автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Улучшение характеристик тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием, путем снижения неравномерности подачи газа

На правах рукописи

005536252

Осовин Николай Валерьевич

УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАКТОРОВ, ОСНАЩЕННЫХ ГАЗОБАЛЛОННЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ, ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ПОДАЧИ ГАЗА

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2013

3 1 окт дш

005536252

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

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Володин Виктор Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кафедры «Техносферная безопасность и транспортно-технологические

машины» ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ»

Слюсаренко Владимир Васильевич

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и двигатели» ФГБОУ ВПО «Саратовский ГТУ имени Гагарина Ю. А.» Никитин Александр Владимирович

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Волгоградский

государственный аграрный

университет»

Защита диссертации состоится 29 ноября 2013 г. на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 на базе ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ».

Автореферат разослан «_» _ _г. и

размещен на сайте www.sgau.ru.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл. 1, ученому секретарю диссертационного совета, e-mail: chekmarev.v.@yandex.ru.

Ученый секретарь диссертационного

совета I В. В. Чекмарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. На сегодняшний день одним из основных потребителей дизельного топлива является сельскохозяйственная техника различного назначения -тракторы, комбайны и др. (более 40 % общего расхода дизельного топлива). Вследствие постоянно изменяющейся цены на нефть и нефтепродукты возникает все более острая необходимость использования альтернативных источников энергии.

Одним из перспективных энергоносителей на территории России является природный газ, который дешевле дизельного топлива и имеет лучшие экологические показатели. Поэтому совершенствование системы подачи газа для работы двигателя по газодизельному циклу является актуальной задачей.

Актуальность предлагаемых разработок подтверждена поручением Президента Российской Федерации от 18 октября 2004 г. № Пр 1686 ГС «Комплексная программа по стимулированию перевода сельскохозяйственной техники на газомоторное топливо», поручением Правительства РФ от 19 августа 2011 г. №ВЗ-П11-5884 «Проект предложений о техническом перевооружении сельскохозяйственной техники в части перехода на использование газомоторного топлива».

Степень разработанности темы. Работа дизелей по газодизельному режиму наиболее приемлема для сельскохозяйственных тракторов, так как не требует значительных изменений конструкции двигателя; при этом сохраняется штатная топливная аппаратура и возможность работать как в дизельном, так в газодизельном режиме. В России газовые системы для применения природного газа в качестве топлива для дизельных двигателей разрабатывают такие организации, как ОАО «КамАЗ», ЗАО «Газомотор», НПФ «САГА», ООО «ППП Дизельавтоматика», ЗАО «Автосистема» и др.

Разработанные системы изготовлены и проверены в эксплуатации, но не лишены недостатков. Одним из них является недостаточная равномерность распределения газообразного топлива по цилиндрам двигателя, существенно

3

влияющая на его работу, вызывая уменьшение мощности, ухудшение топливной экономичности и сокращение ресурса деталей двигателя и т.д.

Использование газодизельного цикла предполагает установку на тракторы газового оборудования, в частности баллонов для хранения газа. При этом дополнительная нагрузка увеличивает эксплуатационную массу трактора. Данное обстоятельство негативно отражается на воздействии движителей трактора на агротехнические свойства и состояние почвы.

Предлагаемая работа направлена на исследование и уменьшение влияния указанных недостатков.

Цель работы - улучшение эксплуатационных характеристик тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием и работающих по газодизельному циклу, путем снижения неравномерности подачи газа и уплотнения почвы.

Задачи исследования:

1) установить основные факторы, влияющие на эксплуатационные характеристики тракторов с газобаллонным оборудованием;

2) теоретически обосновать пути снижения неравномерности подачи газа по цилиндрам двигателя при работе по газодизельному циклу;

3) разработать, обосновать конструктивные параметры и экспериментально исследовать устройство, обеспечивающее снижение неравномерности подачи газообразного топлива;

4) исследовать влияние ходовой системы трактора К-700А с установленным газобаллонным оборудованием на плотность почвы;

5) провести технико-экономическую оценку результатов исследования.

Объект исследования - тракторы К-700А, оснащенные газобаллонным оборудованием и работающие по газодизельному циклу.

Предмет исследования - процесс подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, работающего по

газодизельному циклу; процесс изменения плотности почвы после прохода движителей трактора, оснащенного газобаллонным оборудованием.

Научная новизна работы состоит:

• в теоретическом и экспериментальном обосновании использования в системе подачи газообразного топлива в дизельный двигатель газового коллектора для снижения неравномерности подачи газа по цилиндрам двигателя;

• в получении аналитических зависимостей изменения плотности почвы после прохода трактора К-700А, оснащенного газобаллонным оборудованием.

Теоретическая и практическая значимость работы:

• разработана и предложена математическая модель динамики расхода газа через газовый коллектор;

• научно обоснованы конструктивные параметры газового коллектора с радиально расположенными в одной плоскости выпускными патрубками, что обеспечивает равномерную подачу газообразного топлива в цилиндры двигателя (патент № 123847);

• доказано, что снижение внутреннего давления воздуха в шинах уменьшает негативное воздействие движителей трактора, оснащенного газобаллонным оборудованием;

• проведенные исследования завершены рекомендациями по минимизации воздействия движителей тракторов на уплотнение почвы.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе теории двигателя и законов термодинамики, а так же известных законов и положений физики почв и классической математики. Полевые исследования проводились с использованием современных методик и соответствующего оборудования.

Положения, выносимые на защиту:

• математическая модель динамики расхода газа через газовый коллектор при работе двигателя в газодизельном цикле;

• результаты теоретических и экспериментальных исследований неравномерности подачи газа по цилиндрам с использованием нового газового коллектора (патент № 123847);

• результаты экспериментальных исследований изменения свойств почвы после прохода трактора К-700А с газобаллонным оборудованием с разработкой рекомендаций по ее снижению.

Реализация исследований. Разработанный газовый коллектор для газодизельной системы с распределенной подачей газа внедрен на тракторах К-700А в ООО «Горизонт-С» Саратовской области, где они эксплуатируются в течение 2 лет.

Конструктивные разработки и результаты исследования приняты к внедрению для изготовления в ООО «ППП Дизельавтоматика» г. Саратов.

Апробация работы. Основные научные положения, выводы и практические рекомендации диссертации доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова» (Саратов, 2011-2012); на Международной научной сессии «Инновационные проекты в области агроинженерии» (М., 2011); на Международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение АПК» (Саратов, 2011); на научно-практической конференции 2-й специализированной выставке «Саратов-АГРО. 2011» (Саратов, 2011); на Международной практической конференции «Аграрная наука - основа успешного развития АПК и сохранения экосистем», Волгоградский ГАУ (Волгоград, 2012); на Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Г. П. Шаронова «Проблемы эксплуатации и ремонта автотракторной техники», Саратовский ГАУ (Саратов, 2012); на конкурсе научно-инновационных работ молодых ученых, посвященных 100-летию университета, Саратовский ГАУ (Саратов, 2013); на Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых вузов МСХ РФ, Башкирский ГАУ (Уфа, 2013), Саратовский ГАУ (Саратов, 2013).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 работ, в т.ч. 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ; патент на полезную

модель. Общий объем публикаций - 2,63 печ. л., из которых 1,19 печ. л. принадлежат лично соискателю. Получен патент на полезную модель.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы, ее практическая значимость, приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проведен анализ использования газообразного топлива для сельскохозяйственных дизелей, определены основные достоинства и недостатки существующих систем.

По оценке многих ученых мира, газовые топлива станут альтернативой нефтяным моторным. На сегодняшний день одним из перспективных альтернативных топлив является природный газ, по запасам которого Россия занимает первое место в мире. В стране действуют государственные программы по переводу техники на газомоторное топливо, такие как, например, поручение Президента РФ по стимулированию внедрения технологий перевода сельскохозяйственной техники на газомоторное топливо, поручение Правительства РФ «О стимулировании широкомасштабного перевода

сельскохозяйственной техники».

В изучение технологий перевода дизелей на компримированный природный газ значительный вклад внесли специалисты: В.Л. Стативко, В. А. Марков, В. В. Бушуев, В. А. Лушко, С. И. Козлов, Ф. Г. Габнулин, Г. С. Савельев,

A. И. Гайворонский, В. В. Володин, М. Е. Нижнин, Г. А. Букреев,

B. Г. Соколов.

Среди факторов, влияющих на эксплуатационные показатели тракторов с газобаллонным оборудованием, которые сдерживают широкое распространение газобаллонной техники, можно выделить: недостаточную равномерность подачи газа в цилиндры двигателя; меньшую длительность работы машины на одной заправке газом (в среднем составляет 4-7 ч); недостаточную надежность механических регуляторов давления газа. Неравномерная подача горючей

составляющей или воздуха в цилиндры существенно влияет на работу двигателя, вызывая уменьшение мощности и ухудшение топливной экономичности, сокращение ресурса деталей двигателя (прогар поршней и клапанов, износ стенок цилиндра и т.д.). Установка на тракторы газового оборудования, в частности баллонов для хранения газа, увеличивает эксплуатационную массу трактора, что негативно отражается на воздействии движителей трактора на агротехнические свойства почвы.

Во втором разделе «Теоретическое обоснование снижения неравномерности подачи газа в цилиндры двигателя при работе по газодизельному циклу» для решения второй задачи разработана математическая модель движения потока газа через газовый коллектор.

Эксплуатационные исследования газодизельной системы с распределенной подачей газа показали, что источником неравномерности подачи газообразного топлива является газовый коллектор, поставляемый в комплекте системы.

Для создания картины движения потока газа через коллектор была проведена его функционально-количественная оценка в процессе работы двигателя, которая основана на двух законах газовой динамики: законе сохранения массы и законе сохранения энергии.

Рассматривается сечение объема газового коллектора на составляющие элементарные объемы секущими плоскостями, перпендикулярными к оси цилиндра канала (рисунок 1).

с распределенной подачей газа

При этом элементарный г'-й объем включает два выпускных патрубка с сечением гт, . Через сечение (р,- газ втекает, через сечение а; и сечение ф;+1 (кроме последнего фи+ь которое закрыто) газ вытекает.

Искомые величины ga¡ и £(р1 расхода газа через

выпускные патрубки и канал коллектора находятся из системы двух уравнений. Первое из них - уравнение баланса массового расхода газового потока в контрольном объеме.

gл=gz, (1)

где gA - суммарный массовый расход втекающего газа, г/с:

8 А = 1гр4<р-

Ч>А

р- - суммарный массовый расход вытекающего газа, г/с: ° 2

87 = ¡Уре1у-

Ч>2

Второе уравнение — уравнение баланса энергии.

А = г + Ж' + (), (2)

где А - суммарный импульс энергии втекающего газа, Дж,

А = |/г0Грб/ф,

Фл

2 - суммарный импульс энергии вытекающего газа, Дж,

Z = |/г0Грй?ф .

<рг

Ж- работа внешних сил над газом (сжатие, Ж' > 0) или работа газа (расширение, IV' < 0), иначе ¡V = 0, Дж; {2 -приток теплоты (извне, подогрев, Q > 0) или отток теплоты (вовне, охлаждение, () < 0), иначе = 0, Дж; срл - суммарная часть общей поверхности <р контрольного объема, через которую газ втекает, м2; срг - суммарная часть общей поверхности ф контрольного объема, через которую газ вытекает, м2; <з?ф- локальный элемент поверхности ф , м2; V, р, /го - локальные параметры газового потока соответственно; V— скорость потока газа, м/с; р - плотность газа, г/см"3; /г0 -удельное полное теплосодержание (единицы массы), Дж/кг-К, г V2 1 V2 Р ■ 0 2 2 р

V2 - кинетическая энергия, Дж; й - удельное теплосодержание 2

(энтальпия), Дж/кг-К,

h = e+—' Р

е - удельная внутренняя энергия потока газа, Дж/кг; р -давление газа, Па; Vpdip - локальный массовый расход (в единицу времени) газа, г/с.

Для упрощения расчетов примем следующие допущения:

а) движение газа — установившееся ламинарное;

б) процесс адиабатный;

в) предполагаем, что в плоских рабочих сечениях канала и выпускных патрубков параметры газа распределены равномерно, и векторы скорости движения направлены перпендикулярно плоскостям соответствующих сечений. Соответственно:

р = const, р = const, W'= О, Q = О, h = —— — , (3)

к-1 р

где к - показатель адиабаты,

Система уравнений баланса энергии и баланса массового расхода газового потока примет следующий вид:

I Sp, - gai + g<pM

3 _ 3

S<P, ~ SVM

3

g^ (4)

Обозначим = g(Pм , qia = , у = . (5)

После введения дополнительных переменных и принимая во внимание, что:

а) коэффициенты при неизвестных С^, д^ и свободные

члены в уравнениях этой системы не зависят от /;

б) д.а < 1, получаем две убывающие геометрические

прогрессии со знаменателем ^ и первым членомga\ и

' §(¡>2 4<р§<р, '

ю

§ <7 2 ^ СТ & (р2 (тй. щ ' § <рг О. (р2 <р§ (рх '

gal>ga>^^■■

Выражения расходов газа через патрубок и сечение коллектора соответственно принимают следующий вид:

(6)

1 = 4<р£ <р1 ' (7)

где - известный расход газообразного топлива на входе в коллектор, г/с.

Для последнего сечения расход газа через патрубок вычисляется по следующей формуле:

= = (8)

При расчете динамики движения газа в коллекторе учитывается тот факт, что при работе двигателя газ не подается через все выпускные патрубки одновременно. На каждый такт задействована только их часть.

В современных ДВС применяется порядок работы, при котором одноименные такты следуют один за другим с перекрытием на 1/2 хода поршня. Это обеспечивает равномерное вращение коленчатого вала и уравновешивание сил инерции, возникающих в процессе работы двигателя.

На рисунке 2 приведена схема-диаграмма, на которой соответствующими цветами обозначены такты, происходящие в соответствии с известной последовательностью работы двигателя в каждом цилиндре. Из диаграммы видно, что на каждый полутакт впуск происходит только в два цилиндра. Причем в следующем полутакте эта пара меняется, следовательно, меняется закон подачи газа в каждый отдельный цилиндр.

На основании этой схемы и полученных ранее выражений приведен расчет поцилиндровой динамики расхода газообразного топлива на впуске для каждого полутакта (рисунок 3).

— впуск;

расширение; 1

- выпуск

Рисунок 2 - Схема-диаграмма чередования тактов в цилиндрах двигателя

Динамика расхода газа в цилиндрах

: ¥1!

4 5

номер цилиндра

-средний расход газа 1 средний расход газа за такт впуска

Рисунок 3 - Результаты расчета поцилиндровой динамики среднего расхода газа для штатного коллектора: с =10,8 г/с; <р = 0,0022 м2; о = 0,000028 м2

Из представленной гистограммы видно, что при использовании штатного коллектора имеет место неравномерность подачи газообразного топлива, которая достигает 73 % от максимальной величины расхода газа через выпускной патрубок коллектора.

Также видно, что при подаче газа через патрубки, которые находятся на разном расстоянии от впускного патрубка коллектора, расход уменьшается с увеличением этого расстояния. Следовательно, расположение выпускных

патрубков на одном расстоянии от впускного позволит достичь равных условий движения потока и повысить равномерность подачи газа через коллектор. Для этого предложена модель нового газового коллектора, особенностью которого является то, что отбор газа из коллектора осуществляется в одной плоскости, нормально расположенной к оси входного патрубка, что обеспечивает подачу равных порций газа по цилиндрам двигателя (патент № 123847).

Исходя из выведенных ранее уравнений, расход газообразного топлива в цилиндре с соответствующим номером / (i = 1-8) в процессе х/г такта с номером j (принимается равным 1 или 2) вычисляется по следующей формуле:

g..=g /2. (9)

v Ч> 1

Результат вычисления расхода показал, что при использовании разработанного коллектора неравномерность подачи газа теоретически равняется нулю, прямая (5,4) (см. рисунок 3).

Таким образом, разработана математическая модель движения потока газа через газовый коллектор, позволяющая определить расход газообразного топлива на каждый цилиндр при работе двигателя в газодизельном цикле.

В третьем разделе «Методика проведения исследований» изложены общая методика и программа проведения экспериментальных и полевых исследований, описано применяемое оборудование.

Исследования проводили в соответствии с ГОСТ Р 527772007 в ООО «Горизонт-С» Саратовской области при выполнении пахоты и дискования на тракторе К-700А. Определяли тяговое усилие на крюке, кН; скорость агрегата, м/с; расход дизельного топлива, кг/ч, расход газообразного топлива, м3/ч. Запись параметров осуществляли при помощи программного обеспечения «Тракторинжект» разработки ООО «ППП Дизельавтоматика».

Определение поцилиндровой неравномерности подачи газообразного топлива осуществляли методом определения

температуры отработавших газов при работе двигателя в газодизельном режиме при нагрузке близкой к номинальной.

Температуру патрубков выпускного коллектора замеряли при проведении пахоты с глубиной обработки 15; 20 и 25 см с помощью восьмиканального измерителя-регулятора ОВЕН ТРМ-138 и термоэлектрических преобразователей ОВЕН ДТПЬО 14-00.20/2, которые закрепляли на патрубки выпускного коллектора для каждого цилиндра. Замеры осуществляли на работающем двигателе под нагрузкой, при этом в режиме реального времени фиксировали максимальное значение температуры патрубков выхлопного коллектора двигателя.

Для измерения силы тяги на крюке использовали- -тензометрический комплекс, состоящий из съемных тензометрических датчиков, закрепляемых на нижних тягах задней навески трактора, и весоизмерительного преобразователя ТВ-00 ЗП. Исследования проводили в соответствии с ГОСТ 30745-2001.

Для определения степени воздействия движителей трактора К-700А, оснащенного газобаллонным оборудованием, были проведены сравнительные исследования свойств почвы: плотности, влажности, твердости, макроагрегатного состава почвы и глубины следа после прохода экспериментального и серийного тракторов. Исследования проводили на темно-каштановых почвах при дисковании в составе агрегата К-700А+БН - 3,2 в соответствии с требованиями ГОСТ 7057-2001, ГОСТ 26953-86 и ГОСТ 7463-89.

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

Замер твердости производили 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 применяли цилиндр объемом 1000 см3. Взятую пробу грунта после высушивания разделяли на фракции через сита с установленным размером ячеек.

В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» представлены результаты

14

сравнительной оценки воздействия движителей трактора К-700А, оснащенного газобаллонным оборудованием, а также результаты исследования неравномерности подачи газообразного топлива по цилиндрам двигателя.

Для снижения неравномерности подачи газообразного топлива был разработан новый газовый коллектор (рисунок 4), который отличается от штатного тем, что выходные патрубки расположены в одной плоскости, перпендикулярной к оси цилиндрического корпуса, на одном расстоянии от входного патрубка, расположенного соосно с цилиндрическим корпусом.

Рисунок 4 - Газовый коллектор и его общий вид на двигателе ЯМЗ - 2Э8НДЗ

Монтаж коллектора осуществляется в развале двигателя на специальном кронштейне. Выходные патрубки коллектора соединяются с газовыми форсунками дюритовыми рукавами марки 40У-10-7 ТУ 0056016-87 длиной по 300 мм. Входной штуцер соединяется рукавом марки 40У-20-7 ТУ 0056016-87 с газовым редуктором. Датчик давления подключается к электронному блоку управления двигателем.

Для исследований использовался машинно-тракторный агрегат К-700А + ПЛН-8-35; скорость движения агрегата 6-8 км/ч (1,7-2,2 м/с), глубина обработки 15-25 см.

Используя известную зависимость изменения температуры газов в цилиндре от состава смеси, была получена

гистограмма температур патрубков выпускного коллектора, отражающая неравномерность распределения топлива по цилиндрам в зависимости от нагрузки на двигатель (рисунок 5). Из гистограммы видно, что применение разработанного коллектора позволило снизить неравномерность подачи газообразного топлива до 13,3 % по сравнению со штатным. При этом значение неравномерности уменьшается при увеличении нагрузки на двигатель. Так, при серийном коллектор неравномерность изменилась с 34,1 до 25,1 %, а при разработанном — с 20,2 до 13,3 %.

2Ю.О

гю.а

190.0

3 Й::,'()

а га,о

Рисунок 5 - Распределение температур патрубков выпускного коллектора при нагрузке на крюке 39,4 кН (глубина вспашки 25 см)

Таким образом, применение разработанного газового коллектора позволило снизить неравномерность подачи газообразного топлива дизельного двигателя, работающего по газодизельному циклу, в 1,5-2 раза. При этом расход газообразного топлива снизился по сравнению с системой с распределенной подачей газа при использовании штатного коллектора на 4 %, с системой СЭРГ-500 - на 16 %.

Полученные данные совпадают с теоретическими расчетами. Отклонение результатов измерения для разработанного коллектора объясняется влиянием на температуру газов других факторов, помимо подачи газа.

Эксплуатационные исследования влияния массы дополнительного газобаллонного оборудования на свойства почвы проводили на полях Марксовского района Саратовской области. Почвы района темно-каштановые. Замеры проводили с трехкратной повторяемостью после каждого прохода серийного и экспериментального тракторов. На

16

экспериментальном тракторе размещено 24 газовых баллона, что увеличивает нагрузку на заднюю ось до 7300 кг. Это негативно отражается на степени воздействия движителей такого трактора на почву.

По результатам исследований увеличение плотности почвы после прохода движителей газобаллонного трактора по сравнению с серийным составляет около 2,5 % (рисунок 6). Однако, при исследовании воздействия движителей экспериментального трактора изменялось внутреннее давление в шинах от 1,8 до 0,8 бар. Так, при снижении давления до 1,0 бар удается снизить степень воздействия до 1,5 %.

.............................— ...................X | 0*1,»<ц> .........

{¿г

I

О 0,1 0,2 0,3 0,4

Горизонт ПОЧВЫ, м.

Рисунок 6 - Изменения плотности почвы после прохода серийного и экспериментального тракторов

На глубине 5 см твердость почвы после прохода экспериментального трактора выше по сравнению с твердостью почвы после прохода серийного трактора на 3 %. Тогда как на других глубинах твердость почвы после прохода экспериментального трактора ниже в среднем на 1,7 % по сравнению с твердостью почвы на этих же глубинах только после прохода серийного трактора (рисунок 7). Изменение твердости почвы после прохода экспериментального трактора с внутренним давлением в шинах 1 бар по сравнению с серийным уменьшается до 2 %.

50

0 5 10 15 20 25 30 38

♦ ,

» Серийной

«р-М&зр

Рисунок 7 - Изменения твердости почвы после прохода серийного и экспериментального тракторов

После прохода колесного движителя серийного трактора произошло повышение твердости почвы. Однако характер прироста твердости почвы по глубине носил неравномерный характер. Так, на глубине 5 см твердость почвы увеличилась в 1,18 раза, на глубине 10 см - в 1,86, на глубине 15 см - в 1,67, а на глубине с 20 до 30 см - в 1,25 раза соответственно.

После прохода серийного трактора глубина следа в среднем составила 70,1 мм, после экспериментального трактора с внутренним давлением в шине 1,2 бар - 72,3 мм, то есть увеличилась на 3,14 %. При внутреннем давлении в шине 1 бар глубина следа после прохода обоих тракторов практически одинакова, а их разница находится в пределах ошибки опыта (70,4 мм).

Качественное состояние почвы, влияющее на урожайность сельскохозяйственных культур, в значительной степени определяется ее макроагрегатным составом, который характеризуется коэффициентами структурности, распыления и глыбистости.

При давлении 1,2 бар значения коэффициента структурности после прохода экспериментального трактора

ниже на 13,7% по сравнению с серийным, коэффициент распыления меньше на 4,2 %, коэффициент глыбистости ниже на 3,2 %, При давлении в шинах 1 бар значения коэффициентов остаются на уровне серийного трактора, разница составляет 1,5-2 %.

В пятом разделе «Технико-экономическая оценка предложенных разработок» установлено, что при использовании нового газового коллектора затраты на топливо в сравнении с использованием штатного газового коллектора сократятся на 24 тыс. руб., а по сравнению с системой СЭРГ-500 на 198 тыс. руб. на один трактор в год.

Общие выводы

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработан новый газовый коллектор для тракторных дизелей, работающих по газодизельному циклу, и оценено влияние движителей трактора К-700А, оснащенного газобаллонным оборудованием, на уплотнение почвы.

2. Предложена математическая модель динамики движения потока газа через газовый коллектор, позволяющая определить расход газообразного топлива на каждый цилиндр при работе двигателя в газодизельном цикле.

3. Разработан, изготовлен и испытан новый газовый коллектор (патент № 123847), отличающийся тем, что выходные патрубки расположены в одинаковом плоскости, перпендикулярной оси цилиндрического корпуса, на одном расстоянии от входного патрубка, расположенного соосно с цилиндрическим корпусом. Использование такого коллектора позволяет снизить неравномерность подачи газообразного топлива дизельного двигателя, работающего по газодизельному циклу, в 1,5-2 раза, при этом снизить его расход по сравнению с системой СЭРГ-500 на 16 %, а с системой с распределенной подачей газа со штатным коллектором — на 4 %.

4. Проведены исследования изменения свойств почвы после прохода трактора К-700А, оснащенного газобаллонным

оборудованием, которые показали незначительное ухудшение показателей уплотнения почвы по сравнению с серийным трактором. Так, плотность почвы увеличилась на 2,5 %, твердость - на 3 %, глубина следа на 3,14 %. Снижение давления в шинах экспериментального трактора с 1,2 до 1,0 бар позволяет приблизить значения его показателей к показателям серийного трактора.

5. Проведенный технико-экономический расчет показал, что использование нового газового коллектора позволяет сократить расходы на эксплуатацию газобаллонного трактора в сравнении с использованием штатного газового коллектора на 24 тыс. руб. (1,5 %), а по сравнению с системой СЭРГ-500 на 198 тыс. руб. (на 10 %) на один трактор в год.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

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

2. Осовин, Н. 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 ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина». -2012.-№2(53).-С. 75-77.

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

4. Осовин, Н. 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. 57-62.

Патенты

5. Пат. №123847 Российская Федерация МПК: Р02М43/00. Газовый коллектор [Текст] / Н.В. Осовин, В.В. Володин, Б.П. Загородских; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова». - 2011140816/06; заяв. 07.10.2011; опуб. 10.01.2013; бюл. № 1, - 1 е., ил.

В материалах конференций и семинаров

6. Осовин, II. 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.

7. Осовин, Н. В. Повышение эффективности системы газодизелей [Текст]/ В. В. Володин, Н. В. Осовин // Саратов-АГР0.2011: материалы науч.-практ. конф. 2-й специализированной выставки; Саратовский ГАУ им. Н. И. Вавилова. - Саратов, 2011.-С. 151-153.

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

9. Осовин, Н. 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: материалы Междунар. науч.-практ. конф., -Волгоград, 2012. - Т. 2. - С. 214-246.

10. Осовин, Н. В. Изменение плотности почвы после прохода трактора К-700А с газовым оборудованием [Текст] / Н. В. Осовин, В. В. Володин, А. В. Русинов // Проблемы эксплуатации и ремонта автотракторной техники: материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 100-летию со дня рождения Г. П. Шаронова. - Саратов, 2012. - С. 135-138.

И. Осовин, Н. В. Переоборудование трактора К-700А для работы по газодизельному циклу [Текст] / Н. В. Осовин, Р. И. Муратов // Новые технологии и технические средства в АПК: материалы Междунар. конф., посвящ. 105-летию со дня рождения профессора Красникова Владимира Васильевича. - Саратов: КУБиК, 2013. - С. 134-137.

12. Осовин, Н. В. Использование газообразного топлива в тракторных двигателях сельскохозяйственного назначения [Текст] / Н. В. Осовин // Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин: сб. науч. тр. Сарат. гос. техн. ун-та. - Саратов, 2011.-С. 79-82.

Подписано в печать 17.10.2013. Формат 60х84'/1б Печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 262/251.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» 410012, Саратов, Театральная пл., 1

На правах рукописи

Осовин Николай Валерьевич

0420Н50007

УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАКТОРОВ, ОСНАЩЕННЫХ ГАЗОБАЛЛОННЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ПОДАЧИ ГАЗА

Специальность 05.20.03 — Технология и средства технического обслуживания

в сельском хозяйстве

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Володин В.В. доктор технических наук,

доцент

Саратов 2013

Оглавление

Введение...........................................................................................................................3

1. состояние вопроса, цель и задачи исследования......................................................7

1.1. Использование газомоторного топлива в сельскохозяйственных тракторах ...7

1.2. Анализ систем питания газодизелей.....................................................................15

1.3. Влияние неравномерности распределения топлива по цилиндрам дизеля.....29

1.4. Влияние установки дополнительного газобаллонного оборудования на уплотнение почвы..........................................................................................................33

1.5. Цель и задачи исследования..................................................................................39

2. Теоретическое обоснование снижения неравномерности подачи газа в цилиндры двигателя при работе по газодизельному циклу.....................................40

3. Методика экспериментальных исследований........................................................54

3.1. Исследование неравномерности подачи газообразного топлива......................54

3.2. Определение плотности и влажности почвы.......................................................61

3.3. Определение твердости почвы..............................................................................64

3.4. Определение глубины следа..................................................................................65

3.5. Определение макроагрегатного состава почвы...................................................66

4. Результаты экспериментальных исследований......................................................68

и их анализ......................................................................................................................68

4.1. Устройство для снижения неравномерности подачи газообразного топлива. Выбор основных параметров газового коллектора....................................................68

4.2. Устройство и работа газового коллектора...........................................................70

4.3. Результаты исследования неравномерности подачи газообразного топлива по цилиндрам двигателя.....................................................................................................72

4.3. Изменение плотности почвы после прохода трактора К-700А с газобаллонным оборудованием....................................................................................80

4.4. Изменение твердости почвы после прохода трактора К-700А с газовым оборудованием...............................................................................................................86

4.5. Изменение глубины следа почвы после прохода трактора К-700А с газовым оборудованием...............................................................................................................90

4.6. Изменение макроагрегатного состава почвы после прохода трактора К-700А с газовым оборудованием................................................................................................93

5. Технико-экономическое обоснование...................................................................100

Общие выводы.............................................................................................................106

Литература....................................................................................................................107

Приложения..................................................................................................................118

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. На сегодняшний день одним из основных потребителей дизельного топлива является сельскохозяйственная техника различного назначения - тракторы, комбайны и др. (более 40 % общего расхода дизельного топлива). Вследствие постоянно изменяющейся цены на нефть и нефтепродукты возникает все более острая необходимость использования альтернативных источников энергии.

Одним из перспективных энергоносителей на территории России является природный газ, который дешевле дизельного топлива и имеет лучшие экологические показатели. Поэтому совершенствование системы подачи газа для работы двигателя по газодизельному циклу является актуальной задачей.

Актуальность предлагаемых разработок подтверждена поручением Президента Российской Федерации от 18 октября 2004 г. № Пр 1686 ГС «Комплексная программа по стимулированию перевода сельскохозяйственной техники на газомоторное топливо», поручением Правительства РФ от 19 августа 2011 г. № ВЗ-П11-5884 «Проект предложений о техническом перевооружении сельскохозяйственной техники в части перехода на использование газомоторного топлива».

Степень разработанности темы. Работа дизелей по газодизельному режиму наиболее приемлема для сельскохозяйственных тракторов, так как не требует значительных изменений конструкции двигателя; при этом сохраняется штатная топливная аппаратура и возможность работать как в дизельном, так в газодизельном режиме. В России газовые системы для применения природного газа в качестве топлива для дизельных двигателей разрабатывают такие организации, как ОАО «КамАЗ», ЗАО «Газомотор», НПФ «САГА», ООО «ППП Дизельавтоматика», ЗАО «Автосистема» и др.

Разработанные системы изготовлены и проверены в эксплуатации, но не лишены недостатков. Одним из них является недостаточная равномерность

распределения газообразного топлива по цилиндрам двигателя, существенно влияющая на его работу, вызывая уменьшение мощности, ухудшение топливной экономичности и сокращение ресурса деталей двигателя и т.д.

Использование газодизельного цикла предполагает установку на тракторы газового оборудования, в частности баллонов для хранения газа. При этом дополнительная нагрузка увеличивает эксплуатационную массу трактора. Данное обстоятельство негативно отражается на воздействии движителей трактора на агротехнические свойства и состояние почвы.

Предлагаемая работа направлена на исследование и уменьшение влияния указанных недостатков.

Цель работы - улучшение эксплуатационных характеристик тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием и работающих по газодизельному циклу, путем снижения неравномерности подачи газа и уплотнения почвы.

Задачи исследования:

1) установить основные факторы, влияющие на эксплуатационные характеристики тракторов с газобаллонным оборудованием;

2) теоретически обосновать пути снижения неравномерности подачи газа по цилиндрам двигателя при работе по газодизельному циклу;

3) разработать, обосновать конструктивные параметры и экспериментально исследовать устройство, обеспечивающее снижение неравномерности подачи газообразного топлива;

4) исследовать влияние ходовой системы трактора К-700А с установленным газобаллонным оборудованием на плотность почвы;

5) провести технико-экономическую оценку результатов исследования.

Объект исследования - тракторы К-700А, оснащенные газобаллонным

оборудованием и работающие по газодизельному циклу.

Предмет исследования - процесс подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, работающего по газодизельному циклу; процесс изменения плотности почвы после прохода движителей трактора, оснащенного газобаллонным оборудованием.

Научная новизна работы состоит:

• в теоретическом и экспериментальном обосновании использования в системе подачи газообразного топлива в дизельный двигатель газового коллектора для снижения неравномерности подачи газа по цилиндрам двигателя;

• в получении аналитических зависимостей изменения плотности почвы после прохода трактора К-700А, оснащенного газобаллонным оборудованием.

Теоретическая и практическая значимость работы:

• разработана и предложена математическая модель динамики расхода газа через газовый коллектор;

• научно обоснованы конструктивные параметры газового коллектора с радиально расположенными в одной плоскости выпускными патрубками, что обеспечивает равномерную подачу газообразного топлива в цилиндры двигателя (патент № 123847);

• доказано, что снижение внутреннего давления воздуха в шинах уменьшает негативное воздействие движителей трактора, оснащенного газобаллонным оборудованием;

• проведенные исследования завершены рекомендациями по минимизации воздействия движителей тракторов на уплотнение почвы.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе теории двигателя и законов термодинамики, а также известных законов и положений физики почв и классической математики. Полевые исследования проводились с использованием современных методик и соответствующего оборудования.

Положения, выносимые на защиту:

• математическая модель динамики расхода газа через газовый коллектор при работе двигателя в газодизельном цикле;

• результаты теоретических и экспериментальных исследований неравномерности подачи газа по цилиндрам с использованием нового газового коллектора (патент № 123847);

• результаты экспериментальных исследований изменения свойств почвы после прохода трактора К-700А с газобаллонным оборудованием с разработкой рекомендаций по ее снижению.

Реализация исследований. Разработанный газовый коллектор для газодизельной системы с распределенной подачей газа внедрен на тракторах К-700А в ООО «Горизонт-С» Саратовской области, где они эксплуатируются в течение 2 лет.

Конструктивные разработки и результаты исследования приняты к внедрению для изготовления в ООО «ППП Дизельавтоматика» г. Саратов.

Апробация работы. Основные научные положения, выводы и практические рекомендации диссертации доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И.Вавилова» (Саратов, 2011-2012); на Международной научной сессии «Инновационные проекты в области агроинженерии» (М., 2011); на Международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение АПК» (Саратов, 2011); на научно-практической конференции 2-й специализированной выставке «Саратов-АГРО. 2011» (Саратов, 2011); на Международной практической конференции «Аграрная наука - основа успешного развития АПК и сохранения экосистем», Волгоградский ГАУ (Волгоград, 2012); на Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Г. П. Шаронова «Проблемы эксплуатации и ремонта автотракторной техники», Саратовский ГАУ (Саратов, 2012); на конкурсе научно-инновационных работ молодых ученых, посвященных 100-летию университета, Саратовский ГАУ (Саратов, 2013); на Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых вузов МСХ РФ, Башкирский ГАУ (Уфа, 2013), Саратовский ГАУ (Саратов, 2013).

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗОМОТОРНОГО ТОПЛИВА В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ТРАКТОРАХ

Агропромышленный комплекс является крупным потребителем топливно-энергетических ресурсов, в том числе дизельного топлива. На его долю приходится более 40 % общего расхода дизельного топлива, вторую строчку занимают автомобильный, железнодорожный и водный транспорт - они потребляют около 35 % дизельного топлива. Уменьшение мирровых запасов нефти и повышение ее стоимости вызывают необходимость поиска других энергоносителей из альтернативных ресурсов для замещения нефти [51].

По оценке многих ученых мира, газовые топлива станут альтернативой нефтяным моторным [29] На сегодняшний день одним из перспективных альтернативных топлив является природный газ. Россия обладает 45 % общемировых запасов газа, причем газовая промышленность страны продолжает стремительно развиваться [51].

В таких странах, как США, Канада, Австралия, Япония приняты национальные (региональные) программы перевода транспортных средств на газомоторное топливо и разработана соответствующая стимулирующая нормативно-законодательная база.

В Российской Федерации также имеются государственные программы перевода сельскохозяйственной техники на газомоторное топливо.

1. Комплексная программа по стимулированию широкомасштабного внедрения современных технологий перевода сельскохозяйственной техники на газомоторное топливо (реализация поручения Президента РФ В.В. Путина от 18 октября 2004 г. № Пр-1686 ГС и поручения Правительства РФ от 25 октября 2004 г. № МФ-П9-5799)

2. Проект предложений «О стимулировании широкомасштабного перевода сельскохозяйственной техники в частности перехода на использование

газомоторного топлива в соответствии с поручением Правительства РФ от 19 августа 2011 г. № ВЗ-П11-5884» [52].

3. План комплексных мероприятий по переводу автомобильной, тракторной и сельскохозяйственной техники на природный газ на территории Саратовской области на 2011-2015 гг.

Экономическим стимулом перевода техники на газомотрное топливо является постановление Правительства РФ № 31 от 15.01.93 г. «О неотложных мерах по расширению замещения моторных топлив природным газом», вкотром

о

сказано, что стоимость 1 м природного газа для автомобильного транспорта и сельскохозяйственной техники не должна превышать 50 % стоимости 1 л бензина марки АИ-92. Учитывая, что в настоящее время дизельное топливо стоит дороже бензина данной марки, - более 30 руб. за 1 л, стоимость газа будет в три раза дешевле.

Как известно, температура самовоспламенения газа выше, чем жидкого топлива, поэтому использовать в газовых двигателях принцип воспламенения от сжатия не удается [28].

Целесообразность использования природного газа кроме экономической выгоды вследствие существенной разницы в стоимости метана и дизельного топлива или бензина подтверждается также улучшением экологических параметров двигателя.

При использовании природного газа, в качестве топлива, позволит снизить или полностью устранить следующие факторы:

• выбросы свинца и окиси углерода бензиновых двигателей;

• выбросы твердых частиц дизельных двигателей;

• уровень шума дизельных двигателей.

Снижение вредных отработавших газов двигателей может быть значительным:

• углекислый газ - снижение на 22-24%, по сравнению с бензиновыми двигателями, на 10%, по сравнению с дизельными двигателями;

• окись углерода - снижение на 76%, по сравнению с бензиновыми

двигателями, при использовании как сжатого природного газа, так и сочетания СПГ с дизельным топливом;

• оксиды азота - снижение на 83%, по сравнению с бензиновыми двигателями, на 80%, по сравнению с дизельными двигателями;

• Углеводородные вещества— снижение на 88%, по сравнению с бензиновыми двигателями, на 80%, по сравнению с дизельными двигателями;

• бензол - снижение на 99%, по сравнению с бензиновыми двигателями, на 97%, по сравнению с дизельными двигателями;

• свинец - снижение на 100%, по сравнению с бензиновыми двигателями, для дизельных двигателей не применяется;

• дисперсные твердые частицы - для бензиновых двигателей не применяется, для дизельных двигателей полностью устранены;

• сера - почти 100% снижение, по сравнению с бензиновыми и дизельными двигателями.

Сгорание природного газа происходит медленнее, чем бензина, соответственно, уменьшается износ и продлевается срок службы двигателя.

В природном газе, не содержится свинца, поэтому, на свечах зажигания не образуется нагар, увеличивая срок эксплуатации в 2-3 раза.

По сравнению с обычными видами топлива, сжатого природного газа требуется от 30% до 60%, для выработки такого же количества энергии.

Надежность поставок газа, для стран, зависимых от импортируемой нефти, обеспечит возможность перехода на местные виды топлива, в случае международных нефтяных кризисов (рисунок 1) [89].

На сегодняшний день применяются два способа перевода дизельного двигателя на газ: 1) конвертация дизельного двигателя в газовый с искровым зажиганием, 2) применение газодизельного цикла.

Первый способ является более радикальным, так как в этом случае в конструкцию базового двигателя вносятся значительные изменения. С двигателя полностью демонтируют топливную аппаратуру, конструктивно уменьшают степень сжатия до 11-14 ед., устанавливают систему зажигания и

газораспределительное оборудование. После конвертации мотор уже не сможет работать на дизельном топливе, обратная операция практически невозможна [28]. К тому же появляются трудности при запуске двигателя в холодное время года: эксплуатация автомобиля при поломке газового оборудования или отсутствии заправки газом невозможна. Кроме того, работы по переоборудованию дизельного двигателя в газовый очень дорогостоящие и требуют больших затрат по времени [67].

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 о

■ Дизельное топливо (ДТ)

■ Сжиженный углеводородный газ (СУГ)

■ Компримированный природный газ (КПГ)

Рисунок I - Экологические показатели современных топлив

При создании монотопливных газовых двигателей еще на стадии конструирования учитывают все особенности газового цикла, в том числе более высокий тепловой режим в камере сгорания. Данное обстоятельство позволяет избежать некоторых нюансов, сопровождающих эксплуатацию конвертированных силовых агрегатов (например, повышенного внимания к клапанному механизму). Считается, что газовые двигатели наиболее применимы на автобусах, �