автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение эффективности использования газобаллонных тракторов совершенствованием системы подачи газообразного топлива

На правах рукописи

Володин Виктор Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГАЗОБАЛЛОННЫХ ТРАКТОРОВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 В ЛПр

Пенза-2013

005051977

005051977

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова»

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Загородских Борис Павлович

Официальные оппоненты: Власов Павел Андреевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», профессор кафедры «Ремонт машин»

Данилов Игорь Кеворкович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина», заведующий кафедрой «Автомобили и двигатели»

Жутов Алексей Григорьевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», профессор кафедры «Ремонт машин»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева»

Защита состоится «19» апреля 2013 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.053.02 на базе ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 440014, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30, ауд. 1246.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия»

Автореферат разослан «¿9» Лк^О-рЯ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

О.Н. Кухарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. На долю сельскохозяйственной техники, работающей в основном на минеральном дизельном топливе, приходится более 40 % общего его потребления. При этом расходы на топливо достигают 50 % в себестоимости сельскохозяйственной продукции. В связи с этим перевод сельскохозяйственной техники для работы на более дешевом альтернативном топливе - природном газе метане - позволит повысить эффективность сельскохозяйственного производства. Тем более, что Россия занимает первое место в мире по его запасам.

Наиболее простым и приемлемым для сельского хозяйства способом перевода дизеля для работы на газообразном топливе является использование газодизельного цикла, так как это не требует значительных изменений конструкции двигателя, сохраняется серийная топливная аппаратура и способность работать как на дизельном топливе, так и на его смеси с компримированным (КПГ) или сжиженным природным газом.

Степень разработанности темы. В настоящее время существуют только опытные образцы тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием, двигатели которых работают по газодизельному циклу и имеют ряд недостатков: запальная доза дизельного топлива чаще всего остается постоянной независимо от режимов работы двигателя и изменяется от тридцати до сорока процентов; значительная неравномерность дозирования газообразного топлива по цилиндрам; высокая инерционность агрегатов систем питания; недостаточная надежность механических регуляторов давления. Поэтому данный вопрос требует дальнейших конструкторских разработок, определения эксплуатационных показателей тракторов, обоснования агротехнических требований, установления соответствия стандартам безопасности и совершенствования технического обслуживания.

В связи с этим, исследование, направленное на повышение эффективности использования тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием путем совершенствования подачи газообразного топлива по эжекционному принципу, которая не только регулирует подачу газообразного и дизельного топлива, но и оптимизирует их соотношение в соответствии со скоростными и нагрузочными режимами работы двигателя является актуальной задачей. Исследова-

ния выполнены в соответствии с планом комплексных мероприятий по переводу автомобильной, тракторной и сельскохозяйственной техники на природный газ на территории Саратовской области на 2011-2015 гг., приоритетными направлениями развития ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» №01201151795 от 09.02.2011 г. «Модернизация инженерно-технического обеспечения АПК» по теме «Проведение научных исследований по повышению надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве», а также согласно договору с ассоциацией «Аграрное образование и наука» (г. Саратов, 2010-2012 г.).

Актуальность темы исследований подтверждена поручением президента Российской Федерации от 18.10.2004 г. Пр. № 1686 ГС «Комплексная программа по стимулированию перевода сельскохозяйственной техники на газомоторное топливо», поручением Правительства РФ от 19.08.2011 г. №ВЗ-П11-5884 «Проект предложений о техническом перевооружении сельскохозяйственной техники в части перехода на использование газомоторного топлива».

Цель работы - повышение эффективности использования тракторов, оснащенных двигателями, работающими по газодизельному циклу, совершенствованием системы подачи газообразного топлива и их технического обслуживания.

Задачи исследования:

1. Обосновать пути совершенствования топливной системы дизелей, работающих по газодизельному циклу.

2. Разработать модели показателей работы тракторного дизеля при использовании системы распределенной подачи газообразного и дизельного топлива по эжекционному принципу.

3. Разработать, изготовить и исследовать в лабораторных и эксплуатационных условиях систему распределенной подачи газообразного топлива по эжекционному принципу.

4. Усовершенствовать методику определения устойчивости тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием, теоретически рассчитать и экспериментально подтвердить показатели устойчивости.

5. Оценить соответствие трактора, оснащенного газобаллонным оборудованием, агротехническим требованиям по уплотнению почвы.

6. Разработать мероприятия по совершенствованию технического обслуживания тракторов с газобаллонным оборудованием и определить показатели их надежности.

7. Провести экспериментальные исследования тракторов в производственных условиях с предлагаемой системой подачи газообразного топлива и определить экономический эффект от ее использования.

Объект исследования - процесс подачи газообразного топлива тракторов тягового класса 50кН, оснащенных газобаллонным оборудованием, двигатели которых работают по газодизельному циклу.

Предмет исследования -технико-экономические показатели дизеля и эксплуатационные показатели трактора при выполнении с.-х. работ.

Научная проблема заключается в научном обосновании новой системы распределенной подачи газообразного топлива по эжекци-онному принципу, улучшающей эксплуатационные показатели тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием.

Научную новнзну работы представляют:

- показатели работы тракторного дизеля при использовании системы распределенной подачи газообразного и дизельного топлива по эжекционному принципу;

- аналитически обоснованные параметры системы и устройства эжекционной системы подачи газообразного топлива в двигатель;

- аналитические выражения для определения устойчивости тракторов с шарнирно-сочлененной рамой, оснащенных газобаллонным оборудованием;

- технико-экономические показатели дизеля, работающего по газодизельному циклу, оснащенного системой распределенного эжек-ционного впрыска газообразного топлива.

Теоретическая и практическая значимость работы

Показатели работы тракторного дизеля при использовании системы распределенной подачи газообразного и дизельного топлива по эжекционному принципу подтверждают возможность снижения запальной дозы до 18 %, неравномерности дозирования топлива до 5 % и уменьшить расход газообразного топлива по сравнению с существующими серийными образцами на 20 %.

Предложенные аналитические выражения для определения устойчивости тракторов с сочлененной рамой и проведенные экспериментальные исследования показали, что тракторы, оснащенные газобаллонным оборудованием, соответствуют требованиям стандарта безопасности.

Разработанная нормативно-техническая документация системы распределенной подачи газообразного топлива по эжекционному

принципу позволяет на стадии проектирования определить эксплуатационные характеристики трактора. Материалы для внедрения переданы в КБ по топливной аппаратуре ООО «ППП Дизельавтоматика».

Предлагаемые рекомендации по техническому обслуживанию и технике безопасности при работе на тракторах, оснащенных газобаллонным оборудованием, способствуют повышению эксплуатационной надежности.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием известных положений теории двигателя внутреннего сгорания и эксплуатации МТП, а также законов механики, гидравлики и тории вероятности, позволяющих определить технико-экономические показатели дизеля и эксплуатационные показатели трактора.

Экспериментальные исследования выполнены в соответствии со стандартными методиками моторных и эксплуатационных исследований, а также разработанных новых частных методов исследования.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту;

- показатели работы тракторного дизеля при использовании системы распределенной подачи газообразного и дизельного топлива по эжекционному принципу в зависимости от качественных показателей подачи и состава углеводородного топлива;

- теоретическое обоснование повышения эффективности использования тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием, за счет снижения расхода дизельного топлива при выполнении с. - х. работ;

- комплекс показателей, оценивающих эффективность использования газобаллонных тракторов;

- результаты теоретического и экспериментального определения предельных статических углов продольного и поперечного уклонов, характеризующих устойчивость тракторов оснащенных газобаллонным оборудованием;

- технико-экономические показатели дизеля и эксплуатационные показатели трактора с переоборудованной системой подачи газообразного топлива в двигатель по эжекционному принципу в составе МТА при выполнении с.-х. работ.

Степень достоверности и апробация результатов. Обеспечена сходимость теоретических и экспериментальных данных, подтвер-

жденных теоретическими исследованиями и практической реализацией разработки в лабораторных, стендовых и производственных условиях. Математические модели параметров подачи газообразного и дизельного топлива разработаны на основе известных положений теории двигателей и согласуются с опубликованными данными других исследований.

Разработанная система эжекционного впрыска газообразного топлива в двигатель используется на тракторах К-700А в ООО «Го-ризонт-С» Саратовской области.

Техническая документация системы подачи газообразного топлива принята к внедрению и используется в ООО «ППП Дизельав-томатика» г. Саратов.

Основные научные положения, выводы и практические рекомендации диссертации доложены и одобрены на:

-научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» (г. Саратов, 2011-2012 гг.);

-Международной научно-технической конференции «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (г. Москва, 2010-2011 гг.);

-Международной научной сессии «Инновационные проекты в области агроинженерии» (г. Москва, 2011 г.);

-постоянно действующем научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания (г. Саратов, 2010-2012 гг.);

-Международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение АПК» (г. Саратов, 2011 г.);

-научно-практической конференции 2-й специализированной агропромышленной выставки «Саратов-АГРО. 2011» (г. Саратов, 2011 г.);

-постоянно действующем семинаре «Чтения академика ВАСХНИЛ В.Н. Болтинского», Московский ГАУ (г. Москва, 2012 г.);

-Международной практической конференции «Аграрная наука -основа успешного развития АПК и сохранения экосистем», Волгоградский ГАУ (г. Волгоград, 2012 г.);

-научной конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского ГАУ (г. Пушкин, 2012 г.);

-заседании круглого стола «Научно-инновационное обеспечение агропромышленного комплекса», Саратовский ГАУ (г. Саратов, 2012 г.);

-Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Г.П. Шаронова «Проблемы эксплуатации и ремонта автотракторной техники», Саратовский ГАУ (г. Саратов, 2012 г.).

По результатам исследований опубликовано 36 работ, в т. ч. 15 статей в изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки РФ, 3 патента на полезную модель. Общий объем публикаций - 12,25 л., из которых 7,9 л. принадлежат соискателю.

Диссертация состоит из введения, 6 разделов, общих выводов, списка литературы из 207 наименований, из них 68 на иностранном языке, и приложений. Работа изложена на 268 е., содержит 108 рисунков и 54 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, показана её практическая значимость, приведены основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние проблемы» на основе анализа научных работ сформулированы проблема, цель и задачи исследований.

Замещение традиционных видов моторных топлив компримиро-ванным природным газом является актуальной задачей ввиду экологических и экономических причин. При этом перевод дизелей на работу по газодизельному циклу целесообразно осуществлять без изменения серийной конструкции двигателя, но с сохранением их технико-экономических и эксплуатационных показателей.

Производительность машинно-тракторного агрегата за час основного и технологического времени при работе как по газодизельному, так и по дизельному циклу практически одинакова. При этом затраты на топливо снижаются, а коэффициент замещения дизельного топлива газом существенно растет при увеличении загрузки двигателя. Поэтому применение газобаллонного оборудования на тракторе экономически целесообразно.

Большой вклад в изучение вопросов, связанных с исследованием системы топливоподачи дизельных двигателей, переводом их для работы на компримированном природном газе, внесли ученые: Гай-воронский А.И., Марков В.А., Савельев Г.С., Николаенко В.Н., Хагив A.C., Козлов С.И., Габнулин Ф.Г., Анискин В.И., Стативко В .Л., Лушко В.А., Бондарь В.А., Букреев Г.А., Нижнин М.Е., Булычев В.Ю., Соколов В.Г., Бушуев В.В., Васильев Ю.Н., Власов П.А.

В настоящее время имеется техническая документация на переоборудование тракторных дизелей для работы по газодизельному циклу, разработанная в ОАО ВНИИГАЗ, ГНУ ВИМ, ФГУП НАМИ, ООО «ППП Дизельавтоматика» г. Саратов.

Отдельные модификации тракторов прошли приемочные испытания на Центральной, Кубанской, Поволжской МИС. Опытные образцы газодизельных тракторов работают в Ставропольском крае, Саратовской, Воронежской, Владимировской и Рязанской областях.

Анализ выполненных исследований показал, что для широкого использования газобаллонного оборудования при использовании на тракторах с.-х. назначения необходимо проведение дополнительных исследований, связанных с решением следующих проблемных вопросов:

- совершенствование системы подачи газа для увеличения коэффициента замещения дизельного топлива газовым;

- определение степени воздействия движителей трактора с газобаллонным оборудованием на почву;

- изучение устойчивости трактора, оснащенного газобаллонным оборудованием;

- разработка мероприятий по техническому обслуживанию предложенной системы;

- определение показателей надежности дизеля оснащенного системой распределенной подачи газообразного и дизельного топлива по эжекционному принципу;

- установление соответствия стандартам безопасности.

Таким образом, проблемная ситуация заключается в том, что, с одной стороны, запасы нефти снижаются, цены на дизельное топливо растут, что обусловливает увеличение себестоимости сельскохозяйственной продукции, с другой стороны, в тракторных двигателях практически не используется более дешевый природный газ, запасы которого значительно превышают запасы нефти.

Поэтому для перевода с.-х. техники на газомоторное топливо требуется создать опытные образцы тракторов, оснащенных двигателями, работающими по газодизельному циклу, испытать их в реальных условиях эксплуатации и разработать рекомендации по сервисному обслуживанию и технике безопасности при работе на тракторах, работающих по газодизельному циклу.

Важнейшим резервом повышения производительности с.-х. производства является повышение эффективности использования с.-х.

тракторов, работающих на природном газе по газодизельному циклу, путем теоретического обоснования и разработки новой системы подачи газообразного топлива по эжекционному принципу, позволяющему качество газовоздушной смеси, поступающей в цилиндры дизеля, снизить неравномерность дозирования топлива и уменьшить расход газообразного топлива по сравнению с существующими образцами.

Во втором разделе «Теоретическое обоснование параметров системы распределенной подачи газообразного топлива по эжекционному принципу» с целью определения наиболее эффективного режима работы эжекционного смесителя необходимо произвести расчет условий его работы. Течение газа на любом участке смесительной камеры описывается тремя уравнениями: сохранения энергии, массы и количества движения. Если поток газа в выходном сечении камеры считать одномерным, т. е. предположить процесс выравнивания параметров смеси по сечению полностью закончившимся, то указанных трех уравнений достаточно для определения трех параметров потока в выходном сечении по заданным начальным параметрам газов на входе в камеру. Три параметра, как известно, полностью характеризуют состояние потока газа и позволяют найти любые другие его параметры.

Рис. 1 - Схема к расчету эжекционного смесителя: С„ Сс -расход эжектируемого, эжекционного и смешанных потоков, м /ч; р„ рр рс-давпение эжектируемого, эжекционного и смешанных потоков, МПа; IV,- скорость эжектируемого, эжекционного и смешанных потоков, м/с; /,„/р/с - поперечное сечение эжектируемого, эжекционного и смешанных потоков, м2

Схема простейшего эжекционного смесителя представлена на рис. 1. Так как предлагаемый эжекционный смеситель конвертеру-

(р„, к и

О.

ьи

5 (рР.к, М

ется из воздушного коллектора и выходного патрубка газовой форсунки, то оставшимся параметром, которым можно достичь оптимального режима работы, является давление и период подачи эжек-ционного газа, функции которого и выполняет компримированный природный газ.

Исходные данные для расчета эффекта эжекции приведены в табл. 1. Таблица 1 - Показатели адиабаты и газовые постоянные рабочих тел

Показатели Обозначение Рабочее тело

воздух природный газ

Молекулярная масса, г/моль М 29 16

Показатель адиабаты к 1,40 1,31

Газовая постоянная, Дж/(кг К) Я 287 522,9

Рабочее давление (абсолютное), МПа Р„ 0,1 0-0,6*

Удельный объем, м /кг К 0,816 1,45

Плотность, кг/м3 Р 1,225 0,75

Температура среды, К Т 293 293

* - для определения эффективности эффекта эжекции необходимо произвести математическое моделирование процесса при различных давлениях рабочего раза (природный газ).

Критическое отношение давлений для сопла

(»

где к - показатель адиабаты, {к = 5/3 - для одноатомных газов, к= 7/5 -для двухатомных газов, к = 9/7 - для многоатомных газов).

Для многоатомных газов ВКр = 0,548322716.

Если В > Вкр, то режим истечения газов докритический, если В < В,ф, то режим надкритический.

Давление, создаваемое эжекционным аппаратом

Где рЛ - динамическое давление, создаваемое эжекционным аппаратом, МПа; С - расход газовоздушной смеси, м3/ч; а - критическая скорость потока, принимаем наименьшее её значение, м/с; /- площадь поперечного сечения эжектора, м2 (так как в качестве корпуса для эжектора используется поперечный канал воздушного коллектора двигателя 8ЧН13/14, то конструктивно/= 0,0293м2); Я - относительное давление смешиваемых потоков; д - приведенная массовая скорость (определяется по газодинамическим таблицам, относительно значения П).

Критическая скорость потока равна местной скорости звука:

а = 41ж. (3)

Расход воздуха при максимальной скорости поршня определяли, исходя из принципа неразрывности потока:

Гг _^портпф+Хкш

я max ' v^V

где G„ max - расход воздуха при максимальной скорости движения поршня, м3/ч; Snop - площадь поршня, м2; г - радиус кривошипа коленчатого вала двигателя, м; п — частота вращения коленчатого вала двигателя, мин"1; Х„„ - постоянная кривошипно-шатунного механизма.

Объем газа, необходимый для работы двигателя

"ш\ 100 J

Ка,= V а J , (5)

8а

где V„m - объем газа, поступающего в цилиндр двигателя, м3; riv -коэффициент наполнения рабочей камеры двигателя; а - коэффициент избытка воздуха (для дизелей с нераздельными камерами сгорания а = 1,5-2,2); 9 — стехиометрическое массовое число природного газа (9 = 17); 4 - доля запального дизельного топлива, % (£, = 20 %).

Следовательно, динамическое давление, создаваемое эжектором, можно определить из выражения:

Ч ,00 J"- ^

30 Oct

--щ-1-• (б>

Математическое моделирование процесса подачи газовоздушной смеси на основании выражения (6) необходимо провести по переменным параметрам частоты вращения и коэффициенту избытка воздуха (7). Для выбора интервала частоты вращения коленчатого вала принимаем значения от минимальной частоты вращения коленчатого вала дизеля до номинальной. Шаг расчета выбирают так, чтобы получить восемь расчетных режимов по характеристике. Для дизелей минимальная частота вращения принимается 800 мин-1. Подставив значения частоты вращения коленчатого вала двигателя из предела 800-2200 мин-1, соответствующего диапазону рабочих

частот вращения к. в. дизелей серии 8ЧН13/14 и коэффициент избытка воздуха в пределах 1,5-2,2 получим область параметров работы дизеля для расчета данных о динамическом давлении создаваемом в эжекционном смесителе впускного коллектора. Полученные

данные графически отображены на рис. 2.

п0а0 п0 а1--- п0 о,-

г^ад п-^а.^---

Рд

п\а0 п1а1■

п, а,

(7)

где п0 - наименьшее значение частоты вращения коленчатого вала, мин-1; и, - наибольшее значение частоты вращения коленчатого вала, мин"1; а0- наименьшее значение коэффициента избытка воздуха; а} - наибольшее значение коэффициента избытка воздуха.

'•"»таврящие,,,

апигатсля миг

.«авойУ'"'

Рис. 2-Диаграмма динамического давления, создаваемого эжекционным смесителем

В основу теоретического исследования эжекционного смесителя положен тепловой расчет дизеля 8ЧН13/14 при работе по газодизельному циклу. Одним из параметров двигателя, на который влияет возможность применения эжекционного смесителя, является индикаторный ЬСПД:

Л,-

1,985 • Мх ■ Тсм ■ Р1

Чу-рсм-(К+ё-ни)

(8)

где Т|; - индикаторный КПД двигателя, %; Ни - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; М, - количество свежего заряда или горючей смеси, кМоль; Тсы - температура сгорания смесевого топлива, К; Ра„ -давление сгорания, МПа; Р, - действительное среднее индикаторное давление, МПа.

Эффективная мощность

N. =

1

А.р 2,-1

1 —

1

1 —

1

степень последующего расширения; рс -

л,-1 V е-'" <9>

где Ые - эффективная мощность, кВт; Ст- суммарный расход топлива, кг/ч; т]„ - механический КПД двигателя, %; X - степень повышения давления; е - степень сжатия; % - коэффициент полноты диаграммы; а - коэффициент избытка воздуха; п, - величина показателя политропы сжатия для дизельных двигателей; п2 - показатель политропы расширения; т]у - коэффициент наполнения двигателя; р -плотность топлива, кг/м3; 8 давление сжатия, МПа.

Эффективный удельный расход газа

= (Ю).

IV %

где д - доля тепла, вводимая жидким топливом от всего тепла, фактически участвующего в процессе.

Математическое моделирование зависимости эффективной мощности от параметров подачи газообразного топлива (9), таких как частота вращения коленчатого вала дизеля и давление подачи газообразного топлива, будет иметь вид математической матрицы:

N.=

«оР,

П1РЯ1•

П,Е>„ • 1- дх

«О Р^ "1 Рдг Пгрд

(11)

поР* о П1РД0

где рд() - наименьшее значение коэффициента избытка воздуха; рЯ] -наибольшее значение коэффициента избытка воздуха.

Результаты расчета мощностных показателей дизеля, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала дизеля и от давления подачи газообразного топлива без турбокомпрессора и с турбокомпрессором представлены на рис. 3 и 4.

Рис. 3 - Эффективная мощность дизеля без турбокомпрессора

Частота вращения коленчатого вал а, мин

Рис. 4 - Эффективная мощность дизеля, оснащенного турбокомпрессором

На основании известных формул можно произвести математическое моделирование зависимости удельного эффективного расхода топлива от параметров подачи газообразного топлива. Такая математическая модель будет иметь вид математической матрицы:

«оРд,

П1РД]

"оРд0 «0 /V «1Рд0 П1?Д1-

П^д0 П.РД1 -

Результаты расчета эффективного удельного расхода топлива, при номинальной мощности, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и давления подачи газообразного топлива дизеля оснащенного турбокомпрессором, и дизелем без турбокомпрессора представлены на рис. 5 и 6.

Частота вращения коленчатого вала, мин-1

Рис.

5 — Удельный эффективный расход топлива дизеля без турбокомпрессора

Частота вращения коленчатого вала, мшг1

Рис. 6 — Удельный эффективный расход топлива дизеля, оснащенным турбокомпрессором

Результаты расчета зависимости мощности дизеля от значения запальной дозы и расхода топлива представлены на рис. 7.

Процент ДНЗвЛЬНОГО топлива

Рис. 7 - Мощность дизеля в зависимости от суммарного расхода топлива

Математическое моделирование зависимости эффективной мощности дизеля от параметров качественного состава топлива (9), таких как процентный состав топлива и его количество, будет иметь вид математической матрицы:

н

N. =

и/'О

ИиаС]

н.

1С)

(13)

иоС1~-

где Ни0 - наименьшее значение теплоты сгорания суммарного топлива, соответствующее 100 % низшей теплоты сгорания газообразного топлива, %; и, - наибольшее значение теплоты сгорания суммарного топлива, соответствующее 100 % низшей теплоты сгорания дизельного топлива, %; Оа - наименьшее значение суммарного расхода топлива, кг/ч; СТ - наибольшее значение суммарного расхода топлива, кг/ч.

Таким образом, разработаны модели показателей работы тракторного дизеля при использовании системы распределенной подачи газообразного топлива по эжекционному принципу, которые показывают, что применение эжекционного смесителя теоретически позволяет повысить мощность двигателя: без турбокомпрессора, на 510 % и с турбокомпрессором на 2-5 % по сравнению с безэжекцион-ными системами распределенной подачи газообразного топлива.

Влияние эффекта эжекции дает возможность снизить расход газодизельного топлива двигателем, без турбонаддува до 3 % и двигателя, оснащенного турбонадцувом, до 1 %. Основные результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальными исследованиями, при этом сходимость составляет 95 %.

В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены программа и методика проведения лабораторных, моторных и эксплуатационных исследований системы подачи газообразного топлива по эжекционному принципу, смонтированной на тракторе К-700А.

Лабораторными исследованиями определяли работоспособность эжекционного устройства путем имитации условий впрыска газообразного топлива.

Моторные исследования двигателя проводили в стендовых условиях с использованием обкаточно-тормозного стенда КИ-5274 по ГОСТ 18509—88 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний», а также штатных контрольно-измерительных приборов. В процессе экспериментов измерялись и регистрировались следующие параметры: частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-"1; момент сопротивления, созданный стендом, кНм; расход дизельного топлива, кг/ч; расход газообразного топлива, м3/ч; температура охлаждающей жидкости и масла, °С; температура (°С), и атмосферное давление (кПа) воздуха.

Вся информация о работе двигателя записывалась на компьютер при помощи программного комплекса «Тракторинжект», разработанного ООО «ППП Дизельавтоматика» посредством последовательного СОМ-порта через промышленный интерфейс 118-232.

Эксплуатационные исследования проводили в соответствии с ГОСТ 7057-2001 «Тракторы сельскохозяйственные. Методы испытаний» и ГОСТ Р 52777-2007 «Техника сельскохозяйственная. Методы энергетической оценки»в ООО «Горизонт-С» Саратовской области при выполнении основных сельскохозяйственных операций: пахоты, культивации, посева, дискования. При этом определяли тяговое сопротивление, скорость агрегата, расход дизельного и газообразного топлив. Для записи параметров трактора (частота работы дизеля, мин"1; расход газообразного и дизельного топлива, кг/ч; крюковая нагрузка, кН; температура охлаждающей жидкости, °С; фактическая скорость трактора, м/с) был использован программный

комплекс «Тракторинжект» разработанный ООО «ППП Дизельав-томатика».

Поцилипдровую неравномерность подачи газообразного топлива в двигатель устанавливали поцилиндрововым измерением температуры отработанных газов на выпускном коллекторе. Измерения проводили комплексом, состоящим из терморезистора ММТ-4 сопротивлением 200 кОм при 0 °С и мультиметра.

Для измерения силы тяги на крюке использовали тензометриче-ский комплекс, состоящий из накладных тензометрических датчиков, закрепляемых на нижних тягах задней навески трактора, и весоизмерительного преобразователя ТВ-00 ЗП.

Экологические показатели содержания сажи в отработанных газах определяли с помощью газоанализатора «АВТОТЕСТ-01.02».

Для определения воздействия движителей трактора К-700А, оборудованного газовым оборудованием, на почву были проведены сравнительные исследования по определению плотности, влажности, твердости, макроагрегатного состава почвы и глубины следа после прохода серийного и экспериментального тракторов. Исследования проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 7057-80.

Плотность и влажность почвы определяли методом режущих цилиндров до глубины 0,4 м.

Замер твердости производился твердомером А.Н. Ревякина по середине следов и вне следа в слое от 0 до 0,25 м.

Для определения макроагрегатного состава почвы по следу движителей и на контроле применялся цилиндр объемом 1000 см3.

Для определения показателей надежности на стадии разработки был использован размеченный граф, позволяющий создать модель для установления вероятности безотказной работы предлагаемой системы.

Оснащение трактора газобаллонным оборудованием может привести к изменению предельных статических углов продольного и поперечного уклонов, при которых он может стоять в заторможенном состоянии. В работе указанные углы находили теоретически и экспериментально. Для этого была разработана методика экспериментального определения предельных углов продольного и поперечного уклонов трактора.

В четвертом разделе «Система распределения газообразного топлива по эжекционному принципу и результаты эксперимен-

шальных исследований» на основании теоретических обоснований разработан способ и устройства эжекционной подачи газообразного топлива. Устройство эжекционной подачи газообразного топлива в двигатель представляет собой газовую форсунку, закрепленную на эжекционном смесителе (рис. 8).

Б рабочую кашру двигателя в рабочую тигру двшатепя

Рис. 8 - Схема работы эжекционного смесителя в впускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания

Устройство эжекционной подачи газообразного топлива в двигатель состоит из корпуса, которым являются отводы впускного коллектора, и электромагнитных газовых форсунок, расположенных таким образом, что каналы, соединяющие их, обеспечивают подачу газообразного топлива соосно с отводами впускного коллектора. На данное устройство получен патент на полезную модель №108491 [17].

Система распределенной подачи газообразного топлива размещается на двигателе 1 (рис. 9), который оснащен штатным топливным насосом высокого давления (ТНВД) 2. На ТНВД 2 установлен диск с магнитной меткой, а напротив него - датчик 4, контролирующий подачу газообразного топлива. В топливный насос высокого давления включено устройство 5 управления циклами. Рядом с топливной рейкой насоса расположен датчик 6 положения топливной рейки насоса высокого давления, позволяющий вести контроль за работой двигателя по дизельному или газодизельному циклу. Двигатель оснащен датчиком частоты вращения коленчатого вала 7, расположенным на его корпусе. Для подачи газообразного топлива, на тракторе смонтирована система, состоящая из устройств 8 эжекци-

онной подачи газообразного топлива в двигатель, соединенных при помощи газовых рукавов 9 с газовым коллектором 10, с установленными на нем датчиком 11 температуры и датчиком 12 давления газа. В газовый коллектор 10 газ поступает из газового баллона 13. Для этого давление газа корректируется в газовом редукторе 14. Для возможности обслуживания системы она оборудована вентильной группой 15. Контроль за подачей газообразного топлива обеспечивается электронным блоком 16 управления, который позволяет обрабатывать сигналы, получаемые с датчиков 4, 6, 7, 11, 12 и формировать сигналы для устройства 5 управления циклами и устройств эжекционной подачи газообразного топлива в двигатель. Задачу подачи газообразного топлива система получает от педального электронного задатчика 17. На данную систему получен патент на полезную модель №105372 [16].

4 2 6 5 3 19 19 7 !4 11 12 15 П

Г Г : Г~! ГГ

17 !6 ЧА

Рис. 9 - Система распределенной подачи газообразного топлива в дизель (наименование позиций в тексте). Цветами обозначены составные части системы подачи газообразного топлива: желтый - подача газообразного топлива; синий - электронные цепи управления; красный — подача дизельного топлива

Для повышения равномерности подачи топлива в системе применяется газовый коллектор (Заявка № 2011140816) [18], в котором выходные патрубки расположены на одном расстоянии от впускного. Это позволяет добиться равного давления в трубопроводах, подводящих газ к газовым форсункам. Кроме того, коллектор выполняет функцию фильтра, задерживающего абразивные частицы, поступающие вместе с газом.

Давление газа в полости коллектора контролируется с помощью датчика, который передает сигнал на электронный блок управления двигателем.

Монтаж коллектора осуществляется в развале двигателя, выходные штуцеры соединяются с газовыми клапанами дюритовыми рукавами равной длины, что также обеспечивает поддержание одинакового давления газа на каждом из электромагнитных клапанов.

Компоновка газового оборудования представлена на рис. 10. Баллоны в количестве 24 шт. крепятся на задней полураме трактора. Там же установлены: заправочное устройство, фильтр, электромагнитный магистральный клапан и газовый редуктор. Дюритовый шланг соединяет редуктор с газовым коллектором, расположенным в подкапотном пространстве. Здесь же находятся газовые форсунки, закрепленные на воздушном коллекторе и соединенные с газовым коллектором, датчики частоты вращения коленчатого вала двигателя, фазы, температуры охлаждающей жидкости, положения топливной рейки и давления газа. Штатный регулятор топливного насоса заменен на электронный. Электронный блок управления расположен в кабине трактора.

Рис. 10 - Компоновка газодизельной системы на тракторе К-700А

Работа системы осуществляется следующим образом. Компримиро-ванный природный газ (газообразное топливо), хранящийся в баллонах, закачанный в них с помощью заправочного устройства, через защиту в виде вентильной группы и электромагнитного магистрального клапана поступает в редуктор, где его давление понижается до рабочего. Редуктор,

для возможности обогрева, подключен к системе охлаждения двигателя. Далее газ поступает в газовый коллектор, а оттуда по рукавам подводится к газовым форсункам. Давление в газовом коллекторе контролируется электронным блоком управления при помощи датчика давления. Электронный блок управления рассчитывает длительность открытия газовой форсунки, которая измеряется в углах поворота коленчатого вала на основании сигналов, поступающих от датчика частоты вращения коленчатого вала двигателя, педального задатчика или от программы управления двигателем в случае ее использования. Электронный блок управления контролирует также положение рейки топливного насоса высокого давления, которое в зависимости от переключения режимов работы двигателя (дизельного и газодизельного) определяется электронным регулирующим устройством и закрепленным на его крышке датчиком положения топливной рейки. Это устройство устанавливается взамен штатного механического регулятора. Сигнал начала подачи газообразного топлива формируется в зависимости от сигнала датчика фазовой отметки, который контролирует геометрическую метку, установленную на муфте привода ТНВД.

Моторные исследования дизеля 8ЧН13/14 позволили получить данные о расходе газообразного и дизельного топлива. Графическая зависимость часового расхода топлива от мощности двигателя при работе под нагрузкой представлена на рисунке 11, из которой видно, что при увеличении мощности двигателя запальная доза дизельного топлива остается постоянной и достигает 20 %, а повышение мощности двигателя происходит за счет большей подачи газообразного топлива. При достижении двигателем номинального режима работы мощность составляет 163 кВт.

При этом система показала устойчивую работу двигателя при различных нагрузках. Замещение дизельного топлива газообразным топливом достигало 80 % при номинальных режимах работы.

Эксплуатационные исследования были проведены в ООО «Гори-зонт-С» Марксовского района Саратовской области. В этом хозяйстве эксплуатируют три трактора К-700А, оснащенных газовым оборудованием производства ООО «ППП Дизельавтоматика» СЭРГ-500, и один трактор с использованием системы эжекционного впрыска топлива, на котором были проведены экспериментальные исследования. Данные исследования были проведены при выполнении трактором основных с.-х. операций (рис. 12).

49 54 62 Мощность, кВт

Расход дизельного топлива в режиме тубонаддува. кг/ч

■ Расход газообразного топлива в режиме тубонаддува, мЗ/ч

■Расход газообразного топлива в режиме без тубонаддува. мЗ/ч

а) при давлении подачи газообразного топлива в 0,2 МП а

102 113 130 Мощность. кВт

-Расход дизельного топлива в режиме тубонаддува, кг/ч

—Расход газообразного топлива в режиме тубонаддува. мЗ/ч

—Расход газообразного топлива в режиме без тубонаддува. мЗ/ч

б) при давлении подачи газообразного топлива в 0,35 МПа

Рис. 11 - Зависимость расхода топлива от мощности двигателя 8ЧН13/14 при работе по газодизельному циклу в условиях нагрузочной характеристики

I

■Дл-А^ ==

Шй'^г ч

Щ 1 г -—

Рис. 12 - Агрегатирование и экспериментальные исследования трактора К-700А, оснащенного газобаллонным оборудованием с системой эжекционного впрыска топлива, в составе с плугом ПЛН-8-35 (вверху) и с сеялкой СЗС-2, ¡(внизу)

Результаты экспериментальных исследований представлены в табл. 2, 3, 4. Анализ результатов эксплуатационных исследований тракторных агрегатов показал, что трактор при работе по газодизельному циклу с системой распределенной подачи газообразного топлива способен развивать такую же крюковую мощность, как и при работе по дизельному циклу.

Таблица 2 - Результаты исследований трактора по дизельному циклу

Показатели трактора Агрегати эование

Плоскорез КПШ-9 Плуг ПЛН-8-35 Борона БН-3,2 Сеялка СЗС-2,1

Средняя частота вращения двигателя, мин-1 1700 1700 1700 1700

Усилие сопротивления с.-х. агрегата, кН 17,5 40 20 35

Часовой расход дизельного топлива, кг/ч 14,63 37,16 18,28 32

Фактическая скорость с.-х. агрегата, м/с 6 3,8 5,9 4,1

Мощность трактора «на крюке», кВт 101 152 116 145

Погектарный расход топлива, кг/га 5,4 19,4 7,4 6,1

Таблица 3 — Результаты исследований трактора по газодизельному циклу с системой распределенной подачи газообразного топлива

Показатели трактора Агрегати рование

Плоскорез КПШ-9 Плуг ПЛН-8-35 Борона БН-3,2 Сеялка СЗС-2,1

Средняя частота вращения двигателя, мин"1 1700 1700 1700 1700

Усилие сопротивления с.-х. агрегата, кН 17,5 40 20 35

Часовой расход дизельного топлива, кг/ч 7,3 7,05 7,17 7,15

Расход газообразного топлива, м3/ч 7,38 34,2 13,02 26,18

Фактическая скорость с.-х. агрегата, м/с 6 3,8 5,9 4,1

Мощность трактора «на крюке», кВт 101 152 116 145

Погектарный расход топлива, кг/га 5,4 21,5 7,9 6,3

Таблица 4 - Результаты исследований трактора по газодизельному циклу с системой центральной подачи газообразного топлива

Показатели Агрегатирование тракто ра

Плоскорез КПШ-9 Плуг ПЛН-8-35 Борона БН-3,2 Сеялка СЗС-2,1

Средняя частота вращения двигателя, мин 1 1700 1700 1700 1700

Усилие сопротивления с.-х. агрегата, кН 17,5 40 20 35

Часовой расход газообразного топлива, м7ч 8,18 38,43 14,42 31,6

Скорость с.-х. агрегата, м/с 6 3,8 5,9 4,1

Мощность трактора на крюке, кВт 101 152 116 145

Погектарный расход топлива, кг/га 5,43 23,7 8,4 7,0

Проведенные эксплуатационные исследования тракторных агрегатов подтвердили закономерность зависимости расхода топлива от крюковой мощности двигателя, работающего по газодизельному циклу, а также от способа подачи газообразного топлива, обеспечивающего возникновение эффекта эжекции. Использование системы распределенной подачи газообразного топлива по эжекционному принципу позволяет снизить запальную дозу дизельного топлива до 18 %, неравномерность дозирования топлива до 5 %, а расход газообразного топлива по сравнению с существующими образцами уменьшился на 20 %.

В пятом разделе «Совершенствование технического обслуживания тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием» представлены особенности их эксплуатации и технического обслуживания. Обладая явным преимуществом в сравнении с другими видами топлива, природный газ имеет и существенный недостаток -необходимость использования специальных баллонов, в которых газ хранится под высоким давлением.

Так как трактор оснащен газобаллонным оборудованием, включающим в себя от 18 до 24 баллонов массой в заправленном состоянии более 80 кг, возникает проблема в установлении соответствия стандартам:

- безопасности труда;

- норм воздействия трактора на почву;

- удобства и полноты технического обслуживания.

Теоретико-экспериментальное определение устойчивости трактора К-700А. Параметрами, регламентирующими возможность работы в данных условиях, являются предельные статические углы продольного и поперечного уклонов, при которых трактор может стоять в заторможенном состоянии. Эти углы служат определяющими для оценки продольной и поперечной его устойчивости. Требованиями ГОСТ 12.2.019-2005 «Система стандартов безопасности труда. Тракторы и машины самоходные сельскохозяйственные. Общие требования» регламентируются значения углов статической устойчивости не менее 35° для тракторов тяговых классов 0,9 и более.

Для обоснования возможности работы трактора, оснащенного газобаллонным оборудованием, необходимо определить предельно допустимые значения данных углов.

В общем случае на трактор, стоящий на уклоне, действуют сила тяжести трактора 0Т, реакции со стороны дороги на переднюю ЯП и

заднюю R3 оси. Кроме того, на трактор, оснащенный газобаллонным оборудованием для работы по газодизельному циклу, действует сила тяжести газобаллонного оборудования GE, установленного на заднюю полураму трактора. В связи с тем, что трактор К-700А выполнен по компоновке с шарнирно сочлененной рамой, при которой имеется возможность относительного поворота полурам (в горизонтальной плоскости до 35° и в поперечной вертикальной плоскости вокруг продольного шарнира до 16°), при определении предельных углов продольной и поперечной устойчивости необходимо знание массы передней и задней частей трактора, а также координат их центров тяжести. С этой целью были проведены соответствующие исследования, которые позволили определить указанные координаты:

- координаты центра тяжести передней полурамы трактора:

1цТ„ = 1566 мм; кцт„ = 1920 мм;

- координаты центра тяжести задней полурамы трактора:

1цтз = 1401 мм; Ьцт, = 871 мм.

Таким образом, проведенный эксперимент позволил определить геометрическое положение центров тяжести каждой полурамы. Это дает возможность рассматривать их при расчете устойчивости трактора на склонах как отдельные составляющие и учитывать особенности конструкции трактора с ломающейся рамой.

Для определения предельного угла подъема трактора рассматривали равновесие трактора, стоящего на подъеме (рис. 13).

Уравнение равновесия трактора относительно предполагаемой оси его опрокидывания трактора (точка О;) имеет вид:

XMOi(f;.) = 0: -G„-hG„ + G3-hC3 + GB-hG6+Rn-L = 0, (14)

где hG„, hC3 - плечи приложения сил тяжести передней, задней полурам трактора соответственно, м; Ада - плечо приложения силы тяжести газовых баллонов, м; Gn - сила тяжести передней полурамы трактора, Н; G3 - сила тяжести задней полурамы трактора, Н; Gn -сила тяжести газобаллонной аппаратуры, м; L - колесная база трактора, м; R„ - реакция со стороны платформы на переднюю ось, Н.

Рис. 13 - Схема к определению предельного значения угла подъема трактора

Из уравнения равновесия (14) получили выражение для определения предельного статического угла подъема трактора:

аИт = агс1ё °П '1цт" ~ °3 ' ^ ~ '1,1Тб , ' (15) & б ' Ьцтб Оэ • ИцТз Сп • ИцТп

Подставив в выражение значение массы баллонов СБ = О можно определить критический угол подъема трактора без баллонов. После подстановки численных значений получим следующие значения предельного угла подъема трактора:

- для трактора без газовых баллонов а1!т = 51,3 град;

- для трактора, оснащенного газовыми баллонами, а^ = 44,7 град.

Для определения предельного статического угла уклона

было рассмотрено равновесие трактора, установленного на уклоне (рис. 14).

Уравнение равновесия трактора относительно предполагаемой оси опрокидывания трактора (точка 02).

= 0: -Я3-Ь-Сп-кап+С3-ка^СБ-ЪаБ= 0, (16) где Я3 - реакция со стороны платформы на заднюю ось, Н.

Рис. 14 - Схема к определению предельного значения угла уклона трактора

После математических преобразований получаем выражение для определения предельного статического угла уклона:

анш = агс%--77; 7-7-•

•"ЦТ» + ■ Пщ3 + Ст/. • Нщъ

Подставив численные значения в выражение (17), получим предельный угол уклона:

- для трактора без газовых баллонов а'пт = 47,5 град;

- для трактора, оснащенного газовыми баллонами, «'¡т = 45,6 град.

Поперечная устойчивость трактора с шарнирной рамой рассматривается как устойчивость сочлененной системы. Основное влияние на поперечную устойчивость в данном случае оказывают характер сочленения секций и ограничения их взаимного перемещения, зависящие от шарнира.

Ограничители, блокирующие шарнир, допускают поворот одной секции относительно другой на определенный угол. С момента смыкания упоров трактор с шарнирной рамой можно рассматривать как одно целое.

Первоначально, когда у трактора имеется возможность относительного поворота полурам (за счет шарнира), следует рассматривать равновесие передней и задней полурам в отдельности (рис. 15).

Проведенный предварительный расчет поперечной устойчивости передней и задней полурам показал, что для передней полурамы предельный угол опрокидывания будет равен 28,8 град, а для задней -36,9 град.

Поэтому для определения предельного значения угла поперечной устойчивости (рКт) было рассмотрено такое положение трактора, когда передняя полурама повернется относительно задней до упора (т. е. на угол (рдоп = 8°). При этом трактор с этого момента рассматривали как одно целое. В этом случае уравнение моментов всех сил, действующих на трактор, относительно оси опрокидывания О':

= 0: В.ПР-В + Сп-НСп -Об-Ъ"Сб = 0, (18)

Рит

.(18)

где Кпр - реакция правого борта трактора, приходящаяся на заднее правое колесо, Н; , Ы0] и Ывв - плечи приложения сил тяжести

, С3 и СБ соответственно, м.

В момент начала опрокидывания реакция ЯПР = 0, причем значение угла р будет равно предельному значению угла поперечной устойчивости (3Ит. С учетом этого:

вп (0,5 В соб фдоя + кщ„ яш

ЦТз + ^Б^ЦТб

Подставив в выражение (18) значения соответствующих параметров, получим следующие значения предельных углов поперечного опрокидывания:

- для трактора без газовых баллонов = 36,9 град;

- для трактора, оснащенного газовыми баллонами Дт = 34,5 град.

Представим результаты определения углов продольной и поперечной статической устойчивости трактора виде столбчатых диаграмм, приведенных на рис. 16.

под

под ук „ Яцт ■ Щеп- йа , град 60•

4/7 20 О

| | - предельный статический угол подъема щт,

- предельный статический угол уклона КЯ - предельный статический поперечный угол

44,7

БазоЬый трактор

Трактор, оснащенный

Рис. 16- Углы продольной и поперечной статической устойчивости трактора

Таким образом, как видно из рис. 16, установка газобаллонного оборудования незначительно ухудшает устойчивость трактора, а в некоторых случаях (на уклоне) даже улучшает ее. При этом все параметры остаются соответствующими требованиям стандарта. Поэтому никаких противопоказаний к установке газобаллонного оборудования на трактор нет.

С целью подтверждения теоретических расчетов была разработана специальная методика и проведены экспериментальные исследования статических углов продольной и поперечной устойчивости трактора.

В основу этих исследований была положена методика, описанная в ГОСТ 12.2.002 - 91 и ГОСТ Р 51862-2002.

Для оценки предельных статических углов продольной и поперечной устойчивости использовалась металлическая платформа размером 8><4 метра, оснащенная проушинами по углам. Проушины предназначены для обеспечения возможности наклона платформы в продольном или поперечном направлениях при помощи кранового подвеса грузоподъемностью не менее 10 тонн; высота подъема- не менее семи метров.

Перед проведением исследований трактор подготавливался в соответствии с ГОСТ 12.2.002 - 91.

Для предотвращения скольжения колес трактора по платформе были предусмотрены соответствующие упоры.

Для исключения опрокидывания трактора при положениях платформы, когда угол продольной или поперечной устойчивости превысит соответствующее предельное значение, применены гибкие страховочные элементы (цепи), одним концом закрепляемые на платформе, а другим - на тракторе.

Значение угла наклона платформы оценивалось при помощи отвеса и деревянного щита размером 400x400 мм, на котором делались отметки горизонтального положения, а также соответствующего предельного угла наклона платформы.

Рис. 17 - Определение предельных статических продольных углов: а - предельного угла подъема; б - предельного угла уклона: 1 - платформа; 2 - боковая опора; 3 -противооткатный упор; 4 - страховочные цепи; 5 — крановый подвес; 6 - страховочный строп платформы; 7 — деревянный щит с отвесом

Для определения предельного угла подъема трактора необходимо на щите 7 (рис. 17, а) по отвесу зафиксировать горизонтальное положение платформы. После этого крановым подвесом 5 со стороны передней части трактора плавно поднимают платформу 1, при этом постепенно ослабляя страховочный строп платформы 6, наблюдая при этом за колесами трактора. В момент отрыва передних колес от платформы необходимо на щите с отвесом снова зафиксировать угловое положение платформы. Значение угла наклона платформы в момент отрыва передних колес трактора от платформы будет являться предельным углом подъема трактора. Эксперимент проводился три раза. За оценочный показатель принимали минимальный из полученных угол наклона платформы относительно горизонтальной плоскости, при котором происходит отрыв передних колес от платформы.

Рис. 18 - Определение предельного статического угла поперечного уклона трактора: 1 - платформа; 2 - боковая опора; 3 - противооткатный упор;

4 - страховочные цепи; 5 - крановый подвес; 6 - страховочный строп платформы; 7 - деревянный щит с отвесом

Аналогично определяют значение предельного угла опрокидывания трактора на уклоне. Отличие заключается в том, что подъем платформы осуществляется со стороны задней части трактора. Пери этом подъем платформы осуществляют до того момента, пока не произойдет отрыв задних колес трактора от платформы (рис. 17, б).

"777

Для определения предельного угла поперечной устойчивости платформу поднимают с правой и с левой сторон трактора. Подъем осуществляют до тех пор, пока не произойдет отрыв обоих колес (переднего и заднего) от платформы (рис. 18).

Так же, как и в случае определения углов продольной устойчивости, испытания проводились с троекратной повторяемостью, а за оценочный показатель принимают минимальный угол наклона платформы.

Как показали проведенные эксперименты, первоначально происходит отрыв от платформы передних колес, и лишь после этого происходит отрыв заднего колеса от платформы. Результаты проведенных экспериментов в сравнении с теоретическими данными представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Сводная таблица определения предельных статических углов продольной и поперечной устойчивости

Значение

без газобаллонного с газобаллонным

Наименование угла оборудования оборудованием

теорет., град эксперим., град 6,% теорет., град эксперим., град 8, %

1. Предельный угол подъема а,т 51,3 50 2,5 44,7 44 1,6

2. Предельный угол уклона 45,6 46 0,9 47,5 49 3,2

3. Предельный угол поперечной устойчивости 3;,„, 37 37 0 34,5 35 1,5

Определение степени уплотнения почвы. Эксплуатационная масса трактора К-700А составляет 12800 кг, и несомненно, установка баллонов с газом приводит к ее увеличению. Данное обстоятельство может негативно отразиться на степени воздействия движителей трактора, оснащенного газовым оборудованием, на почву. Так как у серийного трактора на заднюю ось приходится 4400 кг, то с установкой газовых баллонов этот параметр увеличивается до 7300 кг.

С целью определения воздействия движителей трактора К-700А, оснащенного газовым оборудованием (экспериментального,) были проведены сравнительные исследования плотности почвы после прохода серийного и экспериментального тракторов.

В ходе экспериментов было установлено, что после прохода движителей передней оси с внутренним давлением в шине 0,12 МПа

(рекомендуемая руководством по эксплуатации трактора К-700А) почва подвергается уплотнению до 20 % и дальнейшее воздействие движителей задней оси с разным давлением в шинах оказывается незначительным. При этом необходимо учесть, что наличие дополнительной массы на задней полураме увеличивает суммарную массу трактора, но при этом производит равномерное ее распределение по осям. Известно, что наименьшее воздействие на почву оказывает трактор с равномерным распределением массы по осям. Однако снижение давления в шинах менее 0,08 МПа может привести к проскальзыванию шины относительно обода, а его повышение до 0,18 МПа приводит к повышению плотности почвы.

Для минимизации воздействия движителей экспериментального трактора на почву необходимо, чтобы внутренне давление в шинах было равно 0,1 МПа. Это позволит по сравнению с серийным трактором повысить плотность почвы после прохода движителей не более чем на 2-2,5 %, что не превышает ошибку опыта. В результате можно сказать, что воздействие движителей серийного и экспериментального тракторов на почву одинаковое.

Совершенствование технологии технического обслуживания. При эксплуатации тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием, требуется проведение дополнительных операций по техническому обслуживанию, которые имеют свои особенности.

Для совершенствования технического обслуживания необходимо; определить показатели надежности газового оборудования и его влияние на работоспособность двигателя; разработать методику диагностирования параметров двигателя; предложить дополнительные операции технического обслуживания (при ЕТО, ТО-1, ТО-2, ТО-3, СО); разработать инструкцию по технике безопасности.

Надежность техники целесообразно обеспечить еще на стадии ее разработки. С этой целью в данной работе были проведены теоретико-экспериментальные исследования надежности предлагаемой системы питания дизельного двигателя газом для работы по газодизельному циклу.

По результатам наблюдений была определена вероятность безотказной работы системы питания двигателя газом (Р = 0,928) при наработке 700 часов.

Таким образом, надежность газобаллонного оборудования находится на достаточно высоком уровне. Это подтверждается проведенными эксплуатационными испытаниями.

Для диагностирования параметров двигателя предлагается методика, в основу которой положен принцип выявления отклонения выходных параметров работы диагностируемого двигателя от выходных параметров работы эталонного. При отклонении расхода топлива менее чем на 5 % от номинального требуется проведение обслуживания системы подачи газообразного и дизельного топлива, а так же настройки двигателя. Отклонение расхода топлива более чем на 5 % от номинального говорит о необходимости ремонта систем подачи газообразного и дизельного топлива.

При эксплуатации все данные, поступающие с датчиков в электронный блок управления, регистрировались программным комплексом «Тракторинжект», разработанной в ООО «ППП Дизельав-томатика». Сравнивая эти показатели с показателями работы эталонного дизеля, можно выявлять неисправности в работе экспериментального двигателя.

В шестом разделе «Расчет экономической эффективности при использовании тракторов с газобаллонным оборудованием» установлено, что при эксплуатации трактора тягового класса 50 кН (на примере К-700А) экономия за счет снижения расхода дизельного топлива в год на один трактор составила более 300 тыс. руб. Срок окупаемости дополнительных капиталовложений - около года.

Общие выводы

1. На основании анализа литературных источников, выполненных исследований, производственного опыта установлено, что тракторы, эксплуатируемые в сельскохозяйственном производстве и работающие по газодизельному циклу, требуют конструкторской доработки, определения эксплуатационных показателей, обоснования агротехнических требований, совершенствования технического обслуживания, установления соответствия стандартам безопасности.

2. Разработаны математические модели показателей работы тракторного дизеля при использовании системы распределенной подачи газообразного и дизельного топлива по эжекционному принципу, учитывающие параметры подачи топлива, такие как давление, скорость потока газообразного топлива, зависящая от частоты вращения коленчатого вала дизеля, его качественный и количественный состав, и показывающие, что применение эжекционного смесителя позволяет повысить мощность двигателя, снизить расход топлива.

При этом эффективная мощность при работе дизеля по дизельному или газодизельному циклам отличается незначительно. Полученные при помощи математических моделей данные подтверждены экспериментальными исследованиями; сходимость данных, полученных экспериментальным и теоретическим путем, составляет около 95 %.

3. Разработана, изготовлена и исследована новая система распределенной подачи газообразного топлива по эжекционному принципу, отличающаяся от существующих тем, что в воздушный коллектор установлены эжекционные смесительные устройства для каждого цилиндра двигателя (патенты на полезную модель № 105372; № 108491). Установлено, что трактор К-700А, оснащенный такой системой, имеет запальную дозу до 18-20 %, неравномерность дозирования топлива до 5 % и уменьшенный расход газообразного топлива по сравнению с существующими образцами на 20 %

4. Предложены аналитические выражения для определения устойчивости тракторов с шарнирно сочлененной рамой, оснащенных газобаллонным оборудованием. Новизна этих выражений заключается в том, что в них учитывается отличие трактора К-700А, имеющего шарнирно-сочлененную раму, которая до определенного момента ведет себя как две отдельные части. На основе полученных математических зависимостей рассчитано, что теоретический предельный статический угол подъема трактора с газовым оборудованием равен 44,7 град., без него - 51,3 град., предельный статический угол уклона - соответственно 49 и 45,6 град., предельный статический угол поперечной устойчивости - 35 и 37 град.

Результаты экспериментальных исследований показали, что расхождение экспериментальных и теоретических данных не превышает 3,5 %, что позволяет утверждать, что показатели устойчивости трактора, оснащенного газобаллонным оборудованием, соответствуют требованиям стандарта безопасности.

5. Исследования степени воздействия движителей трактора К-700А, оснащенного газобаллонным оборудованием, на почву показали, что наибольшему уплотнению подвергается почва на глубине 10-20 см. У серийного трактора (без газобаллонного оборудования) на заднюю ось приходится 4400 кг, а у экспериментального - 7300 кг, но при этом происходит равномерное распределение массы трактора по осям.

Для минимизации воздействия движителей экспериментального трактора на почву необходимо снизить давление в шинах до

0,1 МПа, что позволит уменьшить уплотнение почвы на 2-2,5 % относительно рекомендуемого давления 0,12 МПа.

6. Эксплуатационными исследованиями в производственных условиях определены показатели надежности тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием. При этом вероятность безотказной работы трактора К-700А составила 0,928 при наработке 700 мото-ч. Усовершенствована система технического обслуживания, учитывающая особенности системы подачи газообразного топлива в дизель. Использование в качестве топлива природного газа - метана требует безопасных условий труда оператора как при эксплуатации, так и проведении технического обслуживания, что учтено в предлагаемых рекомендациях по технике безопасности.

7. Установлено, что годовой экономический эффект при эксплуатации трактора К-700А составит более 300 тыс.руб. только за счет снижения расхода дизельного топлива.

Результаты теоретических и опытно-конструкторских разработок «Эжекционной системы распределенной подачи компримиро-ванного природного газа для работы по газодизельному циклу» приняты к внедрению ООО «ППП Дизельавтоматика» для разработки документации и серийного производства.

Рекомендации производству

1. Разработанная система распределенной подачи газообразного топлива по эжекционному принципу для работы дизелей по газодизельному циклу внедрена в ООО «Горизонт-С» и может использоваться как на вновь проектируемых, так и на уже существующих тракторных дизелях.

2. На постах технического обслуживания организовать рабочие места по переоборудованию тракторов для работы по газодизельному циклу и их техническому обслуживанию.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

Изданиях рекомендованных ВАК РФ

1. Володин, В.В. Результаты эксплуатационных испытаний трактора РТМ-160, работающего по газодизельному циклу [Текст] / Б.П. Загород-ских, В.В. Володин, Н.В. Осовин // Вестник Саратовского госагроунивер-ситета им Н.И. Вавилова. -2011. - №5. - С. 44-46.

2. Володин, В.В. Особенности техники безопасности и технического обслуживания тракторов, оснащенных газовым оборудованием [Текст] / Б.П. Загородских, В.В. Володин, И.Д. Нигматулин - С. 105-109. - (Труды / ГОСНИТИ; т. 107; ч. 1).

3. Устойчивость трактора РТМ-160 при работе в газодизельном цикле [Текст] / Б.П. Загородских, Ю.А. Коцарь, В.В. Володин, И.Д. Нигматулин // Транспорт на альтернативном топливе - М., 2011. - №3(21). - С. 45-47

4. Володин, В.В. Улучшение подачи компримированного газообразного топлива в тракторный двигатель [Текст] / Б.П. Загородских, Ю.А. Коцарь, В.В. Володин // Нива Поволжья - 2012. - №1(22). - С. 68-73.

5. Володин, В.В. Система подачи газа в двигатель [Текст] / Б.П. Загородских, В.В. Володин // Сельский механизатор. - 2012. - №2. - С. 4-5.

6. Володнн, В.В. Стендовые испытания системы эжекционной подачи подачи газообразного топлива в дизелях [Текст] / Б.П. Загородских, Е.В. Бе-бенин, В.В. Володин // Транспорт на альтернативном топливе - М., 2012. -№2(26). - С.17-19. (КБ №2073-1329)

7. Володин, В.В. Эжекционная система распределенной подачи газообразного топлива в дизельный двигатель [Текст] / В.В. Володин, Б.П. Загородских, Е.В. Бебенин // Известия Нижневолжского агроуниверситетско-го комплекса-2012. -№1(25).-С. 147-150.

8. Володин, В.В. Эжекционная система распределенной подачи газообразного топлива в дизель [Текст] / В.В. Володин, Б.П. Загородских, Е.В. Бебенин // Тракторы и сельхозмашины. - 2012. - №5, -С. 13-15.

9. Володин, В.В. Повышение эффективности применения газового топлива в тракторных двигателях сельскохозяйственного назначения, работающих по газодизельному циклу [Текст] / Б.П. Загородских, В.В. Володин, Н.В. Осовин // Вестник ФГБОУ ВПО «Московский государственный аграрный университет им. В.П. Горячкина» - М., 2012. - №2(53). - С. 75-77.

10.К вопросу диагностики работы топливной системы питания дизельных двигателей газообразным топливом при работе по газодизельному циклу [Текст] / В.В. Володин, Б.П. Загородских, Е.В. Бебенин, И.Д. Нигматулин .- М., 2012. - С. 52-58. - (Труды, ГОСНИТИ; т. 110; ч. 7).

П.Володин, В.В. Обоснование влияния формирования рабочей газовоздушной смеси в в газовых и дизельных двигателях [Текст] / В.В. Володин, В.В. Фурман, Е.В. Бебенин // АвтоГазоЗаправочный колмплекс + Альтернативное топливо: Международный научно- технический журнал. - М., 2012.-№2(63).-С. 18-20.

12.Володин, В.В. Выбор и обоснование газо-воздушного смесителя двигателя внутреннего сгорания [Текст] / В.В. Володин, Е.В. Бебенин // Грузовик и строительно-дорожные машины. - М., 2012. - №10. - С. 41-44.

13.Володин, В.В. Теоретическое обоснование применения эффекта эжекции в системах подачи газообразного топлива в двигатель и моделиро-

вание параметров его работы [Текст] / В.В. Володин // Вестник Саратовского госагроуниверситета им Н.И. Вавилова - 2012. - №11. - С. 48-50.

14.Володин, В.В. Использование газообразного топлива в тракторных двигателях сельскохозяйственного назначения [Текст] / В.В. Володин, Н.В. Осовин // Вестник Саратовского госагроуниверситета им Н.И. Вавилова. - 2012. - №12. - С. 408-410

15.Володин, В.В. Обоснование снижения неравномерности подачи газа в цилиндры двигателя при работе по газодизельному циклу [Текст] / В.В. Володин, Н.В. Осовин // Научное обозрение. - 2012. - №5. - С.

Патенты

16.Пат. №105372 Российская Федерация МПК: Г02М, Система распределенного эжекционного впрыска газообразного топлива/Володин В.В., Загородских Б.П., Бебенин Е.В.приоритет 21 декабря 2010, бюл №16 от 10.06.2011г.

17.Пат. №108491 Российская Федерация МПК: Ж02В Устройство эжекционной подачи топлива в двигатель/ Володин В.В., Загородских Б.П., Бебенин Е.В. приоритет от 21 декабря 2010г., бюл. №26 от 20.09.2011г.

18.Заявка № 2011140816 Российская федерация. Газовый коллектор./ Володин В.В., Загородских Б.П., Бебенин Е.В. Осовин Н.В./ решение о выдаче 05.05.2012 г.

материалах конференций и семинаров

19. Володин, В.В. Автономное энергообеспечение в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции [Текст] / В.В. Володин, В.А. Глухарев, А.К. Тверской // Энергоресурсоэффективность, энергосбережение. Сб. науч. работ 9-го Международного симпозиума. - Казань, 2008. - С. 126-129.

20. Володин, В.В. Энергоэлектросбережение предприятий АПК на основе автономных предприятий АПК на основе автономных источников энергии [Текст] / В.В. Володин, В.А. Глухарев, А.К. Тверской // Актуальные проблемы энергетики АПК: материалы Международной науч,-практической конф. ФГОУ ВПО Саратовский ГАУ. - Саратов, 2010. - С. 110-113.

21. Володин В.В. Особенности использования природного газа в качестве моторного топлива [Текст] / В.В. Володин, Е.В. Бебенин, А.Г. Махот-кин // Энергосбережение в Саратовской области. - 2011. - №1(43). - С. 36-37.

22.Определение компоновочной схемы трактора РТМ-160 работающего по газодизельному циклу [Текст] / Ю.А. Коцарь, Б.П. Загородских, В.В. Володин, И.Д. Нигматулин // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания: материалы межгос. науч.-техн. семинара. -Саратов. - 2010. - С. 41-44.

23. Расчет устойчивости трактора РТМ-160, работающего по газодизельному циклу [Текст]/ Ю.А. Коцарь, Б.П. Загородских, В.В. Володин,

И.Д. Нигматулин // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания: матер, межгос. науч.-техн. семинара. - Саратов. -2010.-С. 44-47.

24. Володин, В.В. Обоснование экономической эффективности работы трактора на газообразном топливе [Текст] / В.В. Володин, Е.В. Бебенин, Н.В. Осовин // Научное обозрение. - 2011. - №1. С. 57-63.

25. Володин, В.В. Создание системы для применения различных видов газообразного топлива [Текст] / В.В.Володин, Е.В. Бебенин // Саратов-АГР0.2011: материалы научно-практической конференции 2 специализированной выставки; Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова. - Саратов, 2011. -С. 125-127.

26. Володин, В.В. Повышение эффективности системы газодизелей [Текст] / В.В.Володин, Н.В. Осовин // Саратов-АГР0.2011: материалы научно-практической конференции 2 специализированной выставки; Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова. - Саратов, 2011. -С.151-153.

27. Володин, В.В. Диагностика работы топливной системы питания двигателей газообразным топливом при работе по газодизельному циклу на примере трактора РТМ-160 [Текст] / Б.П. Загородских, В.В. Володин // Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин: сб. науч. тр. Сарат. гос. техн. ун-та. - Саратов, 2011. - С. 74-89.

28. Володин, В.В. Обоснование газовоздушного смесителя двигателя внутреннего сгорания [Текст] / В.В. Володин, Е.В. Бебенин, Н.В. Осовин // Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники : матер. Междунар. науч. -техн. семинара им. В.В. Михайлова.- Саратов, 2012. -Вып. 25. - С.44-46

29. Володин, В.В. Результаты применения газообразного топлива при выполнении основных сельскохозяйственных работ [Текст] / В.В. Володин, Е.В. Бебенин // Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования: сб. науч. тр. С-Петербургского ГАУ. - СПб, 2012. - С. 308-310.

30. Володин, В.В. Испытания газообразного топлива в тракторных двигателях сельскохозяйственного назначения [Текст] / В.В. Володин, Н.В. Осовин // Аграрная наука - основа успешного развития АПК и сохранения экосистем: матер. Междунар. науч.-практ. конф., - Волгоград, 2012. - Т. 2. - С. 214-246.

31. Володин, В.В. Результаты эксплуатационных испытаний эжекци-онной системы распределенной подачи газообразного топлива в двигатель [Текст]/ В.В. Володин // Проблемы эксплуатации и ремонта автотракторной техники: матер. Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 100-летию со дня рождения Г. П. Шаронова. - Саратов. - 2012. - С. 49-53.

32. Володин, В.В. Изменение плотности почвы после прохода трактора К-701 с газовым оборудованием [Текст] / В.В. Володин, Н.В. Осовин, A.B. Русинов // Проблемы эксплуатации и ремонта автотракторной техни-

ки: матер. Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 100-летию со дня рождения Г. П. Шаронова. - Саратов. - 2012. - С. 135-138

33. Володин, В.В. Методика определения устойчивости трактора К-700А, оснащенного оборудованием для работы по газодизельному циклу / C.B. Абрамов, В.В. Володин, Б.П. Загородских // Проблемы эксплуатации и ремонта автотракторной техники: матер. Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 100-летию со дня рождения Г. П. Шаронова. - Саратов. -2012.-С. 13-16.

34. Володин, В.В Использование программного обеспечения при диагностировании работы двигателя по газодизельному циклу при проведении эксплуатационных испытаний / В.В. Володин, И.Д. Нигматулин // Проблемы эксплуатации и ремонта автотракторной техники: матер. Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 100-летию со дня рождения Г. П. Шаронова. - Саратов. - 2012. - С. 53-56.

35. Володин, В.В Результаты эксплуатационных испытаний эжекцион-ной системы распределенной подачи газообразного топлива в двигатель / В.В. Володин // Проблемы эксплуатации и ремонта автотракторной техники: матер. Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 100-летию со дня рождения Г. П. Шаронова. - Саратов. - 2012. - С. 49-53.

36. Володин, В.В. Перевод тракторов для работы по газодизельному циклу: рекомендации производству [Текст] / В.В. Володин, Б.П. Загородских // - Саратов, 2012. - 20 с.

Подписано в печать 10.01.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать RISO. Объем 2,5 печ. л.

Тираж 100 экз. Заказ № 056._

Отпечатано с готового оригинал-макета Центр полиграфических и копировальных услуг Предприниматель Серман Ю.Б. Свидетельство № 3117 410600, Саратов, ул. Московская, д.152, офис 19, тел. 26-18-19, 51-16-28

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова»

На правах рукописи

05201350721

Володин Виктор Владимирович

Повышение эффективности использования газобаллонных тракторов совершенствованием системы подачи газообразного топлива

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Загородских Б.П.

Саратов - 2013г.

Оглавление

Введение 4

1 Состояние проблемы 11

1.1 Обоснование применения альтернативных топлив в дизелях 11

1.2 Анализ существующих систем газодизельных двигателей. 32

1.3 Выводы по разделу 52

2 Теоретическое обоснование параметров системы распределенной подачи газообразного топлива по эжекционному принципу 54

2.1 Анализ основных параметров дизеля 8ЧН13/14 55

2.2 Тепловой расчет дизеля 57

2.3 Теоретическое обоснование влияния эффекта эжекции

на изменение давление заряда на впуске 64

3 Программа и методика проведения исследований 96

3.1 Методика лабораторных исследований 97

3.2 Методика стендовых исследований 98

3.3 Методика эксплуатационных исследований 113

4 Система подачи газообразного топлива по эжекционному принципу и результаты экспериментальных исследований 117

4.1 Устройство и работа системы подачи газообразного

топлива по эжекционному принципу 117

4.2 Результаты лабораторных исследований 154

4.3 Результаты стендовых исследований двигателя 8ЧН13/14 оснащенного эжекционной системой подачи газообразного топлива по эжекционному принципу 158

4.4 Результаты эксплуатационных исследований трактора К-700А оснащенного системой подачи газообразного топлива по эжекционному принципу 166

4.5 Определение поцилиндровой неравномерности подачи газообразного топлива в двигатель 182

5 Совершенствование технического обслуживания

тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием 187

5.1 Теоретико-экспериментальное определение устойчивости трактора К-700А, оснащенного газобаллонным оборудованием 187

5.2 Определение степени воздействия движителей

трактора К-700А на почву 210

5.3 Определение показателей надежности системы подачи газообразного топлива по эжекционному принципу 213

5.4 Совершенствование технологии технического обслуживания тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием 221

5.4.1 Диагностика тракторов оснащенных газобаллонным оборудованием 226

5.4.2 Рекомендации по технике безопасности 229

6 Расчет экономической эффективности при использовании тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием 236

7 Основные выводы 243

8 Литература 246

9 Приложения 269

Введение

Актуальность темы. На долю сельскохозяйственной техники, работающей в основном на минеральном дизельном топливе, приходится более 40 % общего его потребления. При этом расходы на топливо достигают 50 % в себестоимости сельскохозяйственной продукции. В связи с этим перевод сельскохозяйственной техники для работы на более дешевом альтернативном топливе - природном газе метане - позволит повысить эффективность сельскохозяйственного производства. Тем более, что Россия занимает первое место в мире по его запасам.

Наиболее простым и приемлемым для сельского хозяйства способом перевода дизеля для работы на газообразном топливе является использование газодизельного цикла, так как это не требует значительных изменений конструкции двигателя, сохраняется серийная топливная аппаратура и способность работать как на дизельном топливе, так и на его смеси с компримированным (КПГ) или сжиженным природным газом.

Степень разработанности темы. В настоящее время существуют только опытные образцы тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием, двигатели которых работают по газодизельному циклу и имеют ряд недостатков: запальная доза дизельного топлива чаще всего остается постоянной независимо от режимов работы двигателя и изменяется от тридцати до сорока процентов; значительная неравномерность дозирования газообразного топлива по цилиндрам; высокая инерционность агрегатов систем питания; недостаточная надежность механических регуляторов давления. Поэтому данный вопрос требует дальнейших конструкторских разработок, определения эксплуатационных показателей тракторов, обоснования агротехнических требований, установления соответствия стандартам безопасности и совершенствования технического обслуживания.

В связи с этим, исследование, направленное на повышение эффективности использования тракторов, оснащенных газобаллонным

оборудованием путем совершенствования подачи газообразного топлива по эжекционному принципу, которая не только регулирует подачу газообразного и дизельного топлива, но и оптимизирует их соотношение в соответствии со скоростными и нагрузочными режимами работы двигателя, является актуальной задачей. Исследования выполнены в соответствии с планом комплексных мероприятий по переводу автомобильной, тракторной и сельскохозяйственной техники на природный газ на территории Саратовской области на 2011-2015 гг., приоритетными направлениями развития ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» № 01201151795 от 09.02.2011 г. «Модернизация инженерно-технического обеспечения АПК» по теме «Проведение научных исследований по повышению надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве», а также согласно договору с ассоциацией «Аграрное образование и наука» (г. Саратов, 2010-2012 г.).

Актуальность темы исследований подтверждена поручением президента Российской Федерации от 18.10.2004 г. Пр. № 1686 ГС «Комплексная программа по стимулированию перевода сельскохозяйственной техники на газомоторное топливо», поручением Правительства РФ от 19.08.2011 г. № ВЗ-П11-5884 «Проект предложений о техническом перевооружении сельскохозяйственной техники в части перехода на использование газомоторного топлива».

Цель работы - повышение эффективности использования тракторов, оснащенных двигателями, работающими по газодизельному циклу, совершенствованием системы подачи газообразного топлива и их технического обслуживания.

Задачи исследования:

1. Обосновать пути совершенствования топливной системы дизелей, работающих по газодизельному циклу.

2. Разработать модели показателей работы тракторного дизеля при использовании системы распределенной подачи газообразного и дизельного топлива по эжекционному принципу.

3. Разработать, изготовить и исследовать в лабораторных и эксплуатационных условиях систему распределенной подачи газообразного топлива по эжекционному принципу.

4. Усовершенствовать методику определения устойчивости тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием, теоретически рассчитать и экспериментально подтвердить показатели устойчивости.

5. Оценить соответствие трактора, оснащенного газобаллонным оборудованием, агротехническим требованиям по уплотнению почвы.

6. Разработать мероприятия по совершенствованию технического обслуживания тракторов с газобаллонным оборудованием и определить показатели их надежности.

7. Провести экспериментальные исследования тракторов в производственных условиях с предлагаемой системой подачи газообразного топлива и определить экономический эффект от ее использования.

Объект исследования - процесс подачи газообразного топлива

тракторов тягового класса 50 кН, оснащенных газобаллонным оборудованием, двигатели которых работают по газодизельному циклу.

Предмет исследования - технико-экономические показатели дизеля и эксплуатационные показатели трактора при выполнении с. - х. работ.

Научная проблема заключается в научном обосновании новой системы распределенной подачи газообразного топлива по эжекционному принципу, улучшающей эксплуатационные показатели тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием.

Научную новизну работы представляют:

- показатели работы тракторного дизеля при использовании системы распределенной подачи газообразного и дизельного топлива по эжекционному принципу;

- аналитически обоснованные параметры системы и устройства эжекционной системы подачи газообразного топлива в двигатель;

- аналитические выражения для определения устойчивости тракторов с шарнирно-сочлененной рамой, оснащенных газобаллонным оборудованием;

технико-экономические показатели дизеля, работающего по газодизельному циклу, оснащенного системой распределенного эжекционного впрыска газообразного топлива.

Теоретическая и практическая значимость работы:

Показатели работы тракторного дизеля при использовании системы распределенной подачи газообразного и дизельного топлива по эжекционному принципу подтверждают возможность снижения запальной дозы до 18 %, неравномерности дозирования топлива до 5 % и уменьшить расход газообразного топлива по сравнению с существующими серийными образцами на 20 %.

Предложенные аналитические выражения для определения устойчивости тракторов с сочлененной рамой и проведенные экспериментальные исследования показали, что тракторы, оснащенные газобаллонным оборудованием, соответствуют требованиям стандарта безопасности.

Разработанная нормативно-техническая документация системы распределенной подачи газообразного топлива по эжекционному принципу позволяет на стадии проектирования определить эксплуатационные характеристики трактора. Материалы для внедрения переданы в КБ по топливной аппаратуре ООО «ППП Дизельавтоматика».

Предлагаемые рекомендации по техническому обслуживанию и технике безопасности при работе на тракторах, оснащенных газобаллонным оборудованием, способствуют повышению эксплуатационной надежности.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием известных положений теории двигателя внутреннего сгорания и эксплуатации МТП, а также законов механики, гидравлики и теории вероятности, позволяющих определить технико-экономические показатели дизеля и эксплуатационные показатели трактора.

Экспериментальные исследования выполнены в соответствии со стандартными методиками моторных и эксплуатационных исследований, а также разработанных новых частных методов исследования.

Основные положения, выносимые на защиту:

- показатели работы тракторного дизеля при использовании системы распределенной подачи газообразного и дизельного топлива по эжекционному принципу в зависимости от качественных показателей подачи и состава углеводородного топлива;

теоретическое обоснование повышения эффективности использования тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием, за счет снижения расхода дизельного топлива при выполнении с. - х. работ;

- комплекс показателей, оценивающих эффективность использования газобаллонных тракторов;

- результаты теоретического и экспериментального определения предельных статических углов продольного и поперечного уклонов, характеризующих устойчивость тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием;

- технико-экономические показатели дизеля и эксплуатационные показатели трактора с переоборудованной системой подачи газообразного топлива в двигатель по эжекционному принципу в составе МТА при выполнении с. - х. работ.

Степень достоверности и апробация результатов. Обеспечена сходимость теоретических и экспериментальных данных, подтвержденных теоретическими исследованиями и практической реализацией разработки в лабораторных, стендовых и производственных условиях. Математические модели параметров подачи газообразного и дизельного топлива разработаны на основе известных положений теории двигателей и согласуются с опубликованными данными других исследований.

Разработанная система эжекционного впрыска газообразного топлива в двигатель используется на тракторах К-700А в ООО «Горизонт-С» Саратовской области.

Техническая документация системы подачи газообразного топлива принята к внедрению и используется в ООО «111ИI Дизельавтоматика» г. Саратов.

Основные научные положения, выводы и практические рекомендации диссертации доложены и одобрены на:

- научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» (г. Саратов, 2011-2012 гг.);

- Международной научно-технической конференции «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (г. Москва, 2010-2011 гг.);

- Международной научной сессии «Инновационные проекты в области агроинженерии» (г. Москва, 2011 г.);

- постоянно действующем научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания (г. Саратов, 2010-2012 гг.);

- Международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение АПК» (г. Саратов, 2011 г.);

- научно-практической конференции 2-й специализированной агропромышленной выставки «Саратов-АГРО. 2011» (г. Саратов, 2011 г.);

- постоянно действующем семинаре «Чтения академика ВАСХНИЛ В.Н. Болтинского», Московский ГАУ (г. Москва, 2012 г.);

- Международной практической конференции «Аграрная наука - основа успешного развития АПК и сохранения экосистем», Волгоградский ГАУ (г. Волгоград, 2012 г.);

- научной конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского ГАУ (г. Пушкин, 2012 г.);

- заседании круглого стола «Научно-инновационное обеспечение агропромышленного комплекса», Саратовский ГАУ (г. Саратов, 2012 г.);

- Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Г.П. Шаронова «Проблемы эксплуатации и ремонта автотракторной техники», Саратовский ГАУ (г. Саратов, 2012 г.).

По результатам исследований опубликовано 36 работ, в т.ч. 15 статей в изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки РФ, 3 патента на

полезную модель. Общий объем публикаций - 12,25 л., из которых 7,9 л. принадлежат соискателю.

1. Состояние проблемы 1.1.Обоснование применения альтернативных топлив в дизелях

В настоящее время в мире ежегодно добывается около 3 млрд. т. нефти. При сохранении такого уровня добычи нефти ее запасов может хватить на 50 лет. Причем, из-за роста спроса на нефть будет непрерывно расти ее дефицит, который к 2025 г. достигнет 16 млн. баррелей в день (рис. 1.1) [8].

В настоящее время в России ежегодно потребляется около 100 млн. тонн моторных топлив, производимых из нефти. При этом техника, оснащенная двигателями внутреннего сгорания, является одной из основных потребителей нефтепродуктов и вероятно останется главным потребителем моторных топлив на период до 2040...2050 гг. В ближайшей перспективе ожидается увеличение потребления нефтепродуктов при примерно постоянных объемах их производства и нарастающем дефиците моторных топлив. Эти факторы обуславливают необходимость реконструкции топливно-энергетического комплекса путем более глубокой переработки нефти, применения энергосберегающих технологий, перехода на менее дорогостоящие виды топлив. Поэтому одним из основных путей совершенствования двигателей внутреннего сгорания, остающихся основными потребителями нефтяных топлив, является их адаптация к работе на альтернативных топливах. Использование на транспорте различных альтернативных топлив обеспечивает решение проблемы замещения нефтяных топлив, значительно расширит сырьевую базу для получения моторных топлив, облегчит решение вопросов снабжения топливом транспортных средств и стационарных установок. Возможность получения альтернативных топлив с требуемыми физико-химическими свойствами позволит целенаправленно совершенствовать рабочие процессы дизелей и тем самым улучшить их экологические и экономические показатели. Продолжительное время отечественный топливно-энергетический комплекс использовал энергоносители преимущественно нефтяного происхождения. Однако в последние годы наметилась тенденция к снижению роли нефти и нефтепродуктов в российской экономике. Это объясняется снижением

темпов роста добычи нефти, вызванным выработкой крупных месторождений, незначительным вводом в эксплуатацию новых месторождений, заметным сокращением инвестиций в поисково-разведочные работы, отсутствием эффективных технологий добычи, обеспечивающих высокую отдачу нефтяных пластов. Поэтому ожидаемый подъем национальной экономики неизбежно будет сопровождаться дефицитом нефти и нефтепродуктов, что создает предпосылки к более широкому использованию других энергетических ресурсов. Топливно-энергетический комплекс Российской Федерации традиционно был ориентирован на имеющиеся богатые месторождения полезных ископаемых. На протяжении всего XX века отечественная экономика базировалась на трех основных энергоносителях: нефти, угле и прир�