Введение к работе
Актуальность проблемы. Двигатели тракторов и автомобилей, представляющие основу мобильного обеспечения сельскохозяйственного производства Российской Федерации и стран СНГ, являются одним из основных источников загрязнения окружающей среды и потребителями моторных нефтяных топлив. В отработавших газах (ОГ) дизелей содержится несколько сотен различных компонентов, многие из которых токсичны. Они попадают на растения, почву, вдыхаются животными и людьми, снижают урожайность, ухудшают качество сельскохозяйственной продукции, оказываются в организмах животных и люден, в потребляемой ими пище. Антропогенное и техногенное воздействия тракторных дизелей на окружающую среду, особенно в локальных участках (помещениях с ограниченным воздухообменом), приводят к созданию там экологически экстремальных условий.
Вместе с тем, весьма актуальным для России является проблема экономии нефтяного моторного топлива, возможность его замены на альтернативные виды топлива ненефтяного происхождения и использование их в тракторных дизелях. При этом особый интерес представляет задача улучшения эксплуатационных показателей тракторных дизелей, предназначенных для эксплуатации в экологически экстремальных условиях, путем применения альтернативных топлив, что является весьма актуальной научной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение и включенной в перечень критических технологий федерального уровня.
Связь с планами научных исследований и производством. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой 43.91.00.84-50.1580 (Газодизельные модификации тракторов) Минсельхозмаша СССР, планами НИР Вятской государственной сельскохозяйственной академии и на основе хоздоговорных работ с ЦНИИМом Минсельхозмаша СССР (1986..1988 г.г.); совхозом «Тепличный» Ивановского АПК (1989...1990 г.г.); заводом «Электробытприбор» (1990... 1991 г.г., г. Киров), номера государственной регистрации тем: 79.03.6577, 01.82.1001932, 01.86.0037397, 01.86.0066035, 01.86.0066036, 01.86.0066037, 01.88.0059777,01.88.0059778.
Целью исследований является улучшение эксплуатационных показателей тракторных дизелей путем применения альтернативных топлив.
Обьекты исследований. Дизели: 24 10,5/12,0 (трактора Т-25А, самоходного шасси Т-16МГ, РФ); 34 9,5/10,0 (трактора "Универсал-445", Румыния); 44 10,5/12,0 (трактора Т-40АМ, сварочной установки АДД-4002У1, РФ); 44 9,85/12,7 (самоходного погрузчика 17.92, Болгария). Альтернативные топлива: природный газ и метиловый спирт (метанол).
Научную новизну работы представляют: - исследование влияния альтернативных моторных топлив ненефтяного происхождения на процесс сгорания, характеристики тепловыделения, токсичность и дымность отработавших газов, эксплуатационные показатели тракторных дизелей различной размерности, типов камер сгорания и систем охлаждения;
разработка и исследование новых конструкций, способов и систем приготовления, дозирования, регулирования и подачи в цилиндры тракторных дизелей альтернативных моторных топлив ненефтяного происхождения;
разработка новых метаноло-топлйвных эмульсий (МТЭ) и композиций;
разработка теоретических предпосылок по применению природного газа в качестве топлива для тракторных дизелей, основывающихся на феноменологии смесеобразования в топливном факеле, впрыскиваемом в метаиовоздушную среду (МВС) цилиндра газодизеля, особенностях воспламенения и горения метано-воздушной среды в цилиндре газодизеля;
теоретические разработки по влиянию природного газа на феноменологию и химизм результирующего сажеобразования при сгорании МВС в цилиндре газодизеля;
определение расчетных критических температур и предложение кинетического уравнения дегидрогенизации метана при сгорании в цилиндре газодизеля;
определение параметра сажеобразования и основных показателей углеродных комплексов при горении МВС в цилиндре газодизеля;
разработка методики применения теории планирования эксперимента на основе симплекс-решетчатых планов Шеффе для оптимизации эксплуатационных показателей дизелей при работе на альтернативных видах топлива;
разработка новых конструкций и изготовление макетных образцов тракторов, самоходных шасси, установок и самоходных погрузчиков, работающих на альтернативных топливах с улучшенными Эксплуатационными показателями и предназначенных для эксплуатации в экологически экстремальных условиях.
Новизна предложенных разработок подтверждена 5 авторскими свидетельствами и патентом РФ на изобретения.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследований. Результаты научно-технических разработок, созданных при выполнении диссертационной работы доведены до стадии создания макетных образцов и проведения функциональных испытаний, с последующей передачей для эксплуатации предприятиям-заказчикам НИР и ОКР. Результаты НИР по созданию макетного образца трактора Т-25А для работы на газе переданы ЦНИИМу Мин-сельхозмаша СССР для внедрения по теме 43.91.00.84-50.1580 (Газодизельные модификации тракторов). Секцией тракторных и комбайновых двигателей НТС Минсельхозмаша СССР работы НИР по созданию газодизельных модификаций тракторов класса 0,6...3,0 признаны особо важными.
Результаты НИР по переводу на природный газ дизеля Д-144 переданы НПО "Двигатель" (г. Москва). Результаты НИР по созданию макетного образца трактора Т-25А для работы на природном газе переданы Казанской государственной сельскохозяйственной академии. Макетные образцы, модернизированные для работы на природном газе, внедрены в следующих организациях: трактор Т-25А - в учебно-опытном хозяйстве Казанской государственной сельскохозяйственной академии; самоходное шасси Т-16МГ - в совхозе "Тепличный" Ивановской области; сварочный агрегат АДД-4002У1 - в совхозе "Тепличный" Ивановской области; трактор "Универсал-445" - в совхозе "Тепличный" Ивановской области; самоходный погрузчик 17.92 - на заводе «Электробытприбор» г. Киров.
Материалы диссертации используются в учебном процессе Вятской, Казан- , :кой, Чувашской и Нижегородской государственных сельскохозяйственных академий.
Экономический эффект от внедрения научных разработок и передачи технической документации составил 500 тыс.руб. в ценах 1990 года.
Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях Кировского сельскохозяйственного института в 1979...1980, 1982...1989 г.г., Вятской государственной сельскохозяйственной академии в 1996...1999 г.г. (г. Киров), Всесоюзной научно-технической конференции "Защита воздушного бассейна от загрязнения ток- і сическими выбросами транспортных средств", 1981 г. (г. Харьков), 7-й зональной научно-технической конференции кафедр тракторов и автомобилей сельхоз-вузов Поволжья и Предуралья, 1982 г. (г. Горький), Всесоюзном научно-техническом семинаре по ДВС, МВТУ им. Баумана, 1984, 1986 г.г. (г. Москва), 8-й зональной научно-технической конференции кафедр тракторов и автомобилей сельхозвузов Поволжья и Предуралья, 1985 г. (г. Киров), Всесоюзной конференции "Проблемы совершенствования рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания", МАДИ, 1986 г. (г. Москва), Всесоюзном семинаре "Пути снижения загрязнения воздушного бассейна выбросами ДВС", ВДНХ СССР, 1987 г. (г. Москва), научно-технической конференции "Повышение топливной экономичности автомобилей и тракторов", 1987 г. (г. Челябинск), научно-технической конференции "Роль молодых ученых и специалистов сельского хозяйства в ускорении научно-технического прогресса", 1988 г. (г. Киров), Всесоюзной научно-технической конференции "Альтернативные топлива в ДВС", 1988г. (г. Киров), Пятом Международном симпозиуме "Оценка и снижение токсичных выбросов с отработавшими газами ДВС", 1988 г. (г. Пирна, Германия), Всесоюзном научно-техническом семинаре "Перспективы применения нетрадиционных источников энергии в агропромышленном комплексе", 1989 г. (г. Симферополь), Всесоюзном семинаре "Рабочие процессы в ДВС с ограниченным отводом тепла", 1990 г. (г. Новосибирск), Всесоюзной научно-технической конференции "Научно-технический прогресс в химмотологии топлив и смазочных материалов", 1991г. (г. Днепропетровск), Международном симпозиуме "Использование сжатого природного газа и сжиженного нефтяного газа в качестве моторного топлива", 1991 г. (г. Киев), научно-практической конференции «Перевод автомобильного транспорта на газомоторное топливо в Чувашской Республике в 1996-2005 годах», 1996 г. (г. Чебоксары), научно-практической конференции "Концепция развития механизации, электрификации и автоматизации агропромышленного комплекса Северо-Востока", 1997 г. (г. Киров), региональной научно-технической конференции "Наука-производство-технология-экология", 1998 г. (г. Киров), 10-й научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья, 1998 г. (г. Чебоксары), региональной научно-практической конференции Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии, 1999 г. (г. Нижний Новгород).
Результаты работы неоднократно демонстрировались на областных и Всесоюзных выставках, отмечены дипломами и медалями. Бронзовой медалью
ВДНХ СССР на выставке "Научно-техническое творчество молодежи-87" (1987 г.), серебряной медалью ВДНХ СССР на выставке "Изобретательство и рациона-лизация-88" (1988 г.), серебряной Медалью ВДНХ СССР на выставке "Научно-технический прогресс и передовой опыт АПК СССР" (1989 г.), серебряной медалью ВДНХ СССР на выставке "Достижения науки и техники России - агропромышленному комплексу" (1989 г.). За достижения в области науки автору присвоено звание "Лауреат областной премии им*. СМ. Кирова" за 1989 г.
Публикации результатов исследований. Основные положения диссертации опубликованы в 74 печатных работах, включая статьи, тезисы статей и две монографии (в соавторстве), одна из которых вышла двумя изданиями, отражены в 5 авторских свидетельствах и патенте РФ на изобретения и в 7 отчетах по НИР.
На защиту выносятся следующие положения и основные результаты исследований:
теоретические предпосылки по применению природного газа в качестве топлива для тракторных дизелей, основывающиеся на феноменологии смесеобразования в топливном факеле, впрыскиваемом в МВС цилиндра газодизеля, особенностях воспламенения и горения МВС в цилиндре газодизеля;
теоретические предпосылки по влиянию природного газа на феноменологию и химизм результирующего сажеобразования при сгорании МВС в цилиндре газодизеля;
теоретические предпосылки по определению расчетной критической температуры и кинетического уравнения дегидрогенизации метана; определение параметра сажеобразования и основных показателей углеродных комплексов при горении МВС в цилиндре газодизеля;
методика применения теории планирования эксперимента на основе симплекс-решетчатых планов Шеффе для оптимизации эксплуатационных показателей дизелей при работе на альтернативных видах топлива;
способы и системы приготовления, дозирования, регулирования и подачи в цилиндры тракторных дизелей альтернативных моторных топлив;
новые МТЭ и композиции;
результаты лабораторно-стендовых исследований влияния альтернативных моторных топлив на процесс сгорания, характеристики тепловыделения, токсичность и дымность ОГ, эксплуатационные показатели тракторных дизелей различной размерности, типов камер сгорания и систем охлаждения;
новые конструкции и макетные образцы тракторов, самоходных шасси, установок и самоходных погрузчиков, работающих на альтернативных топливах.
Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из списка основных условных обозначений и сокращений, введения, восьми разделов, общих выводов, списка литературы и восьми приложений. Работа изложена на 584 стр. в том числе 350 стр. текста, содержит 178 рисунков и 29 таблиц. Список литературы содержит 504 наименования, в том числе 99 на иностранных языках. г
