автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Способ и устройство для снижения токсичности тракторного дизеля при выполнении механизированных работ в теплицах

На правах рукописи

т од

1 3 иш 2X3

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ токсичности ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ

РАБОТ В ТЕПЛИЦАХ

Специальность 05.20.01 -механизация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рязань - 2000

Работа выполнена на кафедрах «Автомобили и тракторы» и «Механизация животноводства» Рязанской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора П.А.Костычева.

Научные руководители: заслуженный деятель науки и техники Российской

Федерации, доктор технических наук, профессор Некрашевич В.Ф.:

кандидат технических наук, доцент Лунин Е.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, заведующий лабораторией

ВНИМС Макаров В.А.:'

кандидат технических наук, доцент Барковский Ю.Б.

Ведущее предприятие - Центральное опытное ироектно-конструкторское и

технологическое бюро ГОСНИТИ.

Защита состоится « А » С* <-о 2000 года на заседании

диссертационного совета Д.120.09.01 при Рязанской государственной сельскохозяйственной академии по адресу: 390044. г.Рязань. ул.Костычева. д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рязанской государственной сельскохозяйственной академии.

Автореферат разослан « О » <5^ о^ 2000 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Угланов М.Б.

1. Общая характеристика работы

1.1. Актуальность темы. Поршневые двигатели внутреннего сгоранш (ДВС). являющиеся основной энергетической базой сельского хозяйства потребляют большую часть горюче-смазочных материалов и нанося-значительный ущерб окружающей среде выбросами с отработавшими газами (ОГ токсичных компонентов.

Экономическая ситуация, сложившаяся в России, требует от объекте! хозяйственной деятельности сокращения расходов и увеличения прибыли, поэтом} предприятиям важно использовать и такие разработки, применение которы> позволит сократить платежи, снижать себестоимость продукции и увеличивал прибыль. Особенно энергоемким в сельском хозяйстве считается производств!, овощей в зимних условиях в теплицах. Однако их производство необходимо I связи с тем, что овощи в России зимой - один из основных источников витаминш для населения.

Актуальной становится проблема снижения дымности и токсичное и отработавших газов (ОГ) дизельных двигателей мобильных энергетически.' средств, широко использующихся при проведении энергоемких работ I помещениях ограниченного объема и воздухообмена. Поэтому возрастающее внимание уделяется поискам технических решений, снижающих загрязнешь атмосферы помещений выхлопом двигателей и их модернизацией при сохраненш высоких экономических показателей. Особая необходимость существует I снижении содержания наиболее вредных компонентов в ОГ: оксидов азота I дизельной сажи.

1.2. Цель и задачи исследований. Улучшение условий труда обслуживающе го персонала и повышение качества производимой сельскохозяйственно! продукции путем обогащения воздушного заряда на впуске присадко{ сжиженного газа, как метода снижения токсичности дизельного двигателя.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- проанализировать динамику состояния атмосферы теплицы пр1 выполнении механизированных работ и ее загрязнения токсичным! компонентами выхлопа;

- определить уровень вентиляции теплицы с целью поддержания е< атмосферы токсичными компонентами на уровне предельно-допустимы: концентраций (ПДК);

- разработать конструктивно-технологическую схему системы обогащени: воздушного заряда на впуске ДВС присадкой сжиженного нефтяного газ; и обосновать параметры и режимы ее работы;

- выявить влияние системы обогащения воздушного заряда присадко! сжиженного газа на токсичность, дымность ОГ и технико-экономически> показатели;

- провести производственные испытания трактора с системой подачи дву: видов топлива при его эксплуатации в теплице;

- разработать рекомендации по обеспечению санитарного состояни: атмосферы теплицы на допустимом уровне;

- экономически обосновать необходимость внедрения предлагаемо! системы в производство.

1.3. Объект исследований. Атмосфера теплиц ОАО «Тепличный комбинат» орода Рязани при выполнении в них энергоемких работ тракторами Т-25А; (изель Д-21А с топливной системой .модернизированной для обогащения юздушного заряда на впуске присадкой сжиженного газа.

1.4. Методика исследований. Решение конкретных задач для достижения юставленной цели осуществлялось:

- обобщением предшествующих работ;

- теоретическим анализом параметров и характеристик токсичности:

- проведением обширных экспериментальных исследований с использованием стандартных и оригинальных методик, современных измерительных приборов, теории планирования эксперимента.

Обработка экспериментальных данных осуществлялась с применением современных программ на ПЭВМ ЮМ РС.

1.5. Научная новизна. Предложен метод анализа состояния и динамического «аимодействия атмосферы теплицы с выбросом токсичных веществ выхлопом факторного дизеля. Составлена математическая модель влияния величины грисадки сжиженного газа на показатели токсичности и дымности ОГ дизеля. Математически обоснована оптимальная величина присадки сжиженного газа, 'азработана система для подачи двух видов топлива. Разработаны конкретные эекомендации по поддержанию в теплицах допустимого уровня концентрации токсичных веществ тракторного дизеля при выполнении энергоемких механизированных работ.

1.6. Реализация работы. По результатам исследований была разработана газоподагощая аппаратура, которая прошла производственные испытания при выполнении энергоемких механизированных операций в ОАО «Тепличный <омбинат» Рязанского района Рязанской области и при проведении транспортных забот внутри цехов и складских помещений АО «Рязанский станкостроительный 5авод».

1.7. Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональной научно-практической конференции «Вклад молодых ученых и специалистов в интенсификацию производства и перестройку работы АПК» в 1990г. в г.Казани, Санкт-Петербургском государственном аграрном университете в 1988-1992гг„ на Всесоюзной конференции «.Альтернативные топлива в ДВС» в г.Вятка в 1988г.. на 10-й научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья в г.Чебоксары в 1998г. Опытный макетный образец трактора, оборудованный модернизированной системой питания, неоднократно демонстрировался на выставке НТТМ г.Рязани и результаты исследования докладывались в 1988-2000 годах.

1.8. Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 15 научных работах.

1.9. Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и рекомендаций производству, списка используемой литературы из && наименований и приложений. Работа изложена на страницах машинописного текста, содержит рисунков и ({таблиц.

2. Содержите работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и приведены положения, выносимые на защиту. 4

2.1. В первом разделе «Состояние вопроса и задачи исследования» дар обзор и анализ состояния исследуемой проблемы. Показано, что выполнение энергоемких механизированных работ в теплицах тракторами приводит I нарушению санитарного состояния воздушной среды теплиц, что отрицателык сказывается на производительности труда, здоровье людей и полноценнох развитии растений. Приведены данные о содержании в ОГ токсичных веществ 1 их действие на организм человека и растения. Показано, что наиболее вредным! токсичными веществами ОГ являются оксиды азота и дизельная сажа.

Значительный вклад в установление закономерностей образована конечных продуктов сгорания и их распространения в окружающей среде внесе! работами: Я.Б.Зельдовича, В.И.Смайлиса. В.АЗвонова, И.П.Варшавского А.Г.Сахарова, В.А.Лиханова, И.Е.Либерова, В.М.Умерова и других авторов.

В то же время анализ современных исследований по применению способо1 и локальных средств механизации для устранения влияния токсичны: компонентов ОГ на обслуживающий персонал и растения теплиц позволяе сделать вывод о том, что существующие методы уменьшения вредных выбросо! дизелей имеют ряд недостатков, что препятствует их широкому применению.

Основываясь на сделанных выводах, сформулирована цел! диссертационной работы и поставлены основные задачи исследования.

2.2. Во втором разделе «Экспериментальное определение состояни: микроклимата в помещениях теплиц при проведении энергоемки: сельскохозяйственных операций» изложена программа, методика и результать экспериментального определения параметров микроклимата теплицы пр! проведении энергоемких работ по основной обработке тепличного грунта. I частности определялась степень загрязнения воздушной среды атмосферы теплиць вредными веществами (ВВ), содержащимися в ОГ ДВС трактора.

В качестве объекта исследования были приняты типовые двухскатньг теплицы площадью 1 га со средней высотой Зм ОАО «Тепличный комбинат) Рязанской области. Всего комбинат располагает тремя тепличными блокам! общей площадью 18 га.

В ходе исследований решались задачи по изменению воздухообмена ] теплице путем ее естественной вентиляции и определялись соответствующим! типовыми приборами температура воздуха, его относительная влажность атмосферное давление; скорость движения воздуха; содержание в воздушной сред оксидов азота, оксида углерода, суммы углеводородов.

Отбор проб воздуха велся двумя аспираторами одновременно по каждом; веществу, содержащемуся в воздушной среде атмосферы теплиц. Состояни воздушной среды контролировалось: на содержание оксидов азота фотометрическим методом, содержание оксида углерода н суммы углеводородов хроматографическим методом.

Для четкого представления динамики изменения концентрации ВВ ] воздушной среде атмосферы теплиц нарабатывалась токсичная атмосфера 1 делались соответствующие замеры, результаты которых представлены в таблице 1

Таблица 1. Динамика изменения состояния атмосферы теплицы без вентиляции.

Наименование вредных веществ ПДК, мг/м3 Концентрация до начала работы, мг/м3 Концентрация через 1 час работы, мг/м3 Концентрация после 3-х часов работы, мг/м3 Превышение ПДК. раз Достижение ПДК при вентиляции. ч

Оксиды азота 0.085 0.0004 0.273 0.906 10.7 6

Оксид 5.000 0 6.5 14.020 2.8 2.4

углерода

Сумма 1.000 0 4.21 11.600 11.6 6

углеводородов

Из данных, приведенных в таблице 1, видно, что при выполнении энергоемких механизированных работ в теплице естественная вентиляция не обеспечивает требуемый воздухообмен. Для подтверждения этого, опираясь на данные таблицы 1 и предположив, что скорость уменьшения вредного вещества пропорциональна его концентрации в воздушной среде теплицы в данный момент времени, процесс снижения концентрации ВВ в воздушной среде можно описать законом

йСг

= -ЪСг

ск

(1)

где а - текущее значение концентрации ВВ в воздушной среде теплицы, мг м3:

t - текущее время, ч:

Ъ - опытный коэффициент. Преобразовав выражение (1). с учетом данных таблицы 1, получим формулу для определения времени, по истечении которого концентрация ВВ в воздушной среде теплицы будет равна предельно допустимой концентрации (ПДК)

(2)

где

а

о - начальное значение концентрации ВВ в воздушной среде теплицы. , / з,

С - ПДК вредного компонента в воздухе теплицы.

Так, в частности, произведенные расчеты по оксидам азота показали, что ПДК достигается через t = 5.4 часа, что отличается от результатов опытов на 7°о.

2.3. В третьем разделе «Теоретические предпосылки к обоснованию метода снижения токсичности и дымности отработавших газов тракторных дизелей» дан теоретический анализ динамики состояния вентилируемой атмосферы теплицы при выполнении в ней энергоемких операций по обработке тепличных гру нтов. Условия возможности применения тракторов при работе в теплицах с различной степенью интенсивности естественной вентиляции выражается:

где [С] - ПДК 1 -го вредного компонента в воздухе теплицы: •б, - выделение г -го вредного компонента дизеля; Оь - объем воздуха, в котором распространяются ВВ в единицу времени.

Это выражение справедливо при следующих допущениях:

- параметры воздушного потока и интенсивность выделения вредных веществ дизелем не изменяется во времени;

- скорость диффузии отработавших газов в атмосфере теплицы бесконечно большая во всех направлениях;

- вредное вещество распространяется в объеме равномерно.

Концентрация вредного вещества в зоне загрязнения будет определяться выражением:

с-с-3

кг

где В0 - количество вредного вещества, выделенного дизелем:

С0 - начальное содержание вредного вещества в воздухе. Количество, вредного вещества, выделяющегося при работе дизельного двигателя, определяется по формуле:

В0=СгЫ2, ' (5)

где С. - концентрация рассматриваемого токсичного компонента в ОГ;

Л/,

- количество отработавших газов. Количество отработавших газов у четырехтактных безнадувных дизельных двигателей приближенно можно определить из выражения:

М2«(0.021..0.025)-М;,-" , (б)

где / - число цилиндров двигателя; ^ „ - рабочий объем цилиндра: 11 - частота вращения коленчатого вала двигателя. Учитывая уравнение 5 и уравнение б, выражение 4 примет вид:

/•!'■»■ С г ,

С0+ОЖ\-^~1<[С\, (7)

где / - время работы трактора.

Выражение 7 справедливо тогда, когда во время работы трактора отсутствует поступление свежего воздуха в теплицу.

При выполнении энергоемких работ в теплицах, как правило, в них открыты вентиляционные фрамуги, т.е. работает естественная вентиляция с кратноетыс воздухообмена К.

Полагая, что с момента начала работы трактора концентрация вредного (ещества в атмосфере теплицы постепенно нарастает, и оно одновременно тчинает выноситься вентиляционным потоком за ее пределы, скорость изменения юнцентрации вредного вещества в помещении будет определяться:

с1е В

dt Qb

(8)

Скорость изменения количества вредного вещества в теплице будет прямо тропорцпопальна выносу этих веществ в вентиляцию, т.е.

dB ,

0>

После соответствующих преобразований и решения уравнения получим:

В = В0Гк' (10)

Подставив уравнение 10 в уравнение 8 будем иметь:

dt~ oj <п>

Проинтегрировав это уравнение при начальных условиях t = 0.e — tn и преобразовав, получим:

i-i

С = С0 + 0.021 - " (1-Г ) (12)

Условие безопасного использования дизеля в данном помещении при работающей вентиляции:

С : Г 1

С0 + 0.021-^^(1 - Гк') < [С] (13)

Так как существующий способ естественной вентиляции не гарантирует устойчивый воздухообмен, целесообразно основное внимание сделать на разработку мероприятий по снижению токсичности выхлопа дизеля.

При обосновании выбора величины присадки сжиженного газа, на основе научных трудов Д.Н. Вырубова. А.И.Толстого. И.Е.Либерова. Л.Я.Орлова учитываем необходимость достаточного запаса теплоты для прогрева смеси.

Для облегчения воспламенения смеси необходимо иметь температуру воздуха, равную температуре воспламенения (минимальной) при требуемой величине задержки воспламенения:

Тоос min ~ Тем ~ ТЕП ,

(14)

где ТВос min - минимальная температура воспламенения смеси: Тсм - температура смеси в момент воспламенения; Твп - температура среды в момент впрыска топлива.

Условие этого равенства будет выполняться, если при впрыске топлива температура воздуха ТЕЯ не понизится до величины, меньшей, чем Tsoc mm ~~~~ TlM . вследствие расхода теплоты на нагрев, испарение и перегрев паров топлива.

Это условие можно записать:

so-sa^o, as

где - теплота, сообщаемая возду ху и топливу от начала впрыска до начала его воспламенения; -'Qn - потери теплоты на нагрев и испарение топлива, перегрев его пар< и нагрев газовоздушной смеси. Составляя баланс теплоты, сделаем следующие допущения:

- топливо, подаваемое в дизель в период такта всасывания, нагревается счет теплоты остаточных газов;

- основное топливо q0CH, поданное в период задержки воспламенен« состоит из однородных капель с некоторым средним диаметром и период Г,. > 0 полностью испаряется.

Нагрев, испарение топлива, а также перегрев его паров происходит за сч энергии сжатого воздуха.

Теплота, расходуемая на нагрев всего дополнительного топлива от нача впуска до конца периода нагрева:

loon J { } .

с

IXdtJ ■ (16)

где - количество дополнительного топлива;

tô on

1нв - время начала впуска дополнительного топлива;

■ ÔOfl

'„, - время конца периода нагрева дополнительного топлива. В первом приближении можно считать прямолинейным характер изменен] температуры дополнительного топлива по времени, поэтому теплоту, идущую i нагрев, можно записать как

0Г=<ГСДг-О. (п

где Тго - начальная температура дополнительного топлива;

Т, - температура смеси дополнительного топлива в конце перио,

нагрева.

Теплота, расходуемая на нагрев смеси дополнительного топлива с воздухе в процессе сжатия, определится из выражения:

где GaA . масса смеси;

С ., - средняя теплоемкость смеси. Массу смеси можно подсчитать по выражению:

(и

доп

где Cl - коэффициент избытка воздуха смеси по дополнительному топливу;

Ьд - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива;

У - коэффициент остаточных газов. Тогда вся теплота, расходуемая на нагрев газовоздушной смеси в процессе .'жатия, будет равна:

(20)

Теплота, затраченная на прогрев основного топлива, которое впрыскивается и время от начала впрыска до конца нагрева (начала испарения), будет равна:

иг.

осн

где у, - количество основного топлива;

¡оси

исп " время конца нагрева;

¡осн

1,}1 - время начала впрыска. Аналогично, как и при определении 0°°", можно записать:

где Тк - температура капли в конце периода нагрева; Тк0- начальная температу ра капли: Ск - теплоемкость паров основного топлива. Температура испарения и перегрева паров основного топлива за время

Ж

определится из выражения:

4Г =^г[/+сжСГт -Гк)], (23)

где •/ - теплота парообразования топлива, являющаяся функцией температуры;

- температу ра капли в рассматриваемый момент.

Ск - теплоемкость паров топлива. Так как

Л <х

осн

ч,

то

= Ш

где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от температуры

среды, размера капель и сорта топлива. Обозначим

ю

(24)

(25)

-.оси

тогда оогцее количество теплоты, поглощенной (/, за период испарения и

.(ЮС

I

перегрева паров ( , оудет равно:

(27)

с**

Полагая (¡^1)—С1+Ы ц пренебрегая щепами I' ввиду их малости, запишем окончательно

дг=<г-щт-о (28)

С учетом принятых выше допущений запишем условие воспламененш топлива при подаче двух видов топлива на базе общего баланса теплоты е цилиндре дизеля, начиная от начала подачи дополнительного топлива до момен га воспламенения

а+о^-ог-^о (29)

Подставляя в это выражение определенные выше составляющие тепловогс баланса, получаем:

х^ЛГ.-Ы + Щ^-С)]*!) (30)

После преобразований окончательно запишем:

Й -'О-С^аМ^УХТ;-Тх)\-

Ти) + А«(/„-С)]^0 (31)

Полученное и общем виде условие воспламенения топлива при подаче дву> видов топлива указывает на более благоприятные условия воспламенения ир1 таком способе организации рабочего процесса по сравнению с обычным. Этс объясняется особенностями подготовки к воспламенению присадки сжиженлоп газа.

Рассматривая уравнения 29 и 31. можно записать:

Ое+Ом„-Ос„< О (32)

Условие управляемости процессом сгорания при подаче двух видов топлив; с подачей присадки сжиженного нефтяного газа в среду остаточных газов

^ _1_

- (Гг -Т„ХСГ -с^М+г))' ка) ^

Это выражение позволяет установить границы максимально возможно! управляемости процессом сгорания при подаче двух видов топлива.

Комплекс параметров оценки токсичности должен быть увязан как режимными параметрами двигателя, рабочим процессом сгорания топлива I

1

камере сгорания (КС) и его характеристиками, так и с законодательными нормативами. Для объективной оценки экологического совершенства двигателя необходима суммирующая оценка вредности многокомпонентных ОГ, основанная на общем для всех вредных веществ законе - законе существования неощутимых концентраций. Суть его в том, что любая многокомпонентная смесь ОГ может быть разбавлена чистым воздухом до безвредных концентраций, определяемых нормами ПДК. Чем более вреден компонент, тем больше объемов чистого воздуха надо подать для обеспечения безвредных концентраций.

Оценку степени вредности отдельных компонентов во взаимосвязи с нормами ПДК удобно показать с .малотоксичной СО.

Основываясь на относительной вредности, концентрации нескольких веществ можно приводить к концентрации одного вещества. Расчеты выполняем в пересчете на СО, действие которой на организм человека тщательно изучено и методы ее изменения достаточно надежны.

Тогда в формализованном виде механизм приведения может быть представлен формулой: г

гсо _ Уг ясо

- . (34)

1=1

ГСО

где С*- - эквивалентная концентрация вредных веществ в ОГ

(концентрация СО в условной газовой смеси, вредность которой равна вредности фактической смеси).

Относительная вредность вещества рассчитывается по формуле:

ЛДКсо

ящ

дсо=-

Относительные вредности приведены в таблице 2.

Вредное вещество С3 Ясо шр ! с

СН 2 1 ! 0.07

СО 1 1 | 1

ХОч 35.29 58 82 ! 2.22

с;к 60 33 33 ; 5.71

С;оН1: 3000000 - : 133333.33

Трактор может работать как внутри помещений ограниченного объема (рабочая зона), так и вне. Поэтому расчет суммарных показателей вредности ОГ следует выполнять с учетом норм ПДКСС, ПДК51Р и ПДКр;, где сс - среднесуточное;

мр - моментальноразовое: рз - рабочей зоны.

Формулы для определения концентрации вредных веществ ОГ двигателя в атмосфере запишутся в виде: по ПДКСС (С0сссо)

^-зсс = О»

++ 35.29С^ + 60СЖ +3-10° С^ ; (36)

по ПДКмр (Сомрсо)

— Сгп +СГ!Г +58.82СУП +33,33сг+3-10бсг

-со

-си

л».

(37)

по ПДКРз (СорзСО)

- Ссо +0.07Сс„ +2.22Сда +5.71С +133333.33С,

ТО I и,и / , I ' , (38)

Оценка дизеля, как источника загрязнения данной производственной средь будет выполнена, если будут определены количества вредных веществ выбрасываемые им в атмосферу по заданному производственному цикл\ Эквивалентное суммарное количество вредных веществ, выбрасываемое дизеле? по данному циклу, может быть определено по формуле (г/цикл)

"гпах.-*^ пчах

= } \chPPdB

п Р

"ттнгч

"тш 'гтт

где 0 о - удельная вредность ОГ двигателя на конкретном режиме (г/кВт-ч)

'тах-* 1 г тах

эксплуатационный

цикл

двигател;

' .г. ' ^ ;

представляющий собой совокупность режимов по мощности при определенно соотношении их продолжительности.

В четвертом разделе «Лабораторные исследования способа подачи дв} видов топлива, как средства снижения токсичности отработавших газе тракторного двигателя» изложена программа и методика исследований, проведег описание лабораторной установки, оборудования и приборов, представлен результаты экспериментов.

Схема экспериментальной установки, оборудования и приборе представлены на рисунке 1.

1-блок приборов для контроля за техническим состоянием двигателя: 2-эсциллограф катодный С-1-19; 3-устройство стробоскопическое: 4-усилител;, ПШС-10; 5-пьезодатчик давления газов; б-насос топливный высокого давления НД-21/2; 7-усилитель тиратронный; 8-дизель Д-21А; 9-бак топливный; 10-весы ВНЦ; 11-кран трехходовой; 12-устройство регистрирующее индикатора МАИ-2; 13-рама; 14-основание; 15-стойка: 1б-стойка балансирная; 17-стенд тормозной постоянного тока САК-670; 18-тахометр механический центробежный ТМ-3: 19-пульт управления: 20-ресивер воздушный с роторными счетчиками РС-100: 21-Заллон газовый: 22-счегчик газовый ГКФ-400; 23-редуктор газовый понижающий; 24-термометр: 25-шкаф электрический; 26-датчик начала подъема иглы форсунки: 27-дозатор-смеситель газа; 28-пробоотборник отработавших газов: 29-сажемер и дымомер Л.АНЭ; 30-вал карданный. Рисунок 1. Схема экспериментальной установки.

Программой и методикой исследований предусматривалось выявление путем сравнительных испытаний влияния на эффективные и токсичные показатели тракторного дизеля предложенного способа и схемы системы подачи двух видов топлива.

Результаты испытаний представлены на рисунке 2. который представляет собой совмещенные нагрузочные характеристики, снятые при определенных подачах сжиженного газа. Анализ результатов испытаний подтверждает эффективность этого способа. Присадка газа особенно эффективна при номинальных нагрузках и перегрузках двигателя.

С„мо„

3.5

г.о

25 2В •15 1.0 0.5 О

й ¡К

И

1-работа на дизельном топливе:

2-прнсздка газа Сс =0.274 кг ч:

3-присадка газа Сс=0.754 кг ч:

4-приеадка газа Ог=0.9Ю кг ч:

5-присадка газа Се=1.030 кг ч.

20

Рисунок 2. Влияние величины присадки газа на концентрацию оксидов азота (N'0,) и сажи (С-ж).

При разработке схемы газоподающей аппаратуры (рисунок 3) обогащения воздушного заряда на впуске присадкой сжиженного газа необходимо только в тех

случаях, когда нагрузка приближается к номинальной и составляет 60...70°о ег значения. При более низких нагрузках подача газа не улучшает состав ОГ, а веде к лишнему расходу газа и увеличению содержания в выхлопе некоторы

1-баллон газовы (1-5 ГОСТ 1586С 70); 2-газопровод; 3 электромагнитный клапан; 4-источни электропитания; : сигнальная лампа: С выключатель; ' впускной трубопрс вод; 8-дозатор смел тель; 9-газовый ко{ ректор; 10-редукто газовый понижак щий; 11-топливны насос высокого да! ления НД-21/2; 1] форсунка; 13-дизел Д-21А.

Рисунок 3. Схема модернизированной системы питания дизеля Д-21 А.

Питание двигателя 13 газом осуществляется из баллона 1. на горловиг которого закрепляется понижающий редуктор 10, соединенный газопроводом 2 ■электромагнитным клапаном 3. Электромагнитный клапан включаете (открывается) выключателем б. а его включенное состояние контролируете горением сигнальной лампы 5.

Ог электромагнитного клапана газ поступает к газовому корректору 9. затем дозатор-окислитель 8, установленный на впускном трубопроводе двигателя.

Включение и выключение подачи газа автоматически, в зависимости < нагрузки, осуществляется газовым корректором (рисунок 4).

токсичных веществ.

1-пружина всережимно-го регулятора; 2-толкатель; 3-задняя крышка корпуса насоса; 4-корпус корректора; 5-штифг. б-пружина корректора; 7-винт регулировочный; 8-корпус газового корректора; 9-кор-пус седла клапана: 10-игольчатый клапан: 11-штуцер; 12-пружина клапана; 13-седло клапана; 14-уплотнительное кольцо: 15-шток корректора.

Рисунок 4. Общая схема газового корректора.

Корпус корректора устанавливается на корпусе регулятора топливного теоса. Штифт 5 упирается нижним концом на верхний торец толкателя :орректора 2, а верхним концом упирается в игольчатый клапан. В полости А 'становлена пружина 12, давление которой регулируют регулировочными фокладками штуцера 11, ввернутого в верхний торец корпуса 8. Полость А через цтуцер, трубопровод и электромагнитный клапан сообщается с понижающим >едуктором и далее с газовым баллоном. Полость Б через трубопровод, юдсоединенный к штуцеру, сообщается с впускным коллектором двигателя. При гнижении скоростного режима двигателя из-за роста нагрузки в работу вступает сорректор. Корректор увеличивает подачу основного дизельного топлива и «повременно с помощью толкателя 2 и штифта 5 плавно открывает игольчатый лапан 10. Расход газа будет плавно возрастать при увеличении нагрузки. Газ из мллона через редуктор поступает в полость А, а затем в полость Б, из которой юступает во впускной трубопровод двигателя.

Окончательная проверка эффективности .метода снижения токсичности !Ыхлопа обогащением воздушного заряда дизельного двигателя присадкой сниженного газа проводилась путем моторных стендовых испытаний этого двигателя в лаборатории испытаний по при веденной выше методике.

В результате проведения стендовых моторных испытаний двигателя Д-21А с комплектом газоподающей аппаратуры, обработки и обобщения материалов голучены данные, которые приведены в таблице 3 и на рис.5.

Данные таблицы 3 получены при работе двигателя на номинальной мощности 18.4 кВт (25 л.с.), при номинальном - 1800 мин"1- скоростном режиме. Лри расходе газа обогатителя 0 кг/ч двигатель работает на дизельном топливе.

Таблица 3. Результаты стендовых моторных испытаний двигателя Д-21А с

комплектом газоподающей аппаратуры.

Расход таза-обогатителя, кг/ч Содержание сажи в отработавших газах Содержание оксидов азота, мг/л Содержание оксида углерода.0«

мг/л "о

0 0.3 100 4.2 100

0.4 0.2 67 3.9 93

О.бб 0.14 47 3.8 91

0.9 0.11 37 3.7 88

1.12 0.08 26.7 3.67 86

Рисунок 5. Стендовые моторные испытания двигателя Д-21А с комплектом газоподающей аппаратуры на номинальной мощности и номинальном скоростном режиме.

Из результатов испытаний видно, что подача газа в количестве 1.12 кг Л обеспечивает снижение одного из самых токсичных компонентов отработавши> газов - сажи в 3.24 раза по сравнению с работой на дизельном топливе; окислое азота - на 14° о; окиси утлерода - на 4%.

Дальнейшее увеличение подачи газа ведет к возникновению в двигателе Д-21А детонационного сгорания.

В пятом разделе «Производственная проверка эффективности работь газоподающей аппаратуры и экономический эффект от ее внедрения» бы; произведен производственный опыт, суть которого заключался в получениг сравнительных результатов проверки состояния атмосферы в помещениях теплит

Г,

ОАО «Тепличный комбинат», где в соответствии с поставленной задачей программа исследований предусматривает:

- определение степени загрязнения воздушной среды теплиц при выполнении энергоемких операций трактором с модернизированной системой питания;

- определение состояния воздушной среды атмосферы теплиц по окончании работ трактором с модернизированной системой питания.

По результатам про-

Щ "Я1

<зз

«г

1Н, ш, «X*

а

ю

си/

3

' N0, /

'со/ чу'

г А

о а Г

изводственнои проверки эффективности работы трактора с газоподающей аппаратурой при выполнении энергоемких операций при основной обработке тепличного грунта, составлена таблица 4 и рисунок 6.

ол

«5

¿.5 Т, ч

Рисунок 6. Изменение концентрации ВВ при выполнении энергоемких работ в теплицах трактором с модернизированной топливной аппаратурой.

Таблица 4. Результаты замеров содержания основных токсичных компонентов отработавших газов в воздушной среде помещения _теплицы с модернизированной топливной аппаратурой._

I Наименование

I

| вредных ве-I ществ

I

Предельно 5 Концепт- ! Концепт- ; Превы-допустимая I рация ве- ! рация ве- \ шение концентра- | щества до щества пос- ! ПДК,

ция ве- I начала ра-

щества. | боты, кг/м3 сов работы. !

■ 1 I з

кг.м ! i кг/м

ле 3-х ча- ; раз

Снижение концентрации ' вредных ве- | ществ по ; сравнению со ! штатной топ-; ливной аппа- ■

| -1 ; ратурой. °о

оксиды азога 0.085 0.0012 0.576 ! б.з : 31 !

оксид углерода 5.000 0.008 8.40 ! 1.68 ! 40 ! ;

сумма углеводородов 1.000 0.011 7.09 1 1 7.09 ! 1 1 39 |

о

Из данных, представленных в таблице 4 и рис. 6 видно, что концентраци вредных веществ в атмосфере теплицы после трех часов непрерывног выполнения основной энергоемкой операции по обработке тепличного грунт машинно-тракторным агрегатом, в состав которого вошли трактор Т-25А модернизированной системой питания и роторный копатель КР-1.5, пр отключенной естественной вентиляции хотя и превышает предельно допустимы концентрации, но значительно ниже. Концентрация токсичных веществ атмосфере теплицы уменьшилась по оксидам азота на 310 о, оксиду углерода и 409« и сумме углеводородов на 39°/ь.

Таким образом, предложенный и реализованный способ снижени токсичности обогащением воздушного заряда на впуске присадкой сжиженног газа позволяет значительно понизить токсичность выхлопа дизеля Д-21 А.

Экономический эффект от внедрения разработки в ОАО «Тепличны комбинат» определялся путем сопоставления величины общего ущерба, которы наносится токсичными веществами, содержащимися в воздушной среде теплш здоровью обслуживающего персонала, количеству и качеству продукции.

Экономический ущерб, наносимый здоровью одного работник составляет около 76500 руб/'год.

Общие выводы

1. Установлено, что в тепличном блоке площадью 1 га ОАО «Тепличны комбинат» Рязанской области в зимнее время без вентиляции при работ машинно-тракторного агрегата, состоящего из трактора Т-25А и копател роторного КР-1.5, при основной обработке тепличного грунта за три час работы концентрация вредных веществ превышает предельно допустимы концентрации по оксидам азота в 10 раз. по оксиду углерода - в 2.8 раза, п сумме углеводородов - в 11.9 раза, что затрудняет использование мобильны тракторных агрегатов внутри теплиц.

2. При полностью открытых фрамугах, т.е. при максимальной естественно вентиляции, концентрация основных токсичных компонентов, наработанных течение трех часов, достигнет предельно допустимых значений по оксид углерода через 2.5 часа, по сумме углеводородов и оксиду азота - через 6 часо! что вызывает необходимость сочетать интенсивную вентиляцию помещений одновременным снижением токсичности отработавших газов дизеля.

3. Оценку степени вредности отдельных компонентов отработавших газов в взаимосвязи с предельно допустимыми концентрациями можно привести одному компоненту7 - оксиду углерода, пользуясь коэффициентами пересчет относительной вредности других вредных веществ в отработавших газа двигателей внутреннего сгорания.

4. Теоретически установлено, что концентрация вредных веществ в зон загрязнения зависит от их начального количества и степени разбавлени вредных веществ выхлопа поступающим с вентиляцией воздухом, количеств которого регулируется кратностью воздухообмена.

5. Теоретически доказано, что присадка сжиженного газа к основному топлив способна улучшить процесс сгорания основного топлива за счет улучшени смесеобразования, что обеспечивает более низкую температуру цикла, : следовательно, меньшее образование вредных веществ в отработавших газах.

'. Система для подачи двух видов топлива должна включать в себя штатную топливоподающую аппаратуру, содержащую баллон для сжиженного газа, газовую арматуру и газовый корректор, который обеспечивает необходимую подачу газа при определенных режимах работы дизеля за счет дифференциальной связи с всережимным регулятором топливного насоса высокого давления.

Лабораторными исследованиями установлено, что подачу газа целесообразно начинать при нагрузках двигателя 60...709о от номинальной. Оптимальной величиной присадки сжиженного газа для двигателя Д-21А следует считать 1.0-1.1 кг/ч, что при номинальной мощности соответствует 20-24°о от суммарного расхода топлива. I. При работе двигателя на номинальном скоростном и нагрузочном режимах влияние присадка газа в оптимальном количестве сокращает количество сажи в 3-4 раза, снижает количество оксидов азота на 15-18°о, снижает количество оксида углерода на 6.7% и снижает температуру отработавших газов на 11.7° о. >. Производственная проверка показала, что предложенный способ и разработанная газоподающая аппарату ра обеспечивает снижение концентрации вредных веществ по сравнению со штатной топливной аппаратурой по оксидам азота на 31°о, по оксиду углерода - на 40°о, по сумме углеводородов - на 39°о при основной обработке грунта в теплицах без вентиляции в зимнее время. Это позволяет снизить общегодовой совокупный экономический ущерб здоровью людей и урожайности растений на 7444000 руб./год (в ценах 2000 года) в трех тепличных блоках площадью 18 га.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Система для подачи в дизель двух видов топлива. Инф. листок ЦНТИ. -'язань, 1988 №22-88. Соавторы: Либеров И.Е., Киршин П.А.

2. Снижение токсичности выхлопа двигателя Д-21А за счет обогащения юздушного заряда на впуске сжиженным газом. //Тезисы докладов Всесоюзной плучно-практичеекой конференции «Альтернативные топлива в ДВС». -Киров, [988. Соавтор: Либеров И.Е.

3. Организация и использование двухфазной подачи дизельного топлива 1ля снижения токсичности выхлопа тракторного двигателя. /Тезисы докладов шучно-практической конференции «Вклад молодых ученых и специалистов в штенсификацию производства и перестройку работы АПК». - Казань. 1990. Гоавтор: Ванцов В.И.

4. Снижение токсичности выхлопа тракторного дизеля при работах в гомещениях ограниченного объема. //Тезисы докладов Региональной научно-трактической конференции «Вклад молодых ученых и специалистов в штенсификацию производства и перестройку работы в АПК». - Казань. 1990. Соавтор: Ванцов В.И.

5. Трактор Т-25А с монотоксичным двигателем. //Межвузовский сборник тучных трудов «Эксплуатация и ремонт сельскохозяйственной техники». - М.. 1990

6. К вопросу оптимизации величины и момента впрыска топлива при реализации газожидкостного процесса. //Научно-технический семинар стран СНГ. • СП., 1992. Соавторы: Либеров И.Е., Лунин Е.В., Панфилов А.Ю.

7. Улучшение технико-экономических и токсичных показателей дизеля Д присадкой сжиженного газа. //Научно-технический семинар стран СНГ. - С 1992. Соавторы: Либеров И.Е., Попов М.В., Панфилов А.Ю.

8. Расчет токсичных веществ в отработавших газах тракторного дизеля г двухфазной подаче топлива. //Сборник научных трудов РГСХА. - Рязань, 19 Соавторы: Ванцов В.И.. Лунин Е.В.

9. Трактор Т-25 с системой питания, модернизированной для работа помещениях ограниченного объема и воздухообмена. //Сборник научных тру; РГСХА - Рязань, 1996. Соавторы: Ванцов В.И., Лунин Е.В.

10.0 возможности снижения токсичности двигателя Д-21. //Тези докладов 10-й научно-практической конференции вузов Поволжья и Предура: «Совершенствование и развитие мобильной энергетики в сельском хозяйстве) Чебоксары, 1998. Соавторы: Лунин Е.В., Панфилов А.Ю.

11. Теоретические предпосылки оценки параметров токсичности. //Сборн научных трудов (вып.З, ч.2) «Современные энерго- и ресурсосберегаюш экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственнс производства». - Рязань, 1999. Соавторы: Некрашевич В.Ф., Ванцов В.И.

12. Двухфазная подача топлива в тракторный дизель и ее реализация, ь средство повышения эффективности использования тракторов сельскохозяйственном производстве. //Юб. сборник научных трудов сотрудник и аспирантов РГСХА (т. 1). - Рязань, 1999. Соавтор: Ванцов В.И.

13. К вопросу оценки токсичности выхлопа дизельного двигателя. //К сборник научных трудов сотрудников и аспирантов РГСХА (т.1). - Рязань, \9(. Соавтор: Ванцов В.И.

Введение.

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Теплицы для возделывания сельскохозяйственной продукции в закрытом грунте, виды механизированных работ и технология их выполнения.

1.1.1. Транспортные операции, производимые в теплицах.

1.1.2. Транспортировка урожая.

1.1.3. Транспортировка рассады, растительных остатков и других грузов.

1.2. Анализ способов и средств обеспечения требуемого воздухообмена в помещениях ограниченного объема и воздухообмена при работе в них мобильных энергетических средств.

1.3. Экологические и экономические аспекты загрязнения воздушной среды выхлопом трактора и влияние их на условия труда и качество сельскохозяйственной продукции.

1.3.1. Токсичность выхлопа дизельного двигателя. Состав отработавших газов дизелей, действие на организм. Предельно допустимые концентрации токсичных веществ в атмосфере теплиц.

1.3.2. Состав отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.

1.4. Анализ способов и локальных средств влияния компонентов отработавших газов дизельного двигателя на обслуживающий персонал и растения.

1.4.1. Удаление ОГ дизельного двигателя.

1.4.2. Нейтрализация токсичных компонентов.

1.4.3. Улучшение рабочего процесса дизельного двигателя как способ снижения токсичности выхлопа.

1.4.4. Двойная подача топлива как способ снижения токсичности выхлопа дизеля.

1.5. Постановка, проблемы, цель работы и задачи научного исследования.

2. Экспериментальное определение состояния микроклимата в помещениях теплиц при проведении энергоемких сельскохозяйственных операций.

2.1. Программа и методика исследований.

2.2. Результаты измерений параметров микроклимата в помещениях теплиц при проведении энергоемких сельскохозяйственных операций.

Выводы.

3. Теоретические предпосылки к обоснованию метода снижения токсичности и дымности отработавших газов тракторных дизелей.

3.1. Теоретический анализ динамики состояния вентилируемой атмосферы теплицы при выполнении в ней энергоемких работ машинно-тракторным агрегатом.

3.2. Обогащение воздушного заряда присадкой сжиженного газа как средство снижения токсичности выхлопа дизеля.

3.2.1. Влияние присадки газа на процесс смесеобразования, сгорания и образования токсичных веществ.

3.2.2. К обоснованию выбора величины присадки сжиженного газа.

3.3. Теоретические предпосылки оценки параметров токсичности.

Выводы.

4. Лабораторные исследования способа подачи двух видов топлив как средства снижения токсичности отработавших газов тракторного двигателя.

4.1. Реализация подачи двух видов топлива. Лабораторная установка, методика экспериментальных исследований.

4.1.1. Описание установки для лабораторных испытаний двигателя Д-21А.

4.2. Исследование токсичности выхлопа тракторного дизеля Д-21 А с присадкой сжиженного газа.

4.3. Обработка результатов исследования.

4.4. Программа испытаний.

4.4.1. Анализ результатов первой части программы испытаний.

4.5. Стендовые испытания двигателя Д-21 А с модернизированной топливной аппаратурой.

4.6. Макетный образец трактора Т-25А с комплектом приборов для обогащения воздушного заряда присадкой сжиженного газа.

4.7. Методика исследования и оценки влияния на токсичность тракторного дизеля способа обогащения воздушного заряда на впуске присадкой сжиженного газа на основе теории планирования эксперимента.

4.8. Методика определения коэффициента расхода газового корректора. 122 4.8.1. Результаты расчетов по определению коэффициента расхода газового корректора.

Выводы.

5. Производственная проверка эффективности работы газоподающей аппаратуры и экономический эффект от ее внедрения.

5.1. Производственная проверка эффективности работы газоподающей аппаратуры.

5.1.1. Программа и методика производственной проверки.

5.1.2. Результаты производственной проверки эффективности работы трактора с газоподающей аппаратурой при выполнении энергоемких операций по основной обработке тепличного грунта.

5.2. Экономический эффект.

Выводы.

Экономическая ситуация, сложившаяся в России требует от объектов хозяйственной деятельности сокращения расходов и увеличения прибыли, поэтому предприятиям важно использовать такие разработки, применение которых позволит сократить платежи, снижать себестоимость продукции и увеличивать прибыль. Особенно энергоемким в сельском хозяйстве считается производство овощей в зимних условиях. Производство их необходимо в связи с тем, что овощи зимой - один из основных источников витаминов и микроэлементов для населения страны.

В промышленном тепличном овощеводстве технология основной обработки почвы (при смене культуры) включает два основных этапа: вскапывание на полную глубину пахотного слоя и рыхление (фрезерование верхней половины пахотного слоя перед посевом или посадкой культур).

Многочисленными последователями [66, 11, 14] установлено, что даже после непродолжительной работы двигателя трактора в помещениях ограниченного объема, которыми являются теплицы, содержание токсичных составляющих отработавших газов в воздухе рабочей зоны превышает предельно допустимые концентрации в несколько раз, несмотря на хороший воздухообмен. Это отрицательно сказывается на здоровье обслуживающего персонала, на качестве и количестве произведенной продукции, так как превышение предельно допустимых концентраций вредных веществ в воздушной среде теплиц приводит к снижению урожайности [66] на 10-25 %, а в ряде случаев к гибели растений.

Снижение токсичности отработавших газов обеспечивает создание нормальных условий труда для людей, хорошее развитие растений, увеличивает срок службы зданий и сооружений, что в конечном итоге приводит к сокращению потерь рабочего времени, повышению урожайности тепличных культур, снижению эксплуатационных затрат на содержание зданий и сооружений.

Решению вопроса снижения токсичности и дымности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания посвящены работы И.П. Варшавского, Р.В.

Малова, А.Г. Сахарова, В.А. Звонова, В.И. Смайлиса, Ю. Якубовского, Я.Б. Зельдовича, В.А. Лиханова, а также других российских и зарубежных последователей.

Много работ посвящено снижению токсичности отработавших газов автомобильного транспорта и очень мало работ по снижению токсичности и дым-ности отработавших газов при выполнении механизированных работ в помещениях ограниченного объема и воздухообмена.

Выбрасываемые в атмосферу токсичные компоненты выхлопа двигателей смешиваются и разбавляются воздухом, в результате чего их концентрации снижаются. Ограниченный объем помещений, в которых используются двигатели внутреннего сгорания, приводит к быстрому росту концентрации вредных токсичных веществ в их атмосфере.

Положение может быть нормализовано путем разработки мероприятий по снижению выброса в атмосферу теплиц токсичных составляющих отработавших газов дизельного двигателя и их интенсивной вентиляцией, что позволяет улучшить условия труда людей и повысить урожайность выращиваемых культур.

Основные полученные результаты данной работы:

- изучено состояние воздушной среды атмосферы теплицы при выполнении в ней энергоемких механизированных работ;

- теоретически обоснована и экспериментально определена величина присадки сжиженного газа-обогатителя;

- предложен комплекс параметров оценки токсичности отработавших газов дизеля;

- представлен теоретический анализ динамики состояния атмосферы теплицы;

- представлены результаты лабораторных и производственных испытаний;

- разработано устройство для снижения токсичности тракторного дизеля, основные конструктивные параметры которого обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями.

На защиту выносятся: способ снижения токсичности выхлопа тракторного дизеля обогащением воздушного заряда на впуске присадкой сжиженного газа и его практическая реализация; комплекс параметров, оценивающих токсичность двигателя; метод анализа состояния и взаимодействия атмосферы теплицы с источником ее загрязнения токсичными продуктами (тракторным дизельным двигателем); результаты производственных испытаний и внедрения способа и устройства для снижения токсичности тракторного дизеля при работе в теплицах.

Состояние вопроса и задачи исследования.