Результаты исследования системы подачи пара во впускной коллектор дизеля и ее влияние на технико-экономические и экологические показатели трактора при выполнении сельскохозяйственных работ

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

С каждым годом парк автотракторной и комбайновой техники растет, увеличивается единичная мощность и расширяется сфера применения техники. Все это приводит к увеличению загрязнения атмосферы токсичными веществами отработавших газов и увеличению их вредного воздействия. Установлено, что концентрация таких вредных веществ, как окислы азота (NOx), окись углерода (СО), сажа (С), углеводороды (CnHm), полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), в кабинах тракторов и автомобилей в несколько раз превышают допустимые нормы. Превышение предельно-допустимой концентрации вещества ухудшает здоровье работников и снижает производительность труда. Выбросы токсичных компонентов с отработавшими газами приводят к снижению урожайности сельскохозяйственных культур, ухудшению качества кормовых растений, мясомолочной продукции, продуктивности животноводства, снижению ценности садовых и овощных культур. Поэтому улучшение экологических показателей автотракторной и комбайновой техники имеет важное значение для народного хозяйства Республики Беларусь.

Улучшить экологические показатели дизеля можно используя водяной пар высокой температуры. Экологическую, экономическую и энергетическую эффективность использования этих систем доказывают исследования, проведенные как в нашей стране, так и за рубежом. Теоретически положительный эффект применения пара можно объяснить тем, что при сгорании такой рабочей смеси происходят микровзрывы, обеспечивающие дополнительное дробление топлива [1]. Использование подачи высокотемпературного пара на впуске улучшает экологические показатели дизелей, мощность остается практически на уровне дизельного процесса, однако происходит снижение удельного расхода топлива в связи с поступлением в камеру сгорания дополнительного топлива в виде водорода (Н2) [2].

С целью исследования работоспособности системы подачи пара для дизельного двигателя с наддувом в реальных условиях были проведены эксплуатационные испытания трактора «Беларус 922» с дизельным двигателем Д-245.5.

Система впуска двигателя трактора была дополнительно доукомплектована согласно предлагаемой нами схеме [3], приведенной на рис. 1.

Рис. 1. Система подачи воды (пара) в двигатель внутреннего сгорания: 1 - бак; 2 - термоклапан; 3 - устройство точного дозирования; 4 - паровой реактор; 5 - выпускной трубопровод двигателя; 6 - форсунка для подачи пара; 7 - турбокомпрессор; 8 - пневмокорректор; 9 - воздушный фильтр; 10, 11 - полости пневмокорректора; 12 - упругая мембрана; 13 - шток пневмокорректора; 14 - пружина; 15 - трубопровод; 16 - впускной коллектор двигателя, Увлажненный воздух; Вода из бака; Отработанные газы после реактора; Отработанные газы; Пар от парового реактора; Атмосферный воздух

экологический дизель токсичный урожайный

Данная система состоит из бака 1 для предварительного нагрева воды со встроенным термоклапаном 2 для предотвращения подачи холодной воды, соединенной при помощи трубопроводов с устройством для точного дозирования пара (воды) 3, паровым реактором 4, установленным в выпускной трубопровод двигателя 5, форсунки 6 для подачи пара (воды), установленной после турбокомпрессора 7, пневмокорректора 8, имеющего две полости 10 и 11, разделенные упругой мембраной 12, к которой прикреплен шток 13 с пружиной 14. Шток 13 соединен с устройством для точного дозирования пара (воды) 3, а полость 10 с помощью трубопровода 15 соединена с впускным коллектором двигателя 16.

При пуске двигателя на режимах холостого хода и на малых нагрузках диафрагма 12 под действием пружины 14 перемещает шток 13 вверх и перекрывает поступление пара (воды) в паровой реактор 4. По мере увеличения нагрузки давление надувочного воздуха возрастает и упругая мембрана 12, сжимая пружину 14, перемещает шток 13 вниз, открывая подачу пара (воды) из бака 1 через термоклапан 2.

На режимах полных нагрузок мембрана 12 занимает крайнее положение, обеспечивая максимальное поступление пара (воды) в паровой реактор 4 и далее во впускной коллектор двигателя.

Преимущество данной системы в том, что подача пара (воды) осуществляется непосредственно после турбокомпрессора, что препятствует образованию налета на его лопастях и увеличивает его срок службы. Термоклапан предотвращает подачу пара (воды) в непрогретый двигатель [6].

Для выполнения исследований в состав экспериментальной установки вошли приборы, представленные в табл. 1.

Таблица 1. Приборы и оборудование, входящие в состав экспериментальной установки

Для измерения тягового сопротивления использовалась динамометрическая автосцепка с многоканальным измерительным усилителем Spider 8, подсоединенным к ноутбуку с установленным специализированным программным обеспечением.

Работа трактора с системой подачи пара исследовалась на трех операциях: вспашка (трехкорпусный плуг ПЛН-3-35), предпосевная обработка почвы (АКШ-3,6-01) и поверхностная обработка почвы с закрытием влаги культиватором КПН _ 4.

Испытания «Беларус 922» с ПЛН-3-35 проводились в следующих полевых условиях [4]: уклон поля менее 0,3; влажность почвы - 17,3%; твердость почвы - 199,7 Н/см2; предшествующая обработка - стерня кукурузы. Испытания «Беларус 922» с АКШ-3,6-01 проводились после вспашки на этом же участке поля, но при более высокой влажности почвы 18,8%. Заделка влаги машинотракторным агрегатом в составе «Беларус 922» и КПН-4 проводились после вспашки на этом же участке поля, но при влажности почвы более 19%.

Перед началом испытаний трактор был укомплектован в соответствии с требованиями завода изготовителя, было установлено необходимое давление в шинах и проверена высота грунтозацепов. Дизельное топливо и смазочные материалы, применяемые в тракторе при испытании, соответствуют эксплуатационной документации на трактор [5, 6].

Для нахождения реальной скорости трактора нами был размечен зачетный участок длиной 200 м и фиксировалось время движения трактора при прохождении этого участка. Перед началом испытаний двигатель трактора был прогрет до рабочей температуры под нагрузкой в течение 30 мин.

При проведении испытаний «Беларус 922» с ПЛН-3-35, АКШ-3,6-01 и КПН-4 устанавливались скорости движения агрегата, соответствующие агротехническим требованиям. Для этого поддерживалась постоянная частота вращения коленчатого вала двигателя на уровне 1800 мин-1 для плуга и 1700 мин-1 для культиватора КПН-4 и агрегата для предпосевной обработки почвы АКШ-3,6-01. Вспашка проводилась на 3 передаче 1 диапазона, а культивация с заделкой влаги и предпосевная обработка почвы на 2 передаче 1 диапазона с включенным мультипликатором.

Тяговое усилие трактора, дымность и токсичность ОГ замерялась во время движения и фиксировались в протоколе. Расход топлива замерялся расходомером ДРТ-5.

Среднюю скорость трактора рассчитывали по формуле [5]:

, (1)

где S - длина зачетного участка, км; t - время, ч.

Среднюю тяговую мощность рассчитаем по формуле [6]:

, (2)

где Ркр - тяговое усилие трактора, Н.

Во время проведения испытаний тракторный дизель работал на повышенных частотах вращения и с высокими нагрузками. На этих режимах работы давление наддувочного воздуха имеет значения, при которых устройство подачи пара подает во впускной коллектор пар высокой температуры. В табл. 2 представлены результаты сравнительных испытаний трактора при работе на ДТ и при работе с установленным устройством подачи пара. ЕС, ЕNOx, ЕСO - часовые выбросы твердых частиц, окислов азота, оксида углерода, г/ч.

Таблица 2. Результаты сравнительных испытаний трактора «Беларус 922» при работе на ДТ и с установленным устройством подачи пара

Как видно по результатам исследований, представленных в табл. 2, часовой расход топлива при работе трактора на вспашке с устройством подачи пара снижается на 0,54% по сравнению с ДТ, а при предпосевной обработке почвы снижение составило 1,26%. Выбросы ТЧ снижаются при работе трактора с подачей пара на впуске. Так, для трактора «Беларус 922» с устройством подачи пара, работающего с ПЛН-3-35, снижение составляет 39,5% по сравнению с работой на ДТ, при работе с АКШ-3,6-01 - 42,34%, а при работе с КПН-4 - 32%. Также при работе с АКШ и КПН наблюдается снижение выбросов СО в среднем на 33%. На всех операциях, кроме вспашки, при применении устройства подачи пара снижаются выбросы оксидов азота. На культивации снижение составляет 33,4%, а при предпосевной обработке почвы - 33,3%. На вспашке увеличение составляет 0,16%. Изменения нагрузки на крюке и реальной скорости движения составляют менее 1%. Эти изменения связаны с возможными различиями физических свойств почвы и поэтому считаем необходимым их не учитывать.

Согласно техническим характеристикам часовая производительность ПЛН-3-35 составляет 0,94 га/ч, АКШ-3,6-01 - 2,61 га/ч, а КПН-4 - 3,22 га/ч. Методикой проведения эксперимента не предусматривалось проведение замеров на холостых поворотах и во время остановок с работающим двигателем, поэтому расчет погектарного расхода топлива проведем по упрощенной формуле:

, (3)

где - погектарный расход топлива, кг/га; Gт - часовой расход топлива, кг/ч; Wч - часовая производительность трактора, кг/га.

Для расчета погектарных выбросов токсичных компонентов используем аналогичные формулы:

, (4)

, (5)

, (6)

где , , - погектарный выброс твердых частиц, окислов азота, оксида углерода, кг/га, ЕС, ЕNOx , ЕСO - часовые выбросы твердых частиц, окислов азота, оксида углерода, г/ч.

Результаты расчетов по формулам (3-6) представлены в табл. 3.

Таблица 3. Удельные показатели работы трактора «Беларус 922» на ДТ и с установленным устройством подачи пара

Погектарный расход топлива с установкой устройства подачи пара снизился как при работе с плугом (11,79 кг/га против 11,86 кг/га) и культиватором (3,55 кг/га против 3,57 кг/га), так и при работе с АКШ (4,55 кг/га против 4,61 кг/га).

Выбросы ТЧ снизились с 11,2 г/га до 8,03 г/га на вспашке, с 6,52 г/га до 4,58 г/га при предпосевной обработке почвы и с 4,70 г/га до 3,56 г/га при культивации.

Также наблюдалось снижение выбросов СО при работе трактора с агрегатом для предпосевной обработки почвы АКШ-3,6-01 с 60,7 г/га до 45,51 г/га и с культиватором КПН - 4 с 49,14 г/га до 36,85 г/га. На вспашке выбросы оксида углерода увеличились с 136,91 г/га до 137,13 г/га.

Эксплуатационные испытания системы подачи пара на тракторе «Беларус 922» показали работоспособность системы в реальных условиях. При этом погектарный расход топлива с установкой устройства подачи пара расход топлива снизился как при работе с плугом на 0,59%, при работе с культиватором на 0,56%, так и при работе с АКШ 1,3%.

Выбросы ТЧ снизились на 28,3% при вспашке, на 29,75% при предпосевной обработке почвы и на 24,26% при культивации.

Также наблюдалось снижение выбросов СО при работе трактора с агрегатом для предпосевной обработки почвы АКШ-3,6-01 на 25,02% и с культиватором КПН-4 на 25,01%. На вспашке выбросы оксида углерода увеличились на 0,16%.

Литература

1. Глушаков В.С. О проблеме использования топливно-водяных эмульсий в дизельных двигателях / Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в АПК: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Минск, 1997. С. 84-86.

2. Намаканов Б.В. Дизели: экологические проблемы и решения / Б.В. Намаканов // Автомобильная промышленность. 2005. № 4.

3. Система подачи пара в дизельный двигатель: патент на полезную модель №6408 / А.Н. Карташевич, Д.С. Короленок; заявитель и патентообладатель Белорусская государственная сельскохозяйственная академия; зарегистр. 27.10.2009; опубл. 30.08.2010 // Афiцыйны бюл.: Вынаходнiцтвы. Карысныя мадэлi. Прамысловыя узоры / Дзяржа?ны патэнтны камiтэт Рэспублiкi Беларусь. 2010. №4.

4. Коробейников А.Т. Испытания сельскохозяйственных тракторов / А.Т. Коробейников, В.С. Лихачев, В.Ф. Шолохов. М.: Машиностроение, 1985. 240с.

5. Руководство по эксплуатации «Беларус 812/822/912/922» 822-0000010РЭ: утв. ПО «Минский тракторный завод». Минск, 1999. 339с.

6. Тракторы сельскохозяйственные. Определение тяговых показателей: ГОСТ 30745-2001 (ИСО 789-9-90). Введ. 01.01.03. Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2002. 12с.

Размещено на Allbest.ru