Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 10
1.1 Пути повышения эффективности использования машинно- тракторных агрегатов в сельском хозяйстве
1.2 Повышение топливной экономичности двигателей путем применения альтернативных топлив
1.3 Повышение эффективности работы двигателей внутреннего сгорания путем применения водной инжекции
1.4 Цель и задачи исследования 43
2 Теоретические исследования повышения топливной экономичности машинно-тракторных агрегатов посредством водной инжекции
2.1 Теоретические исследования парообразования воды в цилиндре дизельного двигателя
2.2 Теоретические исследования рабочего цикла дизельного двигателя при применении водной инжекции
2.3 Исследование эффективных показателей работы дизельного двигателя 4Ч 11/12,5 при использовании водной инжекции
Выводы по главе 83
3 Методика проведения экспериментальных исследований
3.1 Программа и общая методика экспериментальных исследований 85
3.2 Оборудование, методы измерений и аппаратура, применяемые при экспериментальных исследованиях
3.3 Методика обработки результатов экспериментальных исследований
Выводы по главе 107
4 Результаты экспериментальных исследований 108
4.1 Результаты лабораторных испытаний дизельного двигателя 109 4Ч 11/12,5 при использовании водной инжекции
4.2 Результаты индицирования дизельного двигателя 4Ч 11/12,5 при использовании водной инжекции
4.3 Результаты тяговых испытаний машинно-тракторного агрегата в составе трактора МТЗ-82 и стерневой сеялки СЗС-2,1
Выводы по главе 138
5 Оценка эффективности применения водной инжекции при эксплуатации мобильных сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов
5.1 Экономическая оценка эффективности использования водной инжекции при эксплуатации сельскохозяйственных МТА
5.2 Энергетическая оценка эффективности использования водной инжекции при эксплуатации сельскохозяйственных МТА
5.3 Экологическая оценка эффективности использования водной инжекции при эксплуатации сельскохозяйственных МТА
Выводы по главе 159
Заключение 160
Список литературы 163
- Повышение эффективности работы двигателей внутреннего сгорания путем применения водной инжекции
- Теоретические исследования рабочего цикла дизельного двигателя при применении водной инжекции
- Оборудование, методы измерений и аппаратура, применяемые при экспериментальных исследованиях
- Результаты тяговых испытаний машинно-тракторного агрегата в составе трактора МТЗ-82 и стерневой сеялки СЗС-2,1
Введение к работе
Актуальность темы. Повышение производительности и топливной экономичности машинно-тракторных агрегатов (МТА) определяет эффективность механизированных процессов в сельскохозяйственном производстве. В настоящее время доля потребления энергоресурсов сельским хозяйством Российской Федерации составляет около 12,5 % от общего энергопотребления страны. Учитывая постоянный рост цен на энергоносители и достигнутый на сегодняшний день уровень механизации производственных процессов, становится очевидным приоритетное влияние энергетических ресурсов не только на себестоимость произведенной продукции и трудоемкость производства, но и в целом на конечные показатели развития сельского хозяйства. Возросшие требования к топливной экономичности вызывают необходимость улучшения технико-экономических показателей работы машинно-тракторных агрегатов и их энергетических установок, которые представлены двигателями внутреннего сгорания. В этой связи тема диссертационной работы, посвященная повышению топливной экономичности машинно-тракторных агрегатов, является достаточно актуальной, а ее результаты практически значимыми.
Степень разработанности темы. Анализ известных научных исследований в области повышения топливной экономичности МТА показал, что к настоящему времени сформирована определенная теоретическая и экспериментальная база. Определено, что основными требованиями, предъявляемыми к конструкции разрабатываемых сельскохозяйственных машин и двигателей, являются не только обеспечение высокой надежности, универсализации, упрощение и удешевление конструкции, но и повышение их производительности и топливной экономичности. Несмотря на большое методологическое и теоретическое значение научно-исследовательских работ, в них не в полной мере отражены вопросы влияния водной инжекции на повышение топливной экономичности и экологической безопасности двигателей сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов. Актуальность и недостаточная разработанность данного направления научного поиска обусловили постановку задач и цели исследования.
Цель исследования: повышение топливной экономичности и экологической безопасности при эксплуатации в сельскохозяйственном производстве машинно-тракторных агрегатов, составленных
на базе тракторов класса 1,4 с двигателем 4Ч 11/12,5, путем применения водной инжекции.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
-
Определить основные параметры распылителя водной форсунки и провести теоретические исследования рабочего процесса дизельного двигателя 4Ч 11/12,5 при применении инжекции воды во впускной коллектор.
-
На базе двигателя Д-240 разработать экспериментальную установку, позволяющую провести комплекс экспериментальных исследований рабочего процесса дизельных двигателей 4Ч 11/12,5 при использовании водной инжекции.
-
Провести лабораторные испытания двигателя и полевые испытания машинно-тракторного агрегата на базе тракторов класса 1,4 с применением водной инжекции.
-
Дать технико-экономическую и экологическую оценку применения водной инжекции для дизельных двигателей в сельскохозяйственном производстве.
Объект исследования: рабочий процесс тракторного дизельного двигателя при применении водной инжекции.
Предмет исследования: закономерности, определяющие взаимосвязь применения водной инжекции с повышением топливной экономичности и экологической безопасности МТА на базе тракторов класса 1,4.
Научная новизна заключается в следующих положениях:
– установлены закономерности, определяющие основные показатели рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания при применении водной инжекции;
– уточнена методика теплового расчета дизельного двигателя при применении водной инжекции (на примере дизельного двигателя 4Ч 11/12,5);
– определены основные параметры распылителя водной форсунки, рациональный компонентный состав водотопливной смеси для дизельного двигателя 4Ч 11/12,5 при применении водной инжекции;
– определены технико-экономические, энергетические и экологические показатели использования сельскохозяйственных МТА, составленных на базе тракторов класса 1,4, при применении водной инжекции во впускной коллектор дизельного двигателя 4Ч 11/12,5.
Теоретическая и практическая значимость работы. Установлены теоретические и экспериментальные закономерности, позволя-
ющие определить эффективные показатели работы дизельного двигателя 4Ч 11/12,5 при применении водной инжекции (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016611249 от 28 января 2016 г.).
Предложены новые технические решения, которые путем применения водной инжекции позволяют повысить топливную экономичность и экологическую безопасность сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов, составленных на базе тракторов класса 1,4 (патент на полезную модель № 166572 от 14.11.2016 г.).
Результаты исследований приняты к внедрению Министерством сельского хозяйства Челябинской области, ФГУП «Учебно-опытное хозяйство Тюменской государственной сельскохозяйственной академии» (ФГУП УЧХОЗ Тюменской ГСХА), ООО «Зерноток» Омутинского района Тюменской области, ООО «БелАн» Тугулым-ского района Свердловской области, а также используются в учебном процессе ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья, ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ.
Методология и методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались общенаучные и частные методы исследования, а также методы математического моделирования, совокупность которых соответствовала целям и задачам исследования. В основу проведения экспериментальных исследований легли методики, изложенные в государственных стандартах, распространяющихся на испытания и эксплуатацию сельскохозяйственных машин и тракторов. Применены методики планирования многофакторных экспериментов с последующей обработкой результатов методами регрессионного анализа с использованием программных продуктов Microsoft Excel и Statistica.
Положения, выносимые на защиту:
-
Результаты теоретических исследований по определению индикаторных показателей рабочего процесса дизельного двигателя при применении водной инжекции и их трансформация в эффективные показатели работы сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов.
-
Уточненная методика теплового расчета дизельного двигателя 4Ч 11/12,5 при применении водной инжекции.
-
Основные параметры конструкции распылителя водной форсунки, рациональный компонентный состав водотопливной смеси для дизельного двигателя при применении водной инжекции.
4. Технико-экономические, энергетические и экологические показатели использования машинно-тракторных агрегатов на базе тракторов класса 1,4 при применении водной инжекции.
Степень достоверности и апробация результатов исследования подтверждаются корректным использованием математического аппарата и адекватностью разработанных моделей. Достоверность научных результатов и положений подтверждена экспериментальными исследованиями в лабораторных, полевых и производственных условиях.
Основные положения диссертационной работы доложены, обслужены и одобрены на научно-технических конференциях ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья (г. Тюмень, 2009…2016 гг.), ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ «Достижения науки – агропромышленному производству» (г. Челябинск, 2009…2016 гг.), на Международной научно-практической конференции 17 апреля 2014 г. «Роль науки в развитии общества» ФГБОУ ВО БашГУ (г. Уфа).
Публикации результатов исследований. По материалам исследования опубликовано 14 научных работ, в том числе 6 в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. Получен патент РФ на полезную модель и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть диссертации изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 56 иллюстраций и 38 таблиц. Список литературы содержит 153 наименования, из них 8 на иностранных языках.
Повышение эффективности работы двигателей внутреннего сгорания путем применения водной инжекции
При заданном объеме механизированных работ ресурс труда Рк определяется количеством основных и вспомогательных рабочих. Технико-технологический ресурс (средства производства) обуславливается количеством МТА, их потенциалом и технологической способностью. Ресурс предмета труда какого-либо производственного процесса возделывания или уборки сельскохозяйственных культур зависит от биологического потенциала сельскохозяйственной культуры Бп и природно-климатических условий Рпк.
В отличие от [98], автор считает, что результатом механизированного процесса в сельском хозяйстве является произведенное (видоизмененное или приобретшее новые характеристики) количество продукции определенного качества, выраженное в денежном или натуральном исчислении. Затратами – затраты денежных средств, живого труда, а также энергетические затраты и другие виды затрат, выраженные в денежном или натуральном исчислении. Используя эти показатели, можно определить, в отличие от [98], что основной показатель эффективности реализации механизированных процессов – рентабельность – отношение полученной прибыли к затратам, необходимым для получения данной прибыли.
Развитие механизации производственных процессов в сельском хозяйстве России шло поэтапно. В частности, источник [98], с которым мы полностью согласны, выделяет следующие основные этапы: - первый этап (1930…1950 гг.). На первом этапе механизации производственных процессов в сельском хозяйстве относительно небольшое количество МТА позволяло резко сокращать затраты живого труда, что при неизменной урожайности сельскохозяйственных культур (то есть без роста количества продукции) значимо увеличивало производительность труда; - второй этап (1960…1980 гг.). На втором этапе количественный и качественный рост технико-технологического ресурса (без существенного роста объемов продукции) уже не привел к пропорциональному сокращению затрат живого труда. Соответственно замедлились темпы прироста производительности труда. Стало очевидным, что эффективность экстенсивного (за счет количественного роста технико-технологического потенциала) пути ее увеличения была, в основном, исчерпана и потребовался переход к интенсивно-экстенсивному пути. Его особенность заключалась в том, что прироста объемов продукции растениеводст 14 ва добивались в основном за счет более полного использования биологического и природно-климатического ресурсов, то есть не столько количественным и качественным увеличением средств механизации, сколько повышением урожайности сельскохозяйственных культур; - третий этап (1980…по настоящее время). Переход к третьему этапу развития механизированных производственных процессов в сельском хозяйстве (этапу интенсификации) потребует существенного, принципиального изменения количественно-качественных параметров и показателей машинно-тракторных агрегатов и их энергетических установок (двигателей).
Анализ литературных источников [5, 6, 9, 23, 61, 68, 72, 89, 98, 99, 106, 117, 119, 122, 124, 125, 139] показал, что в сельском хозяйстве на качество и своевременность выполнения технологических операций наиболее существенное влияние оказывают технические и технико-экономические показатели МТА. В частности, производительность и топливная экономичность, которые взаимосвязаны.
Известно, что в настоящее время и на ближайшую перспективу основным источником энергии МТА остаются двигатели внутреннего сгорания, преобразующие химическую энергию топлива в механическую. При этом топливо является не только основным источником энергии для двигателей, но и в значительной мере определяет себестоимость единицы выполненной работы. В зависимости от вида выполняемых технологических процессов и типа применяемых агрегатов, в структуре себестоимости полевых работ доля затрат на топливо сегодня составляет от 15 до 25 %, причем эта доля постоянно растет в связи с изменением ценовой конъюнктуры на энергоносители.
Показатели экономичности работы двигателей внутреннего сгорания, к которым относится часовой и удельный расходы топлива, определяются совершенством конструкции ДВС. В частности, основными показателями современных ДВС, характеризующими их технический уровень с позиции эффективности эксплуатации, являются: эффективный КПД двигателя е, удельный эффективный расход топлива ge и ряд других. Эффективный КПД двигателя rjе представляет собой отношение количества энергии, превращенной в работу на валу двигателя, ко всей энергии сожженного в двигателе топлива: 3,6 103 71е= (1.2) Ни- ge тогда 3,6 103 Gт103 Se= = (1.3) Hur/e Ne где ge - удельный эффективный расход топлива, г/кВт-ч; Gт - часовой расход топлива, кг/ч; Ни -низшая теплотворная способность топлива, мДж/кг; Ne - эффективная мощность двигателя, кВт.
Для основных сортов дизельного топлива низшая теплотворная способность равна Ям=42,4...42,7 МДж/кг. Эффективный КПД при номинальной мощности: для карбюраторного двигателя /е=0,25...0,33; для дизелей без наддува /е=0,35...0,42; для дизелей с наддувом /е=0,38...0,46; для газовых двигателей /е=0,23...0,30.
Теоретические исследования рабочего цикла дизельного двигателя при применении водной инжекции
Как уже было заявлено ранее, целесообразность применения альтернативных видов топлива в автотракторных двигателях, помимо топливно-энергетических соображений, должна быть обоснована с позиций экономической целесообразности их производства и использования в хозяйственно-экономической системе страны или отдельного региона.
Укрупненные экономические показатели, с учетом сложившегося в России технологического уровня производства альтернативных видов топлива из газового сырья относительно нефтяного бензина А-80, представлены в таблице 1.6.
Анализ данных таблицы показывает, что высокая цена производства метанола и синтетического моторного топлива, несмотря на определенную энергетическую эффективность последних, станет одним из основных препятствий их широкого распространения как топлива для автотракторных двигателей не только в краткосрочной, но и в среднесрочной перспективе. Именно это обстоятельство и определяет сегодня использование природного газа без его глубокой переработки (без изменения его химического состава).
Таким образом, применение альтернативных топлив является хотя и перспективным направлением развития автотракторной техники, однако для его практи 27 ческого воплощения нужно, как минимум, решить изложенные выше проблемы.
Нефтяные топлива еще долго останутся превалирующими источниками энергии для двигателей внутреннего сгорания, поэтому актуальной задачей, сегодня, является их экономное расходование. В связи с этим возрастает практический интерес к уже апробированным способам экономии топлива. Одним из таких способов является подача (впрыск) воды в цилиндры двигателя внутреннего сгорания или водная инжекция.
Жидкие углеводородные топлива, запас которых, к сожалению, ограничен и сокращается, еще долго останутся незаменимым топливом для двигателей внутреннего сгорания. В этой связи вопросы их экономного расходования остаются актуальными, а проводимые исследования по повышению топливной эффективности работы ДВС практически значимыми. За более чем вековую историю общий КПД лучших бензиновых двигателей (с искровым принудительным зажиганием) не превысил 25…30 %. КПД лучших дизельных моторов, даже в их самых экономичных массогабаритных вариантах, не превышает 40…45 %. КПД малых дизелей ниже на 10…15 %.
Одним из направлений повышения топливной эффективности двигателей внутреннего сгорания является использование воды как добавки к углеводородным топливам. Идея использования воды для улучшения работы ДВС не нова и представляется весьма заманчивой. Привлекательность этой идеи объясняется тем, что ее применение не требует больших затрат на создание новых производственных мощностей [20, 69, 103, 104]. По данным источника [20], водная оболочка Земли – океаны, моря, озера, реки – составляет около 1,4…1,5 млрд. км3, то есть несравнимо больше запасов углеводородного топлива. Если учесть, что вода, после ее использования в ДВС, возвращается обратно в гидросферу, причем очищенной, то ее запасы практически неисчерпаемы. Вода не является горючим веществом, поэтому она не может заменить углеводородное топливо, которое используется в ДВС для нагревания свежего заряда. Однако, «…вода позволяет уменьшить теплонапряженность двигателей, повысить надежность и эффективность их работы, экономить топливо, увеличить детонационную стойкость низкооктановых бензинов, снизить концентрацию окислов азота и углерода в отработавших газах. Вода может быть использована для охлаждения топливно-воздушного заряда при создании двигателей с наддувом, а также при работе двигателей в высокогорных условиях. Наконец, она дает возможность использовать водорастворимые антидетонаторы» [20]. На сегодняшний день известны следующие способы добавления воды к углеводородному топливу: 1) нерегулируемая подача неизменного количества воды, независимо от режима работы двигателя; 2) регулируемая подача воды, обеспечивающая ее определенную долю в топливной смеси; 3) регулируемая подача воды в соответствии с режимом работы двигателя; 4) использование водотопливных эмульсий (ВТЭ).
Водотопливные эмульсии – метастабильные жидкости, состоящие из воды и топлива. Длительность их метастабильного состояния зависит от третьего вещества – эмульгатора. Но подбор этого вещества оказался с технической точки зрения сложнее инженерных проблем, возникающих при использовании обычной воды. Внутреннее строение водотопливных эмульсий показано на рисунке 1.4. Основные физико-химические свойства современных ВТЭ практически идентичны базовому углеводородному топливу. По антидетонационным свойствам отмечается даже их некоторое превосходство.
Оборудование, методы измерений и аппаратура, применяемые при экспериментальных исследованиях
Литературные источники [65, 82] отмечают, что для дизельного топлива количество молей продуктов сгорания всегда больше, чем количество молей свежего заряда (горючей смеси). Приращение объема продуктов сгорания AМ происходит вследствие увеличения суммарного количества молекул в результате цепных химических реакций распада молекул топлива и образования новых молекул. Рост числа молей продуктов сгорания способствует увеличению объема продуктов сгорания и, как следствие, способствует некоторому возрастанию полезной работы газов при их расширении. Нужно отметить, что в цилиндре реального двигателя в сгорании участвует не горючая смесь, а рабочая смесь, которая состоит свежего заряда (горючей смеси) и остаточных газов Мт (части продуктов сгорания, не удаленных из цилиндра в процессе выпуска).
Строго говоря, описание реальных циклов в теории двигателей внутреннего сгорания опирается на использование идеальных термодинамических зависимостей и приближении их к действительным путем учета реальных факторов и принятия обоснованных допущений. Замкнутые теоретические циклы, в отличие от действительных процессов, происходящих в двигателе, осуществляются с учетом следующих допущений: - преобразование теплоты в механическую энергию осуществляется в замкнутом объеме и тем же несменяемым количеством рабочего тела; - состав и теплоемкость рабочего тела остаются неизменными; - подвод теплоты производится от постороннего источника только при постоянном объеме и постоянном давлении; - процессы сжатия и расширения протекают адиабатически, без теплообмена с окружающей средой, с постоянными показателями адиабат; - отсутствуют какие-либо потери теплоты на трение, излучение и т.п.
Термодинамический цикл двигателя характеризуется двумя основными показателями: теплоиспользованием (термический коэффициент полезного действия) и работоспособностью (удельная работа цикла): - термический коэффициент полезного действия - отношение количества теплоты, превращенной в полезную механическую работу, к общему количеству теплоты, подведенной к рабочему телу rlt= =1 7Г, (2.26) удельная работа цикла – отношение количества теплоты, превращенной в механическую работу, к рабочему объему цилиндра двигателя где Q\ - количество теплоты, подведенное к рабочему телу от постороннего источника; Qz -количество теплоты, отведенное от рабочего тела к холодному источнику; р=——— = , Дж (2 27) Va-Vc Va-Vc м 3 где Уа - максимальный объем, занимаемый рабочим телом в конце процесса расширения (поршень находится в НМТ), м3; Ус - минимальный объем, занимаемый рабочим телом в конце процесса сжатия (поршень находится в ВМТ), м3; Ьц - работа цикла, равная изменению количества теплоты, Дж.
Процесс впуска. В процессе впуска осуществляется наполнение цилиндра двигателя внутреннего сгорания свежим зарядом.
Параметры окружающей среды и остаточные газы. Атмосферные условия ро = 0,1 МПа; Т0 = 293 К. Давление окружающей среды для дизельного двигателя 4Ч 11/12,5: рк = р0 = 0,1 МПа. Температура окружающей среды для дизельного двигателя 4Ч 11/12,5: Тк = Т0 = 293 К. Температуру и давление остаточных газов определим, исходя из рекомендаций [62, 65, 82, 91]: Т, = 750 К. рг= 1,05-0,1 = 0,105 МПа. Температура подогрева свежего заряда. При работе дизельного двигателя происходит естественный подогрев заряда, который может достигать 15.. .20 С. С учетом изложенного, принимаем AТ = 20 С. Плотность заряда на впуске. Плотность заряда на впуске определим по формуле р 106 кг Рк=1вТк м (2-28) где Rв - удельная газовая постоянная воздуха: R 8315 Дж Кв = — = = 287 /j,в 28,96 кг град где R - универсальная газовая постоянная, R = 8315 ; jilв - молярная масса воздуха кмольград кг кмоль (масса 1 кмоль воздуха), juв = 28,96 0,1 -10 89 кг 287-293 м 3 . Потери давления на впуске, которые возникают из-за наличия сопротивлений во впускной системе двигателя и затухания скорости движения заряда в цилиндре двигателя, определим из уравнения Бернулли: Ара = {j32 + L)\вп\pк-10 -6 , МПа , (2.29) где /? - коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; $вп - коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению; (Овп - средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы.
Процесс сжатия. В процессе сжатия свежего заряда в цилиндре дизельного двигателя повышаются температура и давление рабочего тела, что обеспечивает воспламенение и эффективное сгорание топливовоздушной смеси. Именно высокое предварительное сжатие рабочего тела обеспечило значительное повышение КПД дизельных двигателей внутреннего сгорания на ранней стадии их развития.
Процесс сжатия – сложный термодинамический процесс. Теоретически, при отсутствии теплообмена между газами, днищем поршня, стенками цилиндра и камеры сгорания этот процесс можно было бы рассматривать как адиабатный. Однако, в начале процесса сжатия, при относительно невысокой температуре свежего заряда, имеет место подвод теплоты от нагретых поверхностей цилиндра двигателя к рабочему тему. По мере развития процесса сжатия (движении поршня к ВМТ) и увеличения температуры рабочего тела интенсивность подвода теплоты к рабочему телу ослабевает, наступает квазиадиабатическое равновесие. Во второй половине процесса сжатия, когда температура рабочего тела превышает температуры стенок цилиндра, тепловой поток идет в обратном направлении.
Очевидно, что количество теплоты, подведенное к рабочему телу и отданное им стенкам цилиндра, неодинаково. Вместе с тем, опытные данные показывают, что эта разница незначительна. Поэтому на предварительной стадии расчета (на номинальном режиме) можно с достаточной степенью точности принять показа 62 тель политропы сжатия приблизительно равным показателю адиабаты. Согласно рекомендациям [62, 65, 82, 91], при = 16 и Та = 327 К принимаем 7 = =1,371. Тогда, давление и температура в конце сжатия рс = Paen и Тс = Таєщ 1. (2.34) рс =0,092-161-371 =4,118 МПа и Тс = 327 -Іб1-371"1 = 915 К .
В случае использования водной инжекции во впускной коллектор дизельного двигателя, согласно представленным в предыдущем разделе результатам исследований, присутствие воды в составе свежего заряда приведет к изменению его средней мольной теплоемкости. По данным [8, 129, 130, 131], оптимальный объем воды, подаваемой во впускной коллектор двигателя на номинальном режиме, составляет около 18 мг/цикл (около 30 % от цикловой подачи топлива).
Результаты тяговых испытаний машинно-тракторного агрегата в составе трактора МТЗ-82 и стерневой сеялки СЗС-2,1
В результате реакции конверсии топлива с парами воды образуется оксид углерода и водород. Наиболее активно процесс протекает при температурах выше 1000 С, причем его полнота определяется количеством подведенной к реагентам теплоты в период прохождения реакции. В дальнейшем подведенная теплота частично компенсируется горением образовавшихся в процессе реакции СО и Н2. Присутствие этих газов оказывает положительное воздействие на протекание процесса горения в целом.
Химическая активность воды, при температурах выше 800 С, выражается также в газификации несгоревших сажистых остатков углеводородного топлива, которая описывается следующей химической реакцией С + 2 Н2О = СО2 + 2 Н2. Велико влияние присутствия воды и на образование выбросов окислов азота. Анализ литературных источников [1, 17, 66, 67] показывает, что при подводе водяных паров к корню факела горелки котельной установки при сжигании дизельного топлива (концентрация водяных паров эквивалентна вводу 30 % воды) содержание NOx снизилось до 335 мг/м3 (NO2 = 68,3 мг/м3, а отношение NO2/NO увеличилось до 0,256). При сжигании мазута М40 содержание NOx снизилось до 399 мг/м3 (NO2 = 84,0 мг/м3, а отношение NO2/NO увеличилось до 0,268).
К.В. Трелина [136] в своих исследованиях по влиянию увлажнения воздушного заряда двигателей сельскохозяйственной техники для уменьшения выбросов оксидов азота (на примере двигателя Д-120) также приходит к аналогичным выводам. Нужно особо отметить, что губительное влияние оксидов азота на возделываемые сельскохозяйственные культуры выдвигает повышенные требования к их предельно допустимой концентрации в воздухе рабочей зоны, которая не должна превышать 5 мг/м3. Также велико влияние присутствия воды и на другие компоненты топливного
заряда, причем в разных ее концентрациях. В частности, [77, с.90] отмечает: «Если к смеси окиси углерода с кислородом предварительно добавить значительное (выделено курсивом мною – С.В.) количество воды и в особенности водорода, то сенсибилизация таких смесей двуокисью азота вызывает взрыв при существенно более низких температурах по сравнению с температурой воспламенения чистых смесей. Температура, при которой происходит воспламенение смесей с добавками водорода, близка к температуре воспламенения смесей водорода с кислородом, сенсибилизированных NO2. Воспламенение смесей с добавками паров воды происходит в промежуточной температурной области».
На основании изложенного можно заключить, что использование водной ин-жекции в дизельном двигателе значительно изменит процесс самовоспламенения и горения топлива в цилиндре двигателя. Вместе с тем, данный процесс изучен недостаточно полно, методики теоретических расчетов практически отсутствуют, вследствие влияния большого количества факторов, поэтому требуется экспериментальная проверка выдвинутых гипотез.
1. В результате теоретических исследований рабочего процесса дизельного двигателя при применении водной инжекции установлено, что максимальный размер капли воды не должен превышать 0,39 мм, что достигается применением инжектора с диаметром распылителя форсунки 0,3…0,4 мм при давлении не ниже 0,2 МПа.
2. В результате математического моделирования установлено, что на номинальном режиме работы дизельного двигателя 4 Ч 11/12,5 введение в топливовоз-душную смесь 30% воды от цикловой подачи дизельного топлива позволяет увеличить эффективную мощность с 55,15 кВт до 65,84 кВт (новизна модели подтверждена Свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016611249).
3. Снижение удельного эффективного расхода дизельного топлива составляет 45 г/(кВтч).Термический КПД исследуемого двигателя – 35,57 %.
В ходе проведения экспериментальных исследований были определены исходные данные, необходимые для построения математической модели, раскрывающей влияние водной инжекции на эффективные показатели работы тракторного дизеля и, в конечном итоге, на повышение эффективности использования МТА в сельском хозяйстве.
В качестве базы для экспериментальной установки был использован МТА в составе трактора МТЗ-82 и одной секции зернотуковой стерневой сеялки-культиватора СЗС-6 (СЗС-2,1). Обоснованием для выбора экспериментальной установки явилось то, что в настоящее время тракторы тягового класса 1,4 являются основными энергетическими средствами в сельскохозяйственном производстве РФ, широко используются при проведении посевных работ. Выбор зернотуковой стерневой сеялки-культиватора СЗС-2,1 производства ОАО ЦК ТФПГ «Сибагро-маш» (Алтайский край, г. Рубцовск) обосновывается природно-климатической зоной ее применения и широким диапазоном изменения тягового сопротивления в зависимости от глубины заделки семян (глубины обработки почвы), что делает ее достаточно удобной для создания экспериментального макета машинно-тракторного агрегата, обладающего большим тяговым сопротивлением.
Технические характеристики экспериментального трактора МТЗ-82 и зерно-туковой стерневой сеялки-культиватора СЗС-6 представлены в Приложениях Б, В.
Экспериментальные исследования были проведены на основе стандартных методик, изложенные в государственных стандартах, распространяющихся на испытания и эксплуатацию сельскохозяйственных машин и тракторов. В частности, ГОСТ 23729-88 [30], ГОСТ 24055-88 [31], ГОСТ 30745-2001 (ИСО 789-9-90) [35], ГОСТ 7057-2001 [37], ГОСТ Р 53056-2008 [41], ГОСТ Р 54784-2011 [43], ГОСТ 31345-2007 [36]. Проведение лабораторных исследований влияния водной инжек-ции на технические и экологические параметры двигателя 4Ч 11/12,5, в качестве аналога был использован двигатель Д-240, проводились в соответствии ГОСТ 18509-88 [26], ГОСТ 20000-88 (СТ СЭВ 1006-78) [28], ГОСТ Р 41.96-2011 [38]. Дополнительно, были учтены методические рекомендации [25, 27, 29, 32, 33, 34, 39, 40, 42, 73, 76, 83, 84, 135, 137, 141].