CC BY
10\\\\\\\\\\\\ч
Научные разработки и исследования
Повышение эффективности машинно-тракторного агрегата за счет перевода его энергетических установок на газодизельную систему подачи топлива
Ф.Х. Халиуллин, доцент Казанского государственного аграрного университета
(КГАУ), г. Казань, к.т.н.,
В.М. Медведев, доцент КГАУ, к.т.н.,
З.М. Халиуллина, доцент КГАУ, к.т.н.,
А.В. Матяшин, доцент КГАУ, к.т.н.
Перевод энергетических установок существующих транспортных и транспортно-технологических машин на газомоторное топливо требует не только создания необходимой инфраструктуры для бесперебойной работы такой техники, но и значительных вложений на первоначальную установку соответствующего газобаллонного оборудования. Для обоснования целесообразности такого перевода используются различные критерии оценки. Авторами были проведены исследования по переводу дизельного двигателя Д-243 трактора МТЗ-82 на газодизельный цикл и определены его эффективные и мощностные показатели в лабораторных и полевых испытаниях. В статье приводится оценка экономической эффективности работы энергетической установки на дизельном и газодизельном циклах путём сравнения погектарных расхода и стоимости топлива при работе машинно-тракторного агрегата в составе трактора МТЗ-82 и культиватора КПС-4 на обработке почвы.
__Ключевые слова:
газомоторное топливо, газодизельный цикл, условное топливо, стоимость топлива на гектар.
П
еревод энергетических установок транспортных и транспортно-технологических машин различного эксплуатационного назначения на газомоторное топливо (ГМТ) в настоящее время становится задачей государственного масштаба на федеральном и региональном уровнях [1-3]. Это обусловлено в первую очередь экономическими, экологическими и эксплуатационными факторами. Изначальный выпуск машин с энергетическими установками, рассчитанными на газомоторное топливо, требует только наличия соответствующей инфраструктуры в регионах, где они эксплуатируются. Но есть огромный парк машин, которые имеют двигатели внутреннего сгорания, работающие на жидком топливе. И для них задача решается только установкой дополнительного оборудования, позволяющего использовать ГМТ [4]. Однако, если
""■спи,»«.»*
Научные разработки и исследования
KWWWWWW
для искровых двигателем внутреннего сгорания этот перевод означает установку дополнительного газобаллонного оборудования с разными функциональными возможностями в зависимости от производителя и конструктивной схемы, то для дизельных двигателей при переводе на ГМТ требуются кардинальные изменения конструкции, что выполнимо только в условиях производителя. Одним из вариантов решения данной проблемы является перевод двигателей на газодизельную систему подачи топлива [5-7].
Преимуществами работы энергетической установки на газодизельном цикле авторы считают следующее:
• уменьшение расхода жидкого дизельного топлива на 75...80 % за счёт замещения его газом;
• снижение выброса твёрдых частиц в 1,5.2 раза и сажи в 2.3 раза;
• уменьшение уровня шума на 3.4 дБ(А);
• увеличение срока службы моторного масла в 1,5 раза;
• уменьшение износа цилиндропоршневой группы в 1,5 раза.
Авторами были проведены исследования по переводу двигателя Д-243 на газодизельный цикл путём установки соответствующего газобаллонного оборудования. Исследования проводились как в лабораторных, так и полевых условиях.
При проведении лабораторных исследований стояла задача определения параметров рабочего процесса двигателей в дизельном и газодизельном циклах и их сравнение. Рассматривая двигатель как динамический объект со стационарными характеристиками и используя методы идентификации таких систем, нам удалось получить описание изменения показателей двигателя при тестовых нагрузках с удовлетворительной точностью решениями дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. В качестве тестовых были выбраны усиление и снижение нагрузки в пределах линейных зон стационарных характеристик.
На динамических режимах для описания изменений показателей двигателя при тестовых нагрузках применяются решения дифференциальных уравнений:
T
-L Я
d 2М
2i
dt2
+ T
dM
dt
+ Mt = K2i AMC
где Tu, T2i - коэффициенты дифференциальных уравнений, определяемые по экспериментальным данным при тестовых нагрузках; Д/; - приращение i-го параметра при изменении нагрузки на валу двигателя; K2j - коэффициент усиления i-го параметра по крутящему моменту; ДМС - приращение момента сопротивления на валу двигателя.
Графики изменения расхода топлива и крутящего момента приведены на рис. 1
и 2.
Сравнительный анализ динамических характеристик двигателей с дизельной и газодизельной системами подачи топлива показывает следующее:
1. Динамические характеристики для двигателей с дизельной и газодизельной системами подачи топлива составляют - по частоте вращения 2,64.2,79 и 2,58.2,67 с, по цикловой подаче 2,48.2,53 и 2,36.2,42 с соответственно, по подаче газа 1,94.2,15 с.
2. Среднее значение времени задержки изменения переходного процесса для исследуемых показателей при лабораторных исследованиях составляет 0,7.0,9 с.
шшшшшшш
5ч.
Г/Ш1КП
0.27 0.26 0,25 0.24 0.23 0.22 0.21
-----
гч > . У 4 0 '
* V / / ■У/
V /' V
А /' \/ / А т 1 \
1 П 1 * 1 и ■ » \
' У •ч _ ____...... ----
0.0 1,5 3,0 4,5 6,0 7,5 9,0 10.5 12.0
13,5 Г. С
Рис. 1. График изменения цикловой подачи топлива gц при снижении и увеличении нагрузки
71
Рис. 2. График изменения крутящего момента Ме коленчатого вала при снижении и увеличении нагрузки
При полевых испытаниях авторами были исследованы машинно-тракторный агрегат (МТА) в составе трактора МТЗ-82, оснащённого двигателем с традиционной дизельной системой подачи топлива Д-243 и с газодизельной системой подачи топлива Д-243Г (МТЗ-82Г), и культиватор КПС-4 при проведении полевых работ по обработке почвы. Критерием эффективности использования МТА для дизельного и газодизельного режимов энергетического средства был выбран показатель погектарных расхода и стоимости топлива [8, 9]. Для определения этих показателей, согласно общепринятой методике, было использовано понятие условного топлива для выполнения технологических операций [11].
""■спи,»«.»*
Научные разработки и исследования
х\\\\\\\\\\\\
Необходимые данные для сравнения технико-экономических показателей исследуемых МТА представлены в табл. 1.
Таблица 1
72 Данные для расчёта технико-экономических показателей
Показатель Величина
по дизельному циклу по газодизельному циклу
Наименование МТА МТЗ-82+КПС-4 МТЗ-82Г+КПС-4
Ширина захвата, м 4 4
Производительность, га/ч 3,9 3,9
Потребная мощность, кВт (л.с.) 57,4 (78) 57,4 (78)
Скорость движения, км/ч 10 10
Норма расхода топлива, руб./га (по данным 2015 года) 142,16 68,78
Для определения показателей погектарного расхода и стоимости топлива воспользуемся следующими формулами:
А. = ^,
га Ж
у = X Ал • Цщ
га ж '
где Вга - погектарный расход топлива, кг/га; Б^ - расход условного топлива, кг/га; W - производительность МТА; Уга - стоимость топлива на гектар, руб./га; Бш. - расход натурального топлива, кг/га; Цш. - цена натурального топлива. Результаты сравнительного анализа приведены в табл. 2 и на рис. 3, 4.
Таблица 2
Результаты сравнительного анализа
Вид МТА Погектарный расход условного топлива, у.т./га Стоимость топлива на гектар, руб./га
С дизельным режимом 5,29 142,16
С газодизельным режимом 5,02 68,78
Результаты сравнительного анализа эффективности использования МТА с газодизельной и дизельной системами подачи топлива, приведенные в табл. 2 и на рис. 3, 4, показывают, что условный расход топлива на 1 га с газодизельной подачей топлива меньше на 5.8 %, а стоимость - на 50.55 %.
При этом проведённый дополнительный расчёт для условий исследований показывает [11], что срок окупаемости дополнительных капитальных вложений при переводе МТА на газодизельный режим равен 0,55 лет.
шшшшшшш
Рис. 3. Расход условного топлива на гектар Рис. 4. Стоимость топлива на гектар
Использованные источники
1. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 13 мая 2013 г. № 767-р «О расширении использования природного газа в качестве моторного топлива», г. Москва.
2. Лиханов В.А. Природный газ как моторное топливо для тракторных дизелей. - Киров: Вятская ГСХА, 2002. - 280 с.
3. Халиуллин Ф.Х., Галиев И.Г. Учёт условий эксплуатации автотранспортных средств при определении нормативов технической эксплуатации // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2011. - № 2 (20). - С. 106-108.
4. Марков В.А. Системы электронного управления топливоподачей газовых и газодизельных двигателей / В.А. Марков, В.В. Фурман, В.А. Иванов, И.А. Черезов // Транспорт на альтернативном топливе. - 2012. - № 4 (28). - С. 14-18.
5. Вербовский В.С. Оптимизация запальной дозы дизельного топлива газодизеля по энергетическим показателям // Двигатели внутреннего сгорания. - 2012. -№ 2. - С. 17-20.
6. Ott T., Onder C., Guzzella L. Hybrid-Electric Vehicle with Natural Gas-Diesel Engine // Energies. - 2013. - № 6 (7). - Р. 3571-3592 г.
7. Бебенин Е.В. Совершенствование топливной системы тракторных дизелей для работы по газодизельному циклу на примере трактора РТМ-160 / Диссертация на соискание уч. степени к.т.н. - Саратов, 2009. - 136 с.
8. Халиуллин Ф.Х. Операторная форма решения уравнений для модели энергетических установок мобильных машин / Ф.Х. Халиуллин, В.М. Медведев // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2014. - № 2. - С. 7.
9. Халиуллин Ф.Х. Влияние условий функционирования автомобилей КамАЗ на их экономичность с учётом динамических характеристик двигателя / Автореферат дисс. на соискание уч. степени к.т.н. - Казань, 1992. - 16 с.
10. Medvedev V.M. Operating conditions of the D-240 Engine based dual fuel gasdiesel engine of the agricultural tractjr / Medvedev V.M., Ahmetzyanov I.R., Shiri-yazdanov R.R., Khaliullin F.K. / «European Conference on Innovations in Technical and Natural Sciences» Proceedings of the 2nd International scientific conference (May 12, 2014). «East West» Association for Advanced Studies and Higher Education GmbH. Vienna. 2014.
11. Медведев В.М. Повышение эффективности функционирования машинно-тракторного агрегата с газодизельной системой подачи топлива / В.М.Медведев. Диссертация на соискание уч. степени к.т.н. - Уфа, 2015 г. - 169 с.
rni \
■Vou,»«.»*
74
Информационные материалы
m\\\\\\\\\\\\
Abstracts of articles
P. 51
Two-phase Fuel Supply in a Diesel Engine Vehicle Running on Biofuels P.R. Pablo Val'ekho, Vladimir Markov, Valery Trifonov, Larisa Spiridonova
The requirements for fuel supply generated in transport diesel engines are presented. The expediency of characteristics of refillable fuel injection in transport diesel is proved. The influence of such fuel supply characteristics on diesel exhaust gases' toxic level is noted. The system of two-phase fuel supply for transport diesel is proposed. This kind of the working process arrangement can be implemented in a transport diesel engine running on biofuels.
Keywords: diesel engine, alternative fuel, biofuel, rapeseed oil, two-phase fuel supply, indicators of exhaust gases' toxic
level.
References
1. Internal combustion engines: the device and operation of piston and combined engines / V.P. Alekseev, V.F. Voronin, L.V. Grekhov. Ed. A.S. Orlina, M.G. Kruglov. - M.: Mashinostroenie, 1990. - 288 p.
2. Markov V.A., Bashirov R.M., Gabitov I.I. Toxicity of exhaust gases of diesel engines. - M.: Publishing House of Bauman Moscow State Technical University, 2002. - 376 p.
3. Mechanical engineering. Encyclopedia. Volume IV. Internal combustion engines / L.V. Grekhov, N.A. Ivaschenko, V.A. Markov and others. Ed. A.A. Alexandrova, N.A. Ivaschenko. - M.: Mashinostroenie, 2013. - 784 p.
4. Vallejo Maldonado P.R. Energy-saving technologies and alternative energy: A manual for universities. - M.: Publishing house of the RUDN University, 2008. - 204 p.
5. Markov V.A., Kozlov S.I. Fuel and fuel feed multi-fuel and gas diesel engines. - M.: Publishing House of Bauman Moscow State Technical University, 2000. - 296 p.
6. Yakubovsky Y. Automobile transport and environmental protection: Translation from Polish by T. A. Bobkova. - M.: Transport, 1979. - 198 p.
7. Gorbunov V.V., Patrakhaltsev N.N. Toxicity of internal combustion engines. - M.: Publishing house of the RUDN University, 1998. - 216 p.
8. Kulchitsky A. R. Toxicity of automobile and tractor engines. - Vladimir: Publishing house of Vladimir State University, 2000. - 256 p.
9. Grekhov L.V., Ivashchenko N.A., Markov V.A. Fuel equipment and control systems of diesel engines. Textbook for universities. - M.: LegionAvtodata, 2005. - 344 p.
10. Markov V.A., Devyanin S.N., Malchuk V.I. Injection and atomization of fuel in diesel engines. - M.: Publishing House of Bauman Moscow State Technical University, 2007. - 360 p.
11. Bosch: Diesel engine management systems: Translation from German. - M.: Behind the wheel, 2004. - 480 p.
12. Kammerdiener T., Burgler L. Ein Common Rail-Konzept mit druckmodulierter Einspritzung // MTZ: Motortechnische Zeitschrift. - 2000. - Jg. 61. - № 4. - S. 230-238.
13. Maiorana G., Rossi G.S., Ugaglia C. Die Common-Rail-Motoren von Fiat // MTZ: Motortechnische Zeitschrift. - 1998.
- Jg.59. - №9. - S. 582-588.
14. Klingmann V.R., Bruggemann H. Der neue Vierzylinder-Dieselmotor OM611 mit Common Rail-Einspritzung // MTZ.
- 1997. - Jg. 58. - № 12. - S. 760-767.
15. Hoffmann K.-H., Hummel K., Maderstein T., Peters A. Das Common-Rail-Einspritzsystem - ein neues Kapitel der Dieseleinspritztechnik // MTZ: Motortechnische Zeitschrift. - 1997. - Jg.58. - № 10. - S. 572-582.
16. Gusakov S.B. Prospects for the use of alternative fuels from renewable sources in diesel engines: A textbook for universities. - M.: Publishing house of the RUDN University, 2008. - 318 p.
17. Patrakhaltsev N.N. Improving the economic and environmental qualities of internal combustion engines based on the use of alternative fuels: A textbook for universities. - M.: Publishing house of the RUDN University, 2008. - 267 p.
18. Heat engines of electric and heating installations using biofuels: A manual for universities / M.G. Shatrov, A.S. Khachiyan, L.N. Golubkov et al. - M.: Publishing house of MADI, 2014. - 92 p.
19. Lotko V., Lukanin V.N., Khachiyan A.S. The use of alternative fuels in internal combustion engines. - M.: Publishing house of MADI, 2000. - 311 p.
20. Plotnikov S.A., Kartashevich A.N., Cheremisinov P.N. Improvement of diesel fuel mixes with rapeseed oil for use in tractor diesel engines // Dvigatelestroyeniye. - 2017. - № 4. - p. 21-24.
21. Knothe G., Van Gerpen J., Krahl J. et al. The Biodiesel Handbook. - Shampaign, Illinois: AOCS Press, 2005. - 286 p.
22. Biofuels for internal combustion engines / V.A. Markov, S.N. Devyanin, S.A. Zykov et al. - M.: Research Center "Engineer" (Union NIO), 2016. - 292 p.
23. Use of vegetable oils and fuels based on them in diesel engines / V.A. Markov, S.N. Devyanin, V.G. Semenov et al. - M.: Research Center "Engineer", 2011. - 536 p.
24. Hashimoto M., Dan T., Asano I. et al. Combustion of the Rape-Seed Oil in a Diesel Engine // SAE Technical Paper Series.
- 2002. No. 2002-01-0867. - P. 1-12. P. 62
Estimating Aimed Biofuel Composition for Diesel Internal Combustion Engines Vitaly Likhanov, Oleg Lopatin
The use of renewable energy sources such as biofuels to improve the environmental performance of internal combustion engines (ICE) is justified in the article. The factors affecting the combustion processes of fuel and issues that allow providing necessary conditions for the combustion of biofuels in the combustion chamber of a diesel engine properly are considered. As a result of experimental studies, biofuels for diesel engines have been developed and their compositions have been optimized.
Keywords: biofuel, diesel, methanol, ethanol, emulsion, methyl ester of rapeseed oil.
