CC BY
8-(J
for performing agrochemical works on the basis of the calculation method for machine-tractor unit, tailored to specific operations. To solve this problem the proposed algorithm involves a method of multivariate comparative analysis of the calculated variants of building a machine-tractor unit. This method allows combining the most significant technical and economical characteristics into a comprehensive indicator for the assessment of efficiency of the unit being built. The choice of an effective machine is determined by the maximum value, reflecting the optimal combination of different indicators, characterizing the maximum difference between their values per unit of cultivated area - by machine-tractor unit (MTU), per unit of turnover - by tractor-driven units (TDU) or cars. The developed software package has been tested in three farms of Ryazan region with different level of technical equipment, size and field of activity. The calculations carried out on the data of these farms have shown, that the software package can be applied in agricultural enterprises of different levels of development, provision with equipment and specializations.
Key words: fertilizers, agrochemicals, software package, machine-tractor unit, comprehensive indicator.
Literatura
1. Izmaylov, A.Yu. Robototekhnika v agrokhimii tochnogo zemledeliya /A.Yu. Izmaylov, Z.A. Godzhaev, V.G. Sychev, R.A. Afanas'ev//Plodorodie, 2018. - № 1 (100). - S. 53-57.
2. Svidetel'stvo o gosudarstvennoy registratsii programmy dlya EVM № 2018664598 RF ot 20 noyabrya 2018 g. Formirovanie kompleksov tekhnicheskikh sredstv dlya khimizatsii sel'skogo khozyaystva / Panferov N.S., Pestryakov E.V., Zhuravleva O.I., Novikov N.N., Sorokin N.T.
3. Sorokin, N.T. Algoritm formirovaniya tekhnicheskikh kompleksov dlya provedeniya agrokhimicheskikh rabot/N.T. Sorokin, N.S. Panferov, E.V. Pestryakov// Tekhnika i oborudovanie dlya sela, 2018. - № 10. - S.22-24.
4. Sorokin, N.T. Zakonodatel'naya baza razrabotki programmnogo obespecheniya v usloviyakh politiki importozameshcheniya / N.T. Sorokin, N.S. Panferov, E.V. Pestryakov //Tekhnika i oborudovanie dlya sela, 2018. - №8. - S.2-5.
5. Khodakova, T.A. Informatizatsiya protsessa formirovaniya ratsional'nogo sostava mashinno-traktornogo parka dlya provedeniya agrokhimicheskikh rabot v rastenievodstve / T.A. Khodakova //Innovatsionnoe razvitie APK Rossii na baze intellektual'nykh mashinnykh tekhnologiy: sb. nauch. dokl. mezhdunarodnoy nauchno-tekhn. konf. (g. Moskva, 17-18 sent. 2014 g.). - M.: FGBNU VIM, 2014. - S. 482-486.
6. Khomyakov, D.M. Voprosy uvelicheniya potrebleniya mineral'nykh udobreniy v Rossiyskoy Federatsii / D.M. Khomyakov, B.V. Levin//Dostizheniya naukii tekhniki APK, 2016. - № 11. - S. 43-44.
УДК 621.43.057 DOI 10.36508/RSATU.2019.28.73.018
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ
НА ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТАВАХ ЭТЭ
ПЛОТНИКОВ Сергей Александрович, д-р. техн. наук, профессор кафедры технологии машиностроения, plotnikovsa@bk.ru
КАРТАШЕВИЧ Анатолий Николаевич, д-р техн. наук, профессор кафедры технологии машиностроения, Kartashevich@yandex.ru
ПЛЯГО Анатолий Веславович, аспирант кафедры технологии машиностроения, Tom.PAV@ mail.ru
Вятский государственный университет
Цель исследований - экспериментальное определение токсических показателей дизельного двигателя Д-245.5S2 сельскохозяйственного трактора при его работе на этаноло-топливной эмульсии с предельным содержание этанола в смеси. Объект исследования: экспериментальная установка (двигатель Д-245.5S2, электротормозной стенд RAPIDO SAK N670 с балансирной маятниковой машиной). Испытания дизеля проводились в соответствии с ГОСТ 18509-88. Исследования проводились на дизельном топливе и этаноло-топливной эмульсии с содержанием этанола 20% и 50% в смеси. Во время проведения исследований снималась регулировочная характеристика для определения оптимального угла опережения впрыскивания (угол 22° до верхней мертвой точки (ВМТ)). Затем снимались нагрузочные характеристики при частоте вращения коленчатого вала 1800 мин-1 и 1400 мин-1 и скоростная характеристика. Во всех экспериментах производилась фиксация эффективных и экологических показателей. Опираясь на полученные в результате испытаний экспериментальные данные, были установлены зависимости токсических показателей дизеля при его работе на этаноло-топливной эмульсии. Также были выявлены изменения токсичности и дымно© Плотников С. А., Карташевич А. Н., Пляго А. В., 2019 г.
Вестник РГАТУ, № 4 (44), 2019
сти отработавших газов при разных составах топлива. Приведены графики нагрузочной характеристики (экологические показатели) работы двигателя на базовом топливе и на этаноло-топлив-ной эмульсии с содержанием 20% и 50% этанола в смеси.
Ключевые слова: дизель, этанол, присадка комплексного действия, альтернативное топливо, дымность, токсичность отработавших газов.
Введение
Автомобильный транспорт и сельскохозяйственные машины являются одним из источников загрязнения воздушной среды Земли. Значительная часть выбросов вредных веществ осуществляется транспортом с дизельным двигателем. Благодаря своим высоким технико-экономическим показателям дизельный двигатель будет основным силовым агрегатом на коммерческом транспорте и сельскохозяйственной технике еще долгое время [2, 3]. Наряду с коммерческим, растет доля дизелизации легкового автотранспорта. Поэтому работы по улучшению экологических показателей дизельных двигателей будут актуальными.
Исследование состояния вопроса по применению альтернативного топлива в Российской Федерации
Применение альтернативного топлива из возобновляемых источников, наряду с базовым топливом ископаемого происхождения, является реалией наших дней по всему земному шару. Это вопрос не только сохранения запасов ископаемого топлива, но и, в большей части, сохранения и улучшения экологической обстановки на Земле. В США на каждой заправочной станции продают как топливо из ископаемых углеводородов, так и альтернативное жидкое топливо из возобновляемых источников. Такая же картина и в Бразилии. Там в качестве возобновляемого источника используется спирт из сахарного тростника, смешиваемый с базовым топливом. Страны Евросоюза также всячески поддерживают применение топлив из возобновляемых источников. Все эти инициативы поддерживаются и на уровне правительств стран. В Российской Федерации вопрос применения альтернативных жидких топлив находится в стадии становления [1]. В лучших вузах страны ведутся исследования по применению альтернативных видов топлива. Это касается вопросов применения не только газообразного топлива - как в бензиновых, так и в дизельных двигателях, но и применения жидких топлив - таких, как спирты. Вопрос применения спиртов в качестве добавки к основному топливу ископаемого происхождения рассматривается уже достаточно давно, начиная с 80-х годов прошлого века; с новой силой этот вопрос возник и достаточно плотно исследуется с 2010 года. Ниже приведен ряд работ по применению спирта - этанола в качестве экологической добавки в базовое топливо.
С середины прошлого столетия в Вятской Государственной сельскохозяйственной академии ведутся работы по применению низших спиртов в качестве добавки в дизельное топливо (ДТ). Работы, в основном, направлены на улучшение как экологических показателей работы дизеля, так и на улучшение эффективных показателей. К ним можно отнести: «Улучшение экологических по-
казателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла с двойной системой топливоподачи путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газах» (автор - Копчиков Виктор Николаевич); «Снижение дымности отработавших газов дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения этаноло-топливных эмульсий» (автор - Шаромов Иван Михайлович); «Исследование рабочего процесса дизеля 4Ч 11,0/12,5 при использовании в качестве топлива этаноло-топливной эмульсии» (автор - Чупраков Андрей Иванович); «Исследование рабочего процесса дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на этаноле с двойной системой топливоподачи» (автор - По-левщиков Александр Сергеевич). В работах, в основном, исследуется возможность работы дизеля на топливах с добавками товарного, немодифи-цированного этанола и минимального количества топливных присадок.
Бирюков Владимир Владимирович (МГТУ имени Н.Э.Баумана) работал над проектом «Методы повышения эффективности работы дизеля при использовании этанола в качестве экологической добавки к дизельному топливу». Были проведены исследования работы дизеля Д-245.12С на смесях, содержащих: ДТ - 70%, рапсовое масло - 30%; ДТ - 96%, абсолютный этанол - 4%. Отмечается, что максимальный эффект при снижении дымности отработавших газов (ОГ) достигнут при работе на смеси рапсового масла (РМ) с 30% этилового спирта и составляет 2,0 единицы по шкале Bosch (в абсолютных единицах) - 38% по сравнению с работой на ДТ. При использовании смеси ДТ + этанол дымность ОГ на режимах внешней скоростной характеристики снизилась на 15-25%.
В Российском Университете Дружбы Народов исследователь Фернандо Кумар Патабендиге Имал Д. проводил исследования по теме «Совершенствование энергетических и экологических качеств дизеля типа Д-240 добавкой этанола к основному топливу». Была проведена оценка повышения энергетических и экологических качеств дизеля Д-240 добавкой к основному топливу этанола в количестве 30-40% в массовых долях. В результате разработан метод регулирования работы дизеля в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов путём «безреечного» регулирования (отключением-включением части цилиндров или циклов).
Как видно из представленного списка работ, взор научного сообщества направлен на улучшение экологических показателей работы дизельного двигателя [4]. Известно, что применение этанола ведет к более жесткой работе двигателя из-за взрывного характера горения этанола в камере сгорания (КС) двигателя [6]. Присадки, применяемые в вышеперечисленных работах, направлены больше на стабилизацию состава этаноло-то-
пливной эмульсии, нежели на улучшение рабочих процессов, происходящих в цилиндре двигателя. Рассмотрение представленных работ позволило сформулировать основную цель настоящей работы - поиск и исследование комплексных присадок, позволяющих, наряду со стабилизацией этаноло-топливной эмульсии (ЭТЭ), значительно изме-ненить процесс сгорания, приближая параметры горения эмульсии к параметрам горения базового топлива[7].
Объекты и методы
Испытания двигателя производят для оценки его основных показателей. Дизельная топливопо-дающая аппаратура (ТПА) должна соответствовать требованиям технических условий завода-изготовителя, а форсунка удовлетворять основным параметрам ГОСТ 10579-2017 и ГОСТ 10579-88 [10, 11]. Испытания дизеля проводились в соответствии с ГОСТ 18509-88 [9]. Дизель нагружался с помощью нагрузочного электротормозного стенда RAPIDO SAK N670 с балансирной маятниковой машиной (рис. 1). Испытательный стенд был оборудован приборами и устройствами для снятия эффективных показателей, а также токсичности
и дымности отработавших газов [5]. Испытания проводились на трех составах топлива: ДТ100%; ДТ80% + этанол19% + присадка комплексного действия 1%; ДТ 50% + этанол 49% + присадка комплексного действия 1%.
Первый этап эксперимента состоял в определении стабильности состава этаноло-топливной эмульсии. Были опробованы 4 различных присадки; после анализа результатов эксперимента было решено оставить в дальнейших исследованиях присадку комплексного действия на основе молибдена. Присадка показала наилучшие результаты стабильности этаноло-топливной эмульсии
Вторым этапом являлось исследование работы топливного насоса высокого давления (ТНВД) и форсунок на отмеченных смесях топлив. Испытания не выявили существенных отклонений в работе форсунок и ТПА [8].
Третьим этапом стали стендовые испытания (рис. 1) новых составов топлив на дизельном двигателе Д-245^2. Для определения оптимального установочного угла впрыска топлива снималась регулировочная характеристика по установочному углу опережения впрыскивания топлива.
Рис. 1 - Нагрузочный электротормозной стенд RAPIDO SAK N670 с балансирной маятниковой машиной
В ходе испытаний было определено оптимальное значение угла опережения впрыскивания топлива © = 22о до ВМТ. Далее снимались нагрузочные характеристики в номинальном режиме и в режиме максимального крутящего момента, а также скоростная характеристика при номинальной нагрузке. Одновременно записывались эффективные и экологические показатели.
Еще одним важнейшим этапом стендовых испытаний было снятие индикаторной диаграммы работы двигателя на новых составах топлива и расчет показателей тепловыделения.
Экспериментальная часть
Регулировочная характеристика позволяет исследовать изменения мощностных и экономических показателей дизеля при различных значениях установочного угла опережения впрыскивания топлива и различном содержании этанола в эмульсии при частоте вращения п = 1800 мин-1. Скоростная характеристика анализирует эффективные и токсические показатели работы дизельного двигателя в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала при постоянной нагрузке. Влияние состава эмульсии (по количеству введённого в неё этанола) оценивалось по
Э
Вестник РГАТУ, № 4 (44), 2019
нагрузочным характеристикам, снятым на номинальном скоростном режиме при п = 1800 мин-1 и на частоте вращения п = 1400 мин-1. Ниже представлены графики экологических показателей при снятии нагрузочных характеристик.
На рис. 2 представлены показатели токсичности работы дизеля при частоте вращения коленчатого вала п = 1800 мин-1. Как видно из представленного графика, происходит значительное снижение таких вредных показателей, как суммарные оксиды азота NOx - в 2 раза и сажа С - в 2,5 раза. Это обуславливается наличием в этаноле атома кислорода О. В свою очередь, менее вредные с физиологической точки зрения компоненты отработавших газов: монооксид углерода СО, диоксид углерода СО2, суммарные углеводороды С Н незначительно возрастают.
х у г
На рис. 3 представлены показатели токсичности работы дизеля при частоте вращения коленчатого вала п = 1400 мин-1- Анализ данных показывает, что работа дизельного двигателя на ЭТЭ сопровождается значительным снижением суммарных оксидов азота NOх и сажи С, и незначительным ростом других токсичных компонентов -СО и С02, СхНу. Решающее значение в этом случае оказывает ускорение процесса горения, снижение осредненной температуры цикла и, как следствие, температуры ОГ.
СяНу.ррпп 30 20 10
NO,.pprn 1000 700 400 100
СО .%
0,06 0,04 0,02
Hv
□ в - * I__ <— - «о --1! -а
N О. < £
>- -
—£ а ' - _
С Э-
а jiiiy
Г" п _ >
. -D
а -а- 1 г г^ "
! - >
с'
х гС
□ [ □ □
СО-,%
С ,% 20 15 10 5
0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 Р4,МПа.
&-^ - дизельное топпне о
V------ус . 20% этанола
о......п- 50% этанола
Рис. 2 - Нагрузочная характеристика двигателя (дымность и токсичность ОГ) при п = 1800 мин-1
Рис. 3 - Нагрузочная характеристика двигателя (дымность и токсичность ОГ) при n = 1400 мин-1
Результаты и выводы
1. Расширенный теоретический анализ классов, типов и групп присадок позволил произвести предварительный их выбор для заданных условий.
2. Лабораторные исследования стабильности предельных составов ЭТЭ подтвердили работоспособность комплексной присадки на основе молибдена.
3. Работа дизеля на ЭТЭ с присадкой комплексного действия не вызывает отказов топливопода-ющей аппаратуры.
4. Проведенные стендовые испытания выявили улучшение экологических показателей работы дизеля.
Список литературы
1. Анализ экологических характеристик этанола и его смеси с нефтяным дизельным топливом /В.А. Марков, И.Г. Суровцев, И.И. Блудова, С.А. Зыков // Автогазозаправочный комплекс + Альтернативное Топливо. - М., 2016. - № 5. - С. 18-31.
2. Николаенко, А.В. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей / А.В. Николаенко. - М., Колос, 1984 - 335 с.
3. Луканин, В.Н. Двигатели внутреннего сгорания / В. Н. Луканин. - М.: Высшая школа, 1995. - 944 с.
4. Ассад, М.С. Продукты сгорания жидких и газообразных топлив: образование, расчет, экс-
к - №
перимент / М.С. Ассад, О.Г. Пенязьков. - Минск: Беларус. Наука, 2010 - 305 с.
5. Кавтарадзе, Р.З. Частично-гомогенное сгорание традиционных и альтернативных топлив в дизелях. Часть 1. Способы гомогенизации сгорания //Транспорт на альтернативном топливе, 2018. - № 1 (61). - С. 37 - 52.
6. Плотников С.А. Улучшение эксплуатационных показателей дизелей путем создания новых альтернативных топлив и совершенствования то-пливоподающей аппаратуры. Автореф. дисс. докт. техн. наук. - Н-Новгород, 2011. - 40 с.
7. Плотников, С. А. Исследование процесса сгорания и тепловыделения дизеля с термофорсированием / С.А. Плотников, Ш.В. Бузиков, В.Ф.
Атаманюк // Тракторы и сельхозмашины, 2014. ■ 7. - С. 25-27.
8. Плотников, С.А. Влияние состава спиртосодержащего топлива на показатели процесса то-пливоподачи / С.А. Плотников, С.Н. Гущин, С.Р. Лебедев // Двигателестроение, 2004. - № 3. - С 43-45.
9. ГОСТ 18509-88. Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний.
10. ГОСТ 10579-88. Форсунки дизелей. Общие технические условия.
11. ГОСТ 10579-2017 Форсунки дизелей. Технические требования и методы испытаний.
12. Дизели Д-245S2, Д-245^2, Д-245^2,Д-245.16S2,Д-245.16ЛS2, Д-245.42S2, Д-245.43S2.
Руководство по эксплуатации. RESEARCH OF ECOLOGICAL INDICATORS OF THE AUTOTRACTOR DIESEL ENGINE AT WORK
ON LIMITING STRUCTURES ETE
Plotnukov Sergey A., a Dr.Sci.Tech., the professor of chair of technology of mechanical engineering, Vjatsky state university, plotnikovsa@bk.ru
Kartashevich Anatoly N., Dr.Sci.Tech., the professor of chair of technology of mechanical engineering, Vjatsky state university, Kartashevich@yandex.ru
Plyago Anatoly V., the post-graduate student of chair of technology of mechanical engineering, Vjatsky state university, Tom.PAV@mail.ru
The purpose of probes - experimental definition of toxic indicators of diesel engine D-245.5S2 at its work on etanolo-fuel emulsion with limiting the ethanol maintenance in a mixture. Object of probe: experimental installation (engine D-245.5S2, electrobrake stand RAPIDO SAK N670 with balancer by pendular car). Diesel engine tests were spent according to GOST 18509-88. Probes were spent on diesel fuel and etanolo-fuel emulsion with the maintenance of ethanol of 20 % and 50 % to mixtures. During carrying out of probes the adjusting characteristic, for definition of an optimum angle of an injection advance (a corner 22 ° to the top dead point (TDP)) acted in film. Then loading characteristics acted in film at rotary speed of a bent shaft of 1800 mines-1 both 1400 mines-1 and the high-speed characteristic. At all experimentals fixing of effective and ecological indicators was made. Leaning against the received experimental data as a result of tests, dependences of toxic indicators of a diesel engine have been established at its work on etanolo-fuel emulsion. Also changes of toxicity and smoke, the fulfilled gases are revealed at different structures of fuel. Schedules of the loading characteristic (ecological indicators) engine works on base fuel and on etanolo-fuel emulsion with the maintenance of 20 % and 50 % of ethanol in a mixture are resulted.
Key words: a diesel engine, ethanol, additives of the complex action, alternative fuel, smoke and toxicity of the fulfilled gases.
Literatura
1. Markov, V.A. Analiz ekologicheskih harakteristik etanola i ego smesi s neftyanym dizel'nym toplivom /V.A. Markov, I.G. Surovcev, I.I. Bludova, S.A. Zykov//Avtogazozapravochnyj kompleks + Al'ternativnoe Toplivo. -M, 2016. - № 5. - S.18-31.
2. Nikolaenko, A.V. Teoriya, konstrukciya iraschet avtotraktornyh dvigatelej/A.V. Nikolaenko. - M., Kolos, 1984. - 335 s.
3. Lukanin, V.N. Dvigateli vnutrennego sgoraniya / V. N. Lukanin. - M.: Vysshaya shkola, 1995.- 944 s.
4. Assad, M.S. Produkty sgoraniya zhidkih i gazoobraznyh topliv: obrazovanie, raschet, eksperiment/M.S. Assad, O.G. Penyaz'kov. - Minsk: Belarus. Nauka, 2010. - 305 s.
5. Kavtaradze, R.Z. CHastichno-gomogennoe sgoranie tradicionnyz i al'ternativnyh topliv v dizelyah. CHast' 1. Sposoby gomogenizacii sgoraniya //Transport na al'ternativnom toplive, 2018. - № 1 (61). - S. 37 - 52.
6.PlotnikovS.A.Uluchshenieekspluatacionnyhpokazatelejdizelejputemsozdaniyanovyhal'ternativnyhtopliv isovershenstvovaniyatoplivopodayushchejapparatury.Avtoref.diss. dokt. tekhn. nauk.-N-Novgorod, 2011.-40s.
7. Plotnikov, S. A. Issledovanie processa sgoraniya i teplovydeleniya dizelya s termoforsirovaniem / S.A. Plotnikov, SH.V. Buzikov, V.F. Atamanyuk //ZHurnal Traktory i sel'hozmashiny, 2014. - № 7. - S. 25-27.
8. Plotnikov, S.A. Vliyanie sostava spirtosoderzhashchego topliva na pokazateli processa toplivopodachi / S.A. Plotnikov, S.N. Gushchin, S.R. Lebedev//ZHurnal Dvigatelestroenie, 2004. - № 3. - S 43-45.
9. GOST 18509-88. Dizeli traktornye i kombajnovye. Metody stendovyh ispytanij.
10. GOST 10579-88. Forsunki dizelej. Obshchie tekhnicheskie usloviya.
11. GOST 10579-2017. Forsunki dizelej. Tekhnicheskie trebovaniya i metody ispytanij.
12. Dizeli D-245S2, D-245.2S2, D-245.5S2,D-245.16S2,D-245.16LS2, D-245.42S2, D-245.43S2. Rukovodstvo po ekspluatacii. 245S2.
