Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния области исследования 13
1.1. Требования к эксплуатационным показателям автомобильных газодизелей 13
1.2. Известные конструкции систем подачи газовоздушной смеси автомобильных газодизелей 21
1.3. Возможные пути улучшения эксплуатационных показателей автомобильных газодизелей 3 8
1.5. Задачи исследований 46
2. Расчётно-теоретические исследования 49
2.1. Организация рабочего процесса автомобильного газодизеля 49
2.2. Тепловой расчет автомобильного газодизеля 53
2.3. Математическая модель процесса подачи газовоздушной смеси в газо дизель с газовым аккумулятором 67
2.4. Методика расчета газового аккумулятора системы подачи газовоздушной смеси в газодизель 72
2.5. Теоретическое обоснование концепции конструкторского решения насадка-гомогенизатора на газовую форсунку 73
2.6. Уточнение параметров газового аккумулятора системы подачи газовоздушной смеси в газодизель 74
2.7. Выводы по главе 2 82
3. Экспериментальные исследования усовершенствованной системы подачи газовоздушной смеси в газодизель 84
3.1. Разработка принципиальной схемы системы подачи газовоздушной смеси с газовым аккумулятором в газодизель КамАЗ-7409 з
3.2. Исследования газодизеля КамАЗ-7409 с разработанной системой подачи газовоздушной смеси 90
3.3. Испытания газодизельного трактора МТЗ-82 с разработанной системой подачи газовоздушной смеси 105
3.4. Выводы по главе 3 111
4. Практическая реализация результатов работы 113
4.1. Состояние инфраструктуры, обеспечивающей
эксплуатацию газобаллонных автомобилей в Санкт-Петербурге и Ленинградской области 113
4.2. Разработка программы перевода дизельного автотракторного парка агропромышленного комплекса Ленинградской области на природный газ (газодизельный процесс) 117
4.3. Технико-экономическое обоснование применения разработанной системы подачи газовоздушной смеси при переводе дизельной автотракторной техники на газодизельный цикл 122
4.4. Экономическая эффективность реализации программы перевода дизельного автотракторного парка агропромышленного комплекса на газодизельный процесс (на примере
Ленинградской области) 125
4.5. Выводы по главе 4 131
Основные выводы 132
Список используемых источников
- Возможные пути улучшения эксплуатационных показателей автомобильных газодизелей
- Тепловой расчет автомобильного газодизеля
- Исследования газодизеля КамАЗ-7409 с разработанной системой подачи газовоздушной смеси
- Разработка программы перевода дизельного автотракторного парка агропромышленного комплекса Ленинградской области на природный газ (газодизельный процесс)
Введение к работе
Актуальность работы.
Долгосрочная обеспеченность России природным газом и перспективность его широкого использования в качестве моторного топлива придают исследованиям, посвященным улучшению эксплуатационных показателей автомобильных газодизелей безусловную актуальность и приоритетность. В общей задаче особую значимость исследуемая тема имеет при использовании газового топлива на автомобильном транспорте.
Использование природного газа в качестве альтернативного моторного топлива сегодня представляется исключительно целесообразным. Наличие в стране его внушительных запасов, изученность физических процессов сжигания, низкая отпускная цена сравнительно с жидкими топливами, безопасность, высокая скорость возврата вложенных средств, экологичность - по этим показателям природный газ на сегодня занимает первое место среди альтернативных топлив. Снижение темпов роста тарифов на перевозки, сокращение дотаций на пассажирский муниципальный автомобильный транспорт, уменьшение затрат на топливо в сельском хозяйстве, создание новых рабочих мест - в совокупности служит дополнительным стимулом для перехода на природный газ в качестве моторного топлива.
Природный газ может применяться в дизелях путём перехода на газодизельный процесс - когда газовоздушная смесь в цилиндре воспламеняется от «запальной» дозы дизельного топлива. Преимущества газодизельного процесса заключаются в возможности быстрого перехода на работу с дизельного топлива на газ и обратно без существенных конструктивных изменений базового варианта дизеля.
Но развитие газодизелей в России сдерживается рядом факторов: отсутствует инфраструктура для эксплуатации автомобильной техники, работающей на природном газе, у заводов-изготовителей нет конструкций газодизелей, соответствующих требованиям технических регламентов, не достаточно научных исследований рабочего процесса газодизеля, нет работ по повышению качества смесеобразования.
Всё перечисленное дает основание считать исследования, направленные на разработку методики улучшения эксплуатационных показателей автомобильных газодизелей, актуальной научной задачей, имеющей важное практическое значение.
Степень изученности проблемы
В качестве основы при разработке конструкции и расчёте элементов системы приготовления газовоздушной смеси взяты методологические разработки по использованию природного газа в дизелях, выполненные специалистами КамАЗа, НИЦИАМТ, НАМИ, Вятской ГСХА, СЗПИ, СПбГАУ, СПбГУСЭ в реализованных автомобильных газодизелях. В 1990 г. было освоено серийное производство гаммы газодизельных автомобилей бортовых КамАЗ-33208, КамАЗ-53218, седельного тягача КамАЗ-54118 и автомобиля-самосвала КамАЗ-55118.
Исследования и испытания газодизелей показали, что такие двигатели по расходу жидкого топлива экономичнее дизелей на 80-95%. При этом тягово-скоростные свойства автомобилей практически не изменяются. В ходе исследований установлено снижение уровней внешнего и внутреннего шума газодизельных автомобилей при работе режиме на 3 - 6 дБ (А). Снижается количество вредных выбросов с отработавшими газами до уровня экологического класса 4.
Достигнутые экологические и экономические показатели газодизелей - не предел. Как свидетельствуют предварительные проработки, их можно улучшить за счет совершенствования системы приготовления газовоздушной смеси качественно-количественным регулированием и введением электронного управления системой питания газодизеля. Но известные схемы приготовления газовоздушной смеси в газодизеле не устраняют неоднородности её состава и неравномерности распределения.
Не создана инфраструктура для обеспечения эксплуатации газодизельных автомобилей, работающих на природном газе, в Санкт-Петербурге и Ленинградской области. Поэтому актуальна разработка комплексной программы развития сети автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС), соответствующей приросту парка автомобильного транспорта, работающего на природном газе.
Цель работы - разработка методики улучшения эксплуатационных показателей автомобильных газодизелей повышением однородности и равномерности подачи газовоздушной смеси.
Основными задачами работы являются:
анализ известных автомобильных конструкций систем питания автомобильных газодизелей, работающих на природном газе;
разработка математической модели процесса подачи однородной и равномерной газовоздушной смеси в газодизель с газовым аккумулятором;
разработка методики расчета газового аккумулятора для повышения однородности и равномерности подачи газовоздушной смеси в газодизель;
теоретическое обоснование необходимости установки газового аккумулятора для обеспечения однородности и равномерности подачи газовоздушной смеси в газодизель;
экспериментальные исследования автомобильной техники с газодизелем, оборудованным усовершенствованной системой подачи газовоздушной смеси;
разработка программы перевода дизельного автотракторного парка агропромышленного комплекса Ленинградской области на природный газ (газодизельный процесс);
технико-экономическое обоснование создания инфраструктуры для перевода дизельной автомобильной техники на природный газ.
Методы исследования:
математическое моделирование рабочего процесса газодизеля;
экспериментальные методы анализа состава отработавших газов с использованием современной газоаналитической и режимометрической аппаратуры;
методы математической статистики для обработки результатов экспериментов;
- натурные испытания газодизелей и автотракторной техники, работающей
на природном газе.
Объект исследования: системы подачи газовоздушной смеси в газодизель. Предмет исследования: методики приготовления однородной и равномерной газовоздушной смеси для газодизеля.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана математическая модель процесса подачи однородной и равномерной газовоздушной смеси в газодизель с газовым аккумулятором;
разработана методика расчета газового аккумулятора системы подачи однородной и равномерной газовоздушной смеси в газодизель;
теоретически и экспериментально обоснована необходимость установки газового аккумулятора для обеспечения однородности и равномерности подачи газовоздушной смеси в газодизель.
Практическая полезность работы
Разработанная методика улучшения эксплуатационных показателей автомобильных газодизелей позволяет снизить затраты в эксплуатации на дизельное топливо и природный газ и уменьшить количество выбросов вредных веществ с отработавшими газами в окружающую среду. Разработанная математическая модель позволяет оптимизировать параметры системы подачи газовоздушной смеси газодизеля.
Разработанная программа перевода дизельного автотракторного парка агропромышленного комплекса Ленинградской области на природный газ (газодизельный процесс) позволяет снизить затраты в эксплуатации на дизельное топливо и уменьшить количество выбросов вредных веществ.
Реализация результатов работы:
Разработан комплект эксплуатационной и конструкторской документации на систему питания газодизеля, который реализован:
-
при переоборудовании двух тракторов МТЗ-82 в условиях эксплуатации для использования природного газа в качестве топлива в ООО «Лентрансгаз»;
-
при переоборудовании одного трактора МТЗ-82 в Северо-Западной Государственной зональной машиноиспытательной станции в г. Волосово Ленинградской области (договор с комитетом по агропромышленному и рыбохозяй-ственному комплексу Ленинградской области).
Комплект эксплуатационной и конструкторской документации по усовершенствованию системы приготовлении и подачи газовоздушной смеси в газодизель передан в ЦНИИАМТ НАМИ.
Разработанная программа перевода дизельного автотракторного парка агропромышленного комплекса Ленинградской области на природный газ (газодизельный процесс) на период 2008-2015 гг. передана в Комитет по агропромышленному комплексу Ленинградской области и принята к внедрению.
Результаты диссертационной работы используются в курсе лекций и в рас-четно-аналитических заданиях по дисциплине «Автотракторное оборудование и двигатели внутреннего сгорания» для студентов специальностей «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» и «Механи-
зация и автоматизация строительства» Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены:
на МНТК «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей» (СПбГАУ, СПб 2007-2011 гг.);
на 60-й МНТК молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства» (СПбГАСУ, СПб, 2007 г.);
на VII Международном экологическом форуме «Экологическое благоустройство жилых территорий крупных городов России» (СПб, 2007 г.);
на X Международной конференции «Экология и развитие общества» (СПб, 2007 г.);
на МНТК «Актуальные проблемы эксплуатации АТС» (ВлГУ, Владимир, 2007 г.);
на IV МНТК «Автотранспорт: от экологической политики до повседневной практики» (СПб 2008 г.);
на МНТК «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» (СПГУВК, СПб, 2009 г.);
- на IV Международном форуме «Транспортная безопасность России»
(СПб, 2011 г.);
Диссертационная работа связана с выполненными НИОКР:
-
«Научное обоснование и выбор параметров элементной базы системы приготовления газовоздушной смеси газовой модификации дизеля с наддувом 12 ГЧН 18/20» - договор с ОАО «Звезда». № гос. регистр. 1.1.04;
-
«Разработка конструкторской и эксплуатационной документации по переоборудованию трактора МТЗ-82 для использования природного газа в качестве топлива (газодизель)», договор с ООО «Лентрансгаз». Гос. контракт № 9/01 от 12.12.2005;
-
«Разработка конструкторской и эксплуатационной документации по переоборудованию трактора МТЗ-82 для использования природного газа в качестве топлива (газодизель)». Гос. контракт №32 от 03.07.2006;
-
«Разработка технико-экономического обоснования и программа перевода машинно-тракторного парка агропромышленного комплекса Ленинградской области на альтернативное газовое моторное топливо (сжиженный природный газ, компримированный природный газ, биогаз)». Гос. контракт № 2/04 от 12.12.2006;
-
«Обоснование, разработка и испытание системы питания трактора МТЗ -82 на рапсовом масле». Гос. контракт №26 от 06.04.2007;
-
«Исследование системы факторов и условий эффективного развития автотранспортного комплекса (АТК) на региональном уровне». № гос. регистр. 1.2.07. Фундаментальное исследование, 2007 - 2011 гг.:
-
Научное обоснование построения системы индикаторов оценки состояния и развития АТК в регионе. 2007 г.;
-
Изучение условий и факторов реформирования АТК на современном этапе. 2008 г.;
-
Бизнес-инновации в развитии АТК в условиях региона. 2009 г.;
-
Стратегические направления формирования рынка автотранспортных услуг с учётом его реформирования на уровне региона. 2010 г.;
-
Направление и формы модернизации технического обслуживания АТК в регионе. 2011 г.
Публикации. По теме исследования опубликовано 26 печатных работ. Из них 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, по теме диссертации получен патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 142 страницах основного текста и 5 страницах приложений, содержит 41 рисунок и 14 таблиц.
Возможные пути улучшения эксплуатационных показателей автомобильных газодизелей
Для использования природного газа можно модифицировать любой серийный двигатель автомобиля или трактора. В нашей стране в начале 30-х гг. прошлого века были произведены большие исследования и испытаны опытные образцы топливной аппаратуры для перевода автомобилей с бензина на природный газ. Московский и Горьковский автомобильные заводы начали серийный выпуск газобаллонных автомобилей. Для заправки автомобилей сжатым природным газом в 1939 г. были построены в Мелитополе, Москве и Горловке газонаполнительные станции [88]. Более 60 лет продолжаются периодические подъемы и спады интереса к использованию природного газа на автомобильном и других видах транспорта. Выполненные в этой области научные работы позволили усовершенствовать топливную аппаратуру [84].
Возможны два варианта перевода дизельных двигателей на природный газ. Первый способ - это дооборудование дизельного двигателя газовой системой питания и механизмом ограничения запальной дозы дизельного топлива с целью обеспечения его работы по газодизельному циклу. В этом случае двигатель работает одновременно на газе и на дизельном топливе. Возможность работы на чисто дизельном топливе сохраняется. Второй способ -конвертация дизельного двигателя в двигатель с искровым зажиганием для работы только на газовом топливе. Работа на дизельном топливе будет невозможна. Переоборудование значительного парка дизельных двигателей в настоящее время наиболее осуществимо путем организации их работы по газодизельному циклу [114, 117].
Газодизельным процессом является способ сжигания в цилиндре ДВС дизельного топлива и природного газа одновременно, когда газовоздушная смесь воспламеняется с помощью запальной дозы дизельного топлива, которая впрыскивается в цилиндр двигателя штатной форсункой. Этот способ воспламенения газового топлива дозой дизельного топлива запатентовал Р. Дизель еще в 1898 г, однако практически применяться этот способ начал только с 1938 г., главным образом для стационарных двигателей.
Впрыскивание запальной дозы в сжатую и нагретую газовоздушную смесь обеспечивает её эффективное самовоспламенение. При этом газовоздушная рабочая смесь воспламеняется не в одной точке у холодной стенки камеры сгорания, как это происходит у конвертированных дизелей с искровым зажиганием, а по всему объему цилиндра. Подобная система самовоспламенения обеспечивает улучшение процесса сгорания однородного состава газовоздушной смеси и более полное ее сгорание. Газодизельный процесс обеспечивает эффективное обеднение газовоздушной смеси [23].
Газодизельный процесс сохраняет возможность быстрого перехода с газового топлива на дизельное и обратно. Газодизельный двигатель, в отличие от конвертированного из дизеля газового двигателя, является двухтопливным двигателем, и в случае необходимости с равной энергетической эффективностью может работать как на газовом, так и на дизельном топливе.
В отличие от внешнего способа смесеобразования в бензиновых двигателях, и от внутреннего в дизелях, смесеобразование в газодизельном процессе - смешанное, т.е. внутреннее для дизельного топлива и внешнее для природного газа. В ГД режиме двигатель работает на двойном топливе -дизельном топливе и природном газе.
При переоборудовании дизельных двигателей, имеющих высокую степень сжатия, на работу в газодизельном режиме, где 70-85 % газовоздушной смеси в общем цикловом заряде сгорает практически без детонации с наибольшей эффективностью, мощность двигателя остаётся на уровне базового двигателя.
При переоборудовании в конструкцию дизеля добавляются блок управления подачей топлива, газовые форсунки, дроссельная заслонка во впускной коллектор, смеситель, механизм ограничения подачи дизельного топлива, устройство для согласованного управления топливным насосом высокого давления и подачей газа, а также ряд датчиков, обеспечивающих работу блока управления и защиту дизеля от нештатных режимов работы.
Основными целями переоборудования дизелей для работы по газодизельному циклу являются: - замещение 75-85 % дизельного топлива значительно более дешевым природным газом; - увеличение суммарного запаса хода транспортного средства при использовании обоих видов топлива в 1,5-1,7 раза; - снижение токсичности ОГ ДВС [94, 95]. Один из главных эксплуатационных показателей газодизеля, требования к которому описаны нормативными документами - это токсичность ОГ. Современные требования к показателям токсичности при сертификации и эксплуатации газодизеля представлены в специальном техническом регламенте [75].
Тепловой расчет автомобильного газодизеля
Проведённый анализ конструкций автомобильных газодизелей позволяет сделать вывод, что при разработке систем одновременной подачи воздуха, газа и дизельного топлива в газодизель специалисты базировались на широко распространенных судовых и стационарных газодизельных двигателях. В отличие от них, автомобильные газодизели с внешним смесеобразованием газовоздушной смеси и зажиганием ее в цилиндре следует рассматривать как двигатели, работающие по циклу Отто. Поэтому концепция улучшения эксплуатационных показателей автомобильных газодизелей близка своей направленностью к концепции создания экономичных и экологически чистых бензиновых или газовых двигателей [16].
Качество основных эксплуатационных показателей автомобильных газодизелей (концентрация в ОГ СО, CnHmj NOx и удельный расход топлива) в основном определяет коэффициент избытка воздуха а, хотя он различно влияет на состав продуктов сгорания (рис. 2.1.) [2]. Графики на рис. 2.1. построены для условий работы двигателя на 40% нагрузке при частоте вращения коленчатого вала 1600 мин"1.
Если теоретически СО и CnHm имеются в продуктах сгорания только богатых смесей, т. е. при правильной организации смешения в бедных смесях эти продукты не образуются, то NOx в наибольших количествах образуется при а = 1-1,1 соответствующем максимальной температуре сгорания при наличии избыточного кислорода, т. е. при несколько обедненной смеси. По мере же обеднения (и обогащения) концентрация NOx в продуктах сгорания падает, достигая незначительной величины уже при а = 1,4.
Следовательно, при сгорании смеси с а = 1,4 процесс малотоксичен по всем трем нормируемым компонентам вредных веществ в ОГ. По мере же дросселирования из-за уменьшения температуры сгорания и повышения доли остаточных газов теоретический состав смеси минимальной токсичности будет постепенно приближаться к стехиометрическому.
Что же касается топливной экономичности, то известно, что в двигателях, работающих по циклу Отто, минимальный удельный эффективный расход топлива ge min соответствует экономичному коэффициенту избытка воздуха оцк= 1,05-1,1. При дросселировании значения сцк уменьшаются, попадая в область богатых смесей. Однако такие значения аэк в основном определяются затруднениями в формировании очага пламени от искрового источника и, как правило, приводят к затягиванию горения, т.е. увеличение мощности искры перемещает аэк на большие значения (аэк = 1,15-1,2). При факельном зажигании аэк растет до аэк = 1,4 - 1,6. Это означает, что есть средства сближения значений коэффициентов избытка воздуха, соответствующих минимальной токсичности и экономичности [55].
В газодизельных двигателях газовоздушная смесь поджигается воспламеняющимся дизельным топливом. Впрыскиваемый в цилиндр в конце хода сжатия факел запального дизельного топлива образует мощный источник зажигания, обеспечивающий сгорание более бедных смесей, чем при искровом зажигании. Возможность эффективно сжигать бедные смеси позволяет иметь степень сжатия газового двигателя, как у дизеля. Двигатели с числом оборотов до 1000 в минуту с цилиндрами диаметром более 150 мм выполняют обычно со степенью сжатия є = 11...13, более высокие степени сжатия (до 18) применяются для более быстроходных двигателей (2500 - 3500 мин"1) с меньшим диаметром цилиндра. Для предотвращения воспламенения газовоздушной смеси в период сжатия необходимо, чтобы коэффициент избытка воздуха газовоздушной смеси аг был не менее 1,8-2,2. При работе с большими коэффициентами аг для компенсации снижения литровой мощности необходимо увеличивать количество впрыскиваемого дизельного топлива. При этом коэффициент избытка воздуха при сгорании и расширении аж (коэффициент избытка воздуха смеси ПГ, дизельного топлива и воздуха) зависит от аг и количества вводимого дизельного топлива. Для обеспечения полного сгорания дизельного топлива аж после впрыска дизельного топлива должен быть не менее 1,2-1,8 [87].
Минимальное количество запального дизельного топлива, обеспечивающее устойчивую работу газодизеля, определяется характеристикой установленной на нем топливной аппаратуры. В дизельном варианте топливный насос должен обеспечивать подачу такого количества дизельного топлива, которое необходимо для получения номинальной. Минимальное количество дизельного топлива, которое такой насос может устойчиво подавать, составляет 20 - 25% от его номинальной подачи. При меньшей подаче возможна неравномерность и пропуск в подачах отдельных секций многоплунжерных насосов. Однако если на двигателе установить отрегулированный или специальный топливный насос для впрыска запального дизельного топлива, то устойчивую работу двигателя можно получить при 3-5% номинальной подачи [8, 20].
В автомобильных газодизелях частично используется тепло, выделяемое при сгорании ПГ, и частично тепло, выделяемое в результате сгорания дизельного топлива. Воспламенение гомогенной газовоздушной смеси увеличивает скорость протекания процесса сгорания. ПГ сгорает при постоянном объеме. Скорость сгорания дизельного топлива зависит от коэффициента избытка воздуха на линии сгорания и расширения аж. В двигателе осуществляется смешанный рабочий цикл, т.е. цикл с подводом тепла при постоянном объеме и постоянном давлении. При работе двигателя на частичных нагрузках догорание в ходе расширения может практически отсутствовать. В этом случае в двигателе осуществляется рабочий цикл с подводом тепла при постоянном объеме [29, 32, 35].
Описанные выше особенности рабочего процесса автомобильного газодизеля, позволяют сделать следующий вывод: совершенствование систем питания автомобильных газо дизелей связано с решением двух задач: организации высококачественного смесеобразования и подачи в каждый цилиндр газодизеля одинаковой по составу и количеству газовоздушной смеси. Эти задачи для газодизеля можно решить установкой газового аккумулятора, поддерживающего одинаковое рабочее давление перед газовыми форсунками на всех рабочих режимах газодизеля, при этом определив требуемый объём ГА для разных двигателей, второе -введением в конструкцию газовой форсунки устройства, повышающего гомогенность подаваемой в цилиндры газовоздушной смеси
Исследования газодизеля КамАЗ-7409 с разработанной системой подачи газовоздушной смеси
Насадок-гомогенизатор на газовую форсунку состоит из корпуса 2 и отражателя 3, устанавливается на сопло газовой форсунки 1. Корпус 2 - это конический расходящийся насадок, с углом при вершине 24. Оптимальный угол конусности насадка для подачи газа через форсунку под давлением 0,3 МПа во впускной коллектор ДВС был установлен опытным путём. При большем значении угла конусности возникает отрыв струи газа от стенок корпуса. Диаметр входного отверстия корпуса d2 равен диаметру выходного отверстия сопла газовой форсунки di.Диаметр выходного отверстия корпуса d3 равен l,5d2.
Отражатель насадка-гомогенизатора на газовую форсунку представляет собой тело вращения, образуемое в продольном сечении эллипсом, раздвинутым вдоль большой оси по поверхности цилиндра с диаметром основания, равным диаметру выходного отверстия насадка-гомогенизатора на газовую форсунку d3. Большая полуось эллипса отражателя равна 0,9d2, малая полуось эллипса отражателя равна 0,25d2.
Устройство работает следующим образом. При подаче газа через газовую форсунку во впускной коллектор ДВС, струи газа, проходя через корпус насадка-гомогенизатора на газовую форсунку при переходе из узкой части корпуса в широкую, занимают все сечение корпуса, и происходит безотрывное течение газа. Струи, отразившиеся от стен отражателя насадка-гомогенизатора на газовую форсунку, пересекают струи газа в центральной части потока, и формируют области с турбулентным возмущением 4 на выходе из насадка-гомогенизатора на газовую форсунку [1], что способствует более качественному смешиванию газа с воздухом, создавая гомогенную газовоздушную топливную смесь, подаваемую в цилиндры ДВС, без увеличения сопротивления во впускном коллекторе ДВС.
Технический результат установки насадка-гомогенизатора на газовую форсунку в системе подачи газовоздушной смеси заключается в снижении токсичности отработавших газов ДВС, повышении эффективной мощности и крутящего момента ДВС за счет более полного сгорания газового топлива путём создания гомогенной газовоздушной топливной смеси [19, 20, 27, 28].
Т. к. проводимые исследования не изменяли конструкцию элементов питания двигателя дизельным топливом, в работе понятие «система подачи газовоздушной смеси в газодизель» было определено, как часть общей системы питания газодизельного двигателя, отвечающая за хранение, доставку природного газа, а также за приготовление и подачу в цилиндры двигателя гомогенной смеси воздуха и природного газа, не относящаяся к хранению, приготовлению и подаче в цилиндры двигателя дизельного топлива.
Сжатый природный газ из баллонов 2 поступает в редуктор высокого давления 1 с подогревателем, где происходит снижение давления газа с 20 МПа до 1 МПа. В магистрали высокого давления перед запорным электромагнитным клапаном устанавливается фильтр для очистки газа. После предварительного снижения давления, газ поступает в одноступенчатый редуктор низкого давления 3, где осуществляется снижение давления газа с 1 МПа до 0,3 МПа, а также подогрев газа охлаждающей жидкостью двигателя. После редуктора низкого давления природный газ поступает в газовый аккумулятор 5, где находится неснижаемый запас газа под рабочим давлением форсунки (0,3 МПа). Из газового аккумулятора по линиям подвода газ поступает к электромагнитным газовым форсункам 6, управляемым микропроцессорным блоком 7. Управление работой двигателя производится изменением положения дроссельной заслонки 4.
Для проведения исследований был рассчитан, спроектирован и изготовлен макетный образец разработанной системы подачи газовоздушной смеси в газодизель с ГА, повышающей однородность и равномерность подачи газовоздушной смеси. Был применён способ управления работой газодизеля, основанный на принципе количественного регулирования подачи и состава топливовоздушной смеси. В существующую систему питания газодизеля внесены следующие изменения (рис. 3.4): во впускной коллектор установлена дроссельная заслонка (4), установлен расходомер воздуха и электронный блок управления подачей газа и дизельного топлива (7), а также установлен газовый аккумулятор (5) между газовым редуктором низкого давления (3) и газовой форсункой (6).
Разработка программы перевода дизельного автотракторного парка агропромышленного комплекса Ленинградской области на природный газ (газодизельный процесс)
Механизм возврата вложенных инвестиций основан на том, что собственник или арендатор, эксплуатирующий автотранспортные средства, работающие на КПГ, получает магнитные карточки или талоны, по которым производится заправка КПГ по цене дизельного топлива до тех пор, пока не будет, таким образом, выплачена стоимость установленного в кредит на автомобиль (или на сельскохозяйственный агрегат) газобаллонного оборудования, с учетом процента за пользование кредитом. Модульный подход и наличие механизма возврата инвестиций дают максимальный эффект, при котором сроки окупаемости вложенных инвестиций в строительство АГНКС составляют от полугода до двух лет.
Разработанная программа предполагает участие в реализации следующих инвесторов: Правительство Ленинградской области, ОАО «Газпром», производителей газобаллонного оборудования и владельцев автотракторной техники. В основу системы возврата инвестиций принимается экономия, получаемая от использования природного газа линейно интерполированная на объемы инвестиций в режиме реального времени.
При расчете экономической эффективности использованы методические указания по определению экономической эффективности новой техники в ОАО «Газпром». В соответствии с методикой эффективность оценена за расчетный период (10 лет) с шагом расчета 1 мес.
При одинаковых значениях теплоты сгорания 1 л дизельного топлива (35,8 МДж) и 1 Нм3 природного газа (35,8 МДж) стоимость дизельного топлива в более чем два раза выше, чем цена КПГ. Расчет проведен для двух вариантов цен дизтоплива - 24,0 и 28,0 руб./л и цены КПГ - 10,0 руб./Нм .
Исходные данные расчета по различным тракторам приведены в табл. 4.2. Расчет проведен для величины запальной дозы дизельного топлива 25%. При расчете учитывались коэффициент загрузки двигателя, который зависит от энергоемкости выполняемых работ. Больший коэффициент загрузки двигателя у трактора К-701, который используется в основном на энергоемких операциях почвообработки [85]. Меньше коэффициент загрузки двигателя - 0,68 - у трактора МТЗ-82, который значительную часть времени работает на малоэнергоемких операциях.
В табл. 4.3. приведены основные результаты расчета экономической эффективности переоборудования тракторов, которые показывают высокую эффективность переоборудования при обоих вариантах по ценам топлива. Высокая эффективность подтверждается положительным значением чистого дисконтированного дохода (ЧДД), внутренней нормой доходности в пределах 5,57 - 8,84 и 14,6 - 22,4% для МТЗ-82 и К-701, соответственно для первого и второго варианта стоимости дизельного топлива, при норме дисконта 0,67%, сроками окупаемости 8-19 и 5—12 мес. при норме 72 мес.
Более эффективно переоборудование более мощного трактора К-701 за счет максимальной годовой экономии дизельного топлива со сроком окупаемости 8 и 5 мес. при разных ценах на дизельное топливо. Срок окупаемости у трактора МТЗ-82 больше, чем у К-701, что объясняется более высокой стоимостью облегченных композитных баллонов, устанавливаемых на крыше кабины МТЗ-82.
Показатели экономической эффективности переоборудования трактора при установке разработанной системы подачи газовоздушной смеси в газодизель с газовым аккумулятором Марка трактора К-701стандартнаясистема К-701разработаннаясистема с ГА Стоимость комплекта газовой аппаратуры, руб. 21500 27900 Капитальные вложения на переоборудование, тыс.руб. Чистый дисконтированный доход за расчетный период 120 месяцев (10 лет), тыс.руб. 77,3 1469 83,7 1459 Внутренняя норма доходности, % 25,6% 22,4% Дисконтированный срок окупаемости, мес. 5,0 5,5 Расчеты выполнены для запальной дозы 15; 25; 35; 45% при прочих равных условиях. При первоначальных, капитальных вложениях на переоборудование 83,7 тыс. руб. срок окупаемости при увеличении запальной дозы с 15 до 45% возрастает с 5 до 7,2 мес, чистый дисконтированный доход за расчетный период 10 лет снижается соответственно с 1680 до 1055 тыс. руб.
С увеличением цены комплекта газовой аппаратуры, при установке разработанной системы подачи газовоздушной смеси в газодизель с газовым аккумулятором, с 21500 руб. до 27900 руб. срок окупаемости возрастает с 5,0 до 5,5 месяцев, чистый дисконтированный доход снижается незначительно - с 1млн. 469 тыс. до 1 млн. 459 тыс. руб.
Экономическая эффективность реализации программы перевода дизельного автотракторного парка агропромышленного комплекса на газодизельный процесс (на примере Ленинградской области) Выполнено для следующих условий: 100% дизельной автотракторной техники агропромышленного комплекса Ленинградской области переводим на газодизельный процесс, с замещением 85% цикловой подачи дизельного топлива природным газом; обеспечиваем установку модульных комплексов в районах области, разместив АГНКС на расстояние до потребителя не более 5 км; в случаях удаления сельскохозяйственного предприятия от АГНКС-ГРС более 5 км, предусматривается использование ПАГЗ. Модульность и согласованность интересов продавца и покупателя газомоторного топлива позволяет получить положительные экономические показатели.
Исходные данные экономической эффективности модуля для заправки сельскохозяйственной техники КПГ: - модуль состоит из одной АГНКС, подключенной к газопроводу, ГРС и ПАГЗ (1 или нескольких по потребности заправок); - в оптимальном варианте одна АГНКС должна обслуживать до 50 автомобилей и колесных тракторов (п); - стоимость АГНКС (САГНКС) - 10,0 млн. руб. Стоимость проектной документации (Спрд) составляет 1,5 млн. руб. Стоимость строительно-монтажных работ, пуско-наладочных работ (ССМР ПНР) составляет 4,0 млн. руб. Сзап - стоимость запуска одной АГНКС. Сзап = САГНКС + Спр.д + ССМР,ПНР = Ю,0 + 1,5 + 4,0 = 15,5 млн. руб. - стоимость ПАГЗ-2500-32/4 (СПАГЗ) составляет 6,0 млн. руб.; - стоимость переоборудования автотракторной техники на газодизельный процесс колеблется от 65 тыс. руб. (МТЗ-82) до 145 тыс. руб. (КамАЗ). Принимаем стоимость переоборудования (Сп/а) в среднем на единицу 105 тыс. руб.; - цена дизельного топлива (Цд) - 26 руб./л., - цена КПГ (Цкпг) - Ю руб./ Нм3; - норма расхода для автомобиля составляет от 10 л/100 км до 38 л/100 км, принимаем усредненную норму (gfl) - 25 л/100 км; - среднегодовой пробег для автомобиля (П) усреднённо принимаем 30 тыс. км/год.
Окупаемость проекта одного модуля оценивается для двух составляющих: владелец автотранспортного средства или сельскохозяйственной техники, и владелец АГНКС и ПАГЗ. Учитывая, что дизельное топливо замещается природным газом на 85%, расход 1л. дизельного топлива соответствует расходу 1,3 Нм природного газа, для владельца транспорта годовая экономия на топливе (Эгод) в среднем составит:
