- у газодизеля с механической системой регулирования подачей газа запас кру тящего момента (9,7%) ниже, чем у дизеля (22,9%);

- электронная система управления подачей газа СЭРГ-500 обеспечивает опти мизацию подачи газа и формирует регуляторную характеристику газодизеля, иден тичную дизельной.

По результатам приемочных испытаний тракторов на МИС установлено:

- увеличение общей массы трактора Т-150К на 795 кг при установке баллонов для КПГ не привело к существенному росту плотности почвы: твердость почвы и со противление вспашке увеличились соответственно на 7,8 и 2,4%, коэффициент кро шения пласта снизился на 3,9%. Данные негативные эффекты устраняются при комплектации трактора шинами большего размера (66 х 43,00 R25);

- тракторы, работающие на КПГ и СПГ, пригодны для использования в сельском хозяйстве.

4.2. Разработана технология конвертации дизелей Д-243, КамАЗ-740.10, 740. 13-260, Раба-Ман-2156 и Д-10 в монотопливные газовые двигатели.

Стендовыми исследованиями конвертированного газового двигателя КамАЗ установлено, что газовый двигатель на номинальном режиме имеет одина ковую с базовым дизелем мощность (240 л.с.);

максимальное значение эффективного КПД достигает 36%, а в режиме номинальной мощности – 33%;

удельный расход топлива изменяется от 205 г/кВт-ч на режиме максимального крутящего момента до 220 г/кВт-ч при номинальной мощности;

максимальная температура отработавших газов за турбинами не превышает 580°С на номинальном режиме и 545°С при мак симальном крутящем моменте.

4.3. Разработана технология конвертации дизеля Д-243 в газоискровой двигатель, реализованная в опытных образцах тракторов МТЗ-82 и автомобилей ЗИЛ- («Бычок»). Стендовые испытания показали возможность получения номинальной мощности газоискрового двигателя (58,8 кВт) одинаковой с мощностью дизеля (58,2 кВт);

при этом обеспечивается запас крутящего момента (19%), превосходящий норматив для тракторного двигателя (15%).

Концентрации СО и СН с нейтрализатором меньше норм Евро-2, а концентрация NOx удовлетворяет нормативу Евро-2;

при работе без нейтрализатора выбросы СО и NMHC также соответствуют требованиям норм Евро-2, но содержание NOx (19,7 г/кВт·ч) выше нормы Евро-0 (15,0 г/кВт·ч) и удовлетворяет только требованиям ГОСТ 17.2.02.06-99.

4.4. Разработаны технология и технические средства, изготовлены опытные об разцы газодизельных тракторов К-701 и МТЗ-82 с бортовыми топливными системами для сжиженного природного газа (СПГ), обеспечивающие:

- уменьшение габаритных объемов баков для СПГ по сравнению с секциями бал лонов для КПГ в 2,8–3,5 раза;

- уменьшение массы заправочных емкостей СПГ по сравнению с баллонами КПГ в 2–5 раз;

- использование в бортовом теплообменнике газификации СПГ в качестве теп лоносителя охлаждающей жидкости системы охлаждения дизеля.

Отмеченные преимущества криогенной бортовой топливной системы подтвер ждены результатами приемочных испытаний трактора К-701 с бортовой газотоп ливной системой СПГ в Поволжской МИС.

5. Экспериментальными исследованиями по определению энергетических, топ ливно-экономических и экологических показателей автотракторных дизелей с объ емным (Д-440) и объемно-пристеночным способами смесеобразования (Д-243) при работе на РМ и его смесях с ДТ установлено:

- мощность дизелей, оборудованных комплектом адаптации, при работе на РМ, смесях его с ДТ и на чистом ДТ практически одинакова: при тормозных испытаниях в Северо-Кавказской МИС трактора МТЗ-80Л получена максимальная мощность 57, и 57,9 кВт соответственно при работе на ДТ и смеси его с 75% РМ;

- удельный массовый расход топлива (г/кВт-ч) при работе дизелей Д-243 и Д- на РМ и его смеси с ДТ возрастает пропорционально снижению удельной теплоты сгорания РМ по сравнению с ДТ (на 9%). При загрузке дизеля по мощности более 40% значения эффективного КПД и удельного расхода топлива в единицах подве денной с топливом энергии (МДж/кВт-ч) для смеси РМ с ДТ и чистого ДТ имеют близкие значения. Это подтверждает отсутствие существенного ухудшения пара метров рабочего процесса дизеля при работе на РМ.

6. По результатам исследований рабочего процесса дизеля Д-243 при работе на СТРМ по сравнению с работой на ДТ:

- среднее индикаторное давление, максимальное давление газов в цилиндре, максимальная температура сгорания в цилиндре изменяются незначительно (в пре делах 1,5–4,6%) на режимах номинальной мощности и максимального момента.

При работе на СТРМ отмечено более раннее начало процесса сгорания и более позднее его окончание за счет смещения максимумов давления, температуры и ско рости нарастания давления на 2– 3 град. п.к.в. в сторону начала сгорания и переме щением точки выгорания 90% топлива на 4–5 град. п.к.в. в сторону окончания сго рания;

- определение экологических показателей дизелей свидетельствует о снижении токсичных выбросов при работе на РМ по сравнению с работой на ДТ. У дизеля Д-440 получено снижение монооксида углерода (СО) на 50–59%, углеводородов (СН) на 46–50%, окислов азота (NOx) на 29%, у Д-243 NOx повышаются на 12% при ра боте на смеси с 50% РМ;

- при работе на РМ и его смесях с ДТ на распылителях форсунок образуется рых лый маслянистый нагар, не влияющий на параметры распыла топлива и мощность двигателя, который удаляется при кратковременной работе под нагрузкой на ДТ. У дизеля Д-240 при работе на РМ и смесевом топливе отмечено увеличение эффек тивного проходного сечения отверстий распылителей F на 0,75–3,2%, а при работе на ДТ происходит коксование отверстий распылителей с уменьшением F на 0,6– 1,7%. У дизеля Д-440 после работы на РМ отмечено незначительное уменьшение проходного сечения отверстий распылителей на 0,2%, при этом сохраняется тума нообразный распыл топлива без сплошных струек и местных сгущений. Рабочие ха рактеристики форсунок находятся в пределах допустимых значений по ГОСТ 10579 88;