Савельев, Геннадий Степанович. Технологии и технические средства адаптации автотракторной техники к работе на альтернативных видах топлива

Краткое описание

Савельев, Геннадий Степанович. Технологии и технические средства адаптации автотракторной техники к работе на альтернативных видах топлива : диссертация ... доктора технических наук : 05.20.01 / Савельев Геннадий Степанович; [Место защиты: Всерос. науч.-исслед. ин-т механизации сел. хоз-ва].- Москва, 2010.- 315 с.: ил. РГБ ОД, 71 12-5/52

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ГНУ ВИМ Россельхозакадемии)

0520ii5G3^0
Савельев Геннадий
На правах рукописи
Степанович

Технологии и технические средства адаптации автотракторной техники к работе на альтернативных
видах топлива
Специальность 05.20.01 — технологии и средства механизации сельского
хозяйства
Диссертация на соискание ученой степени доктора технически наук
Научный консультант доктор технических наук, профессор, академик Россельхозакадемии Краснощеков Николай Васильевич
Москва- 2010
Содержание
Термины, определения, обозначения, сокращения 6
Введение 8
1 Анализ технологий и технических средств производства и использования биодизельных и газомоторных топлив 16
1.1 Состояние вопроса по применению природного газа в качестве топлива в мобильной сельскохозяйственной энергетике 18
1.2 Анализ состояния производства и использования биодизельных топлив (БДТ) первого поколения из растительных масел 20
1.2.1 Состояние производства БДТ за рубежом 20
1.2.2 Характеристика растительных масел и требования к качеству
сырья для производства метилэфира рапсового масла (МЭРМ) 24
1.2.3 Технологические схемы производства МЭРМ_ 30
1.2.4 Результаты моторных испытаний метилэфиров различных
масел 33
1.3 Технологические схемы производства биотоплив второго поколения 45
1.4 Биотоплива третьего поколения 49
1.5 Выводы по первой главе 50
1.6 Задачи исследований 51
2 Технологии производства биотоплива из рапса и возможный уровень энергоавтономности сельскохозяйственного предприятия 53
2.1 Потенциальные возможности производства БДТ из рапсового
масла (РМ) в России 53
2.2 Потенциальные возможности России по производству биотоплива второго поколения 53
2.3 Технология производства РМ для использования его в качестве
топлива 55
2.3.1 Физико-химические свойства РМ и смесевого топлива из дизель¬ного топлива (ДТ) и РМ (СТРМ) и энергобаланс их производства 55
2.3.2 Структурная схема проекта переработки рапса и
внутрихозяйственного производства СТРМ 58
2.4 Оценка уровня энергоавтономности сельскохозяйственного
предприятия по ДТ при его замене на РМ 63
2.5. Выводы по второй главе 67
3 Технологии и технические средства адаптации дизельной автотрактор¬ной техники для работы на РМ, СТРМ 69
3.1 Общие положения, выбор объектов исследований 69
3.2 Оптимизация конструкционных параметров и режимов работы топливной аппаратуры тракторного дизеля при работе на РМ 72
3.2.1 Расчет участка топливной системы от бака до
топливоподкачивающего насоса 73
3.2.2 Расчет участка топливной системы от топливоподкачивающего насоса до топливного насоса высокого давления 75
3.2.3 Гидродинамический расчет процесса топливоподачи дизеля
Д-440 при использовании РМ в качестве топлива 79
3.2.4 Определение гидравлической характеристики распылителя 86
3.2.5 Результаты расчета процесса топливоподачи РМ 88
3.3 Выводы по третьей главе 100
4 Технологии и технические средства адаптации дизелей к работе на компримированном и сжиженном природном газе 101
4.1 Технические средства адаптации дизелей к работе на компримиро¬ванном природном газе (КПГ) по газодизельному процессу 101
4.2 Газотопливные системы газодизельных тракторов 109
4.3 Технология переоборудования тракторов для работы на
сжиженном природном газе (СГГГ) 121
4.4. Технологии конвертации дизелей в газоискровые двигатели 128
4.4.1 Краткий аналитический обзор зарубежных разработок по конвертации дизелей в газоискровые двигатели 128
4.4.2 Технологии конвертации дизелей КамАЗ в газоискровые
двигатели 142
4.4.3 Технология конвертации дизеля Д-240 в газоискровой двигатель... 156
4.5. Выводы по четвертой главе 164
5 Результаты экспериментальных исследований энергетических, топлив¬но-экономических, экологических показателей и параметров рабочего процесса автотракторных дизелей при работе на РМ, СТРМ и КПГ 168
5.1 Результаты экспериментальных исследований рабочего процесса тракторных дизелей при работе на РМ и СТРМ 168
5.2 Энергетические, топливно-экономические и экологические показатели дизелей при работе на РМ и СТРМ 178
5.3 Экологические показатели дизелей при работе на РМ и СТРМ 190
5.4 Результаты определения величины коксования отверстий распылителей форсунок и нагарообразования при работе дизелей
на РМ и СТРМ 196
5.5 Энергетические, топливно-экономические показатели газодизелей...204
5.6 Энергетические, топливно-экономические и экологические показатели газоискровых двигателей 215
5.7 Выводы по пятой главе 231
6 Эксплуатационно-технологические показатели МТА с тракторами, работавшими на 234
6.1 Эксплуатационно - технологические показатели тракторов и авто¬мобилей, работающих на КПГ С 235
6.2 Эксплуатационно - технологические показатели тракторов
и автомобилей, работающих на РМ и СТРМ 239
6.3 Выводы по шестой главе 244
7 Коммерческая эффективность производства и использования АТ 246
7.1 Коммерческая эффективность производства и использования РМ 246
7.2 Коммерческая эффективность производства МЭРМ 255
7.3 Коммерческая эффективность производства биологического синтетического жидкого моторного топлива второго поколения 262
7.4 Коммерческая эффективность переоборудования тракторов для работы на КПГ 264
7.4.1 Влияние коэффициента загрузки двигателя на коммерческую эффективность переоборудования на КПГ 264
7.4.2 Влияние изменения цен на газобаллонное оборудование и топ
ливо на коммерческую эффективность переоборудования на КПГ 266
7.5 Коммерческая эффективность переоборудования автотрак¬торной техники на КПГ в масштабах региона 267
7.6 Выводы по седьмой главе 271
Общие выводы и рекомендации 274
Список использованных источников 281
Приложения 304
Приложение № 1 Протокол РосНИИТиМ № 07-87-2002 приемочных испытаний трактора К-701 газодизельного с микропроцессорной системой
управления 305
Приложение № 2 Протокол № 08-96-2007 от 13 декабря 2007 года приемочных испытаний бортовой топливной системы для трактора
К- 701, работающего на сжиженном природном газе 309
Приложение № 3 акт внедрения газового двигателя, конвертированного
из дизеля ММЗ-245.12 310
Приложение № 4 техническое задание, утвержденное гл. конструктором ММЗ П.А. Амельченко, на разработку конструкторской документации по переоборудованию трактора МТЗ-80/82 для работы на биотопливе (смеси
рапсового масла с дизельным топливом) 311
Приложение № 5 акт о внедрении в производство системы адаптации
тракторов к работе на рапсовом масле холодного отжима 313
Приложение № 6 акт по результатам эксплуатационных испытаний тракторов МТЗ-80/82 , Т-150К, ДТ-75, автомобилей КамАЗ -55111, Урал- 4320, адаптированных к работе на рапсовом масле холодного отжима 314
Термины, определения, обозначения, сокращения
В настоящей работе использованы следующие определения, сокращения, обозначения и термины:
Биотопливо первого поколения — топливо, получаемое из органического сырья, которое используется также в пищевых продуктах (биодизель из маслич¬ных культур, биоэтанол из кукурузы, пшеницы, сахарного тростника и др.)
Биотопливо второго поколения - биотоплива получаемые из непищевого сырья, в том числе из отходов, полученные различными методами пиролиза био¬массы, или другие топлива, отличные от метанола, этанола, биодизеля
Биомасса - все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности организмов и органические отходы, образующиеся в процессах производства, потребления продукции и на этапах технологического цикла. Национальный стандарт «Энергетика биоотходов. Термины и определе¬ния», введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регу¬лированию и метрологии от 27 12. 2007г. №424
Отходы - остатки продуктов или дополнительные продукты, образующие¬ся в процессе или по завершении определенной деятельности и не используемые в непосредственной связи с этой деятельностью. Отходы образуются при произ¬водстве продукции и ее потреблении
Пиролиз- термохимическая конверсия биомассы без доступа воздуха при температуре 450-550 ° С.
Газификация - сжигание биомассы при температуре 900-1500 ° С для по¬лучения газогенераторного газа и синтез-Газа.
Гидрогенизация жиров- каталитическое присоединение водорода к слож¬ным эфирам и ненасыщенным жирным кислотам.
Энзиматическая переработка — ферментативный способ переработки биомассы.
Ферментация - биохимический процесс, при котором органические веще¬ства разлагаются под действием ферментов с выделением химической энергии. Лигноцеллюлоза состоит целлюлозы, лигнина и гемицеллюлозы.
Лигнин - сложное полимерное соединение в клетках сосудистых растений. Триглицериды — природные органические соединения, полные сложные эфиры, глицерины и одноосновных жирных кислот, входят в класс липи¬дов.
Фосфолипиды — сложные липиды, содержащие фосфорную кислоту Farme- метиловый эфир жирных кислот семян рапса (Австрия, Чехия). FAME - метиловый эфир жирных кислот (Германия, Австрия).
VOME - метиловый эфир растительных масел (Франция, Италия, Швеция). БДТ - биодизельное топливо.
ГНП - геометрическое начало подачи топлива.
JLlf -эффективное проходное сечение, мм2 N е - эффективная мощность
град, п.к.в.- градусы поворота коленчатого вала двигателя, град, в.т.н. - градусы поворота вала топливного насоса высокого давления ДТ - дизельное топливо М1ф - крутящий момент;
МЭ - метил эфир
МЭРМ — метил эфир рапсового масла РМ - рапсовое масло РИД - редуктор низкого давления РВД - редуктор высокого давления СНХ - углеводороды;
СО - монооксид углерода
Синтез-газ - смесь монооксида углерода (СО) и водорода (Н2).
СТРМ — смесевое топливо с рапсовым маслом
СЭРГ — система электронного регулирования газоподачи
тнвд — топливный насос высокого давления ЧД - чистый доход
ЧДЦ - чистый дисконтированный доход
NOx - оксиды азота
Фоп. впр. — угол опережения впрыска топлива, град.
Введение
Актуальность темы. Снижение затрат на моторные топлива, доля кото¬рых в себестоимости сельскохозяйственной продукции уже превышают 30%, яв¬ляется одной из самых актуальных задач. Кардиальным решением является при¬менение альтернативных моторных топлив, цена которых в разы ниже нефтяных топлив. В настоящее время наиболее реальной альтернативой нефтяным мотор¬ным топливам являются газомоторное топливо (ГМТ), биотопливо на основе растительных масел, спиртов и жидкое синтетическое топливо из биомассы. Рост интереса к использованию альтернативных видов топлив объясняется также стремлением сократить выбросы токсичных веществ и квотируемых парниковых газов.
В России основным стимулом расширения использования ГМТ является его более низкая (в 2 раза) по сравнению с нефтетопливом цена. Ограниченная ин¬фраструктура заправки и хранения ГМТ, увеличенные масса - габаритные пара¬метры бортовых газотопливных систем и связанная с этим меньшая длительность работы на одной заправке, в определенной степени сдерживают использование ГМТ. Однако имеющиеся в России ресурсы газа, в значительной степени превос¬ходящие ресурсы нефти, реализуемая в настоящее время Целевая комплексная программа развития газозаправочной сети и парка техники, работающей на при¬родном газе, существующие тенденции и темпы развития ГМТ за рубежом дают основания уверенно прогнозировать в ближайшей перспективе расширение ис¬пользования ГМТ в мобильной энергетике.
Существующие и планируемые за рубежом высокие темпы развития произ¬водства и использования биомоторного топлива из возобновляемых источников объясняются, прежде всего, стремлением обеспечить энергетическую безопас¬ность, сохранить ресурсы традиционных топлив, диверсифицировать сельскохо¬зяйственное производство. Кроме того, использование метилэфиров растительных масел в качестве добавок в дизельное топливо (ДТ) позволяет повысить его каче¬ство при использовании в дизелях, соответствующих современным экологиче¬ским нормативам.
В России цены на нефтяное топливо примерно пока в 2 раза ниже европей¬ских цен, поэтому трудно обеспечить рентабельное производство биодизельного топлива (БДТ) в виде метилэфира рапсового масла (МЭРМ). В тоже же время, производство биодизеля из рапса на экспорт является высокорентабельным, а с учетом имеющихся в России посевных площадей доходы от экспорта БДТ могут достигать нескольких миллиардов евро.
Учитывая высокую стоимость переработки рапсового масла (РМ) в метилэ- фир, в России и Германии длительное время ведутся работы по возможности ис¬пользования в дизелях чистого РМ и смесевого топлива из рапсового масла с ди¬зельным топливом (СТРМ). Получены положительные результаты при лабора¬торных испытаниях и в реальной эксплуатации. Однако полученные результаты еще не дают возможности рекомендовать этот способ для всех двигателей, требу¬ется проведение исследований в направлении адаптации двигателей и улучшения химмотологических свойств СТРМ. При обеспечении работы дизелей на РМ и СТРМ, стоимость которых при их внутрихозяйственном производстве в разы ни¬же ДТ, имеется возможность обеспечить энергоавтономность сельского хозяйства и значительно снизить себестоимость производимой продукции.
Исследования и разработки, составившие основу диссертационной работы, выполнялись в соответствии с совместным Приказом Минсельхоза Р.Ф. и Рос-сельхозакадемии № 5/10 от 27.01.93 г, Федеральной целевой программой «Топли¬во и энергия», утвержденной Постановлением Правительства Российской Феде¬рации №263 от 6.03.96 г, решением Бюро отделения механизации, электрифика¬ции и автоматизации Россельхозакадемии от 31 марта 2005 г.
Актуальность разработок по ГМТ подтверждена поручением Президента Российской Федерации от 18.10.2004 г. №1686 ГС и поручением Правительства Российской Федерации от 25.10.2004 г. № МФ-П9-5799, для реализации поруче¬ний разработана и реализуется «Комплексная Программа по стимулированию широкомасштабного внедрения современных технологий перевода сельскохозяй¬ственной техники на газомоторное топливо».
Цель работы. Обеспечение частичной энергоавтономности сельхозпроизво¬дителей по ДТ на основе разработки технологий и технических средств адапта¬ции дизелей для эффективной работы на рапсовом масле (РМ) и смеси РМ с ДТ (СТРМ) без существенных изменений в конструкции двигателя.
Разработка конструкторской документации и технологий переоборудования автотракторной техники для работы на ГМТ.
Методы исследований. Теоретические исследования выполнены при ис¬пользовании математических моделей, экспериментальные исследования прово¬дились по специальным и стандартизованным методикам в стендовых и эксплуа¬тационных условиях на натуральных образцах автотракторной техники, рабо¬тающей на альтернативных топливах.
Технико-экономические исследования проводились в соответствии с мето¬дическими положениями ГОСТ, также использовались «Методические рекомен¬дации по оценке инвестиционных проектов и их отбору для финансирования, ут¬вержденные Госстроем, Минэкономикой, Минфином и Госкомпромом Россий¬ской Федерации от 21.03.94 г», «Внутрикорпоративными правилами оценки эф¬фективности НИОКР ОАО «Газпром».
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Технологии и технические средства внутрихозяйственной комплексной пе-реработки рапса, обеспечивающие повышение надежности и эффективности функционирования производственных процессов при реализации частично энер-гоавтономного сельскохозяйственного производства и повышения его экономиче¬ских показателей и экологической безопасности.
2. Методики и результаты теоретических и экспериментальных исследований топливных систем низкого давления и гидродинамического расчета процесса топ- ливоподачи тракторных дизелей при работе на РМ и СТРМ.
3. Метод определения оптимального соотношения РМ и ДТ в СТРМ по кри¬териям эффективности и ресурсосбережения на основе исследований параметров рабочего процесса, энергетических, топливно-экономических и экологических показателей дизелей, коксования отверстий распылителей форсунок и нагароот-
ложений на деталях цилиндропоршневой группы автотракторных дизелей при ра¬боте на РМ и СТРМ.
4. Комплект оснастки для адаптации систем топливоподачи тракторных дизе¬лей, обеспечивающей эффективную их работу на РМ и СТРМ с ручным и автома¬тизированным переключением видов топлив.
5. Метод оценки коммерческой эффективности производства и использова¬ния БДТ из РМ в зависимости от цены маслосемян, производительности и стои¬мости оборудования для производства БДТ.
6. Технология и конструкторская документация переоборудования автотрак-торной техники для работы на КПГ и СПГ с учетом оптимизации конструкцион¬ных параметров и режимов работы по критериям эффективности и ресурсосбере¬жения технологических процессов при максимальном удовлетворении агротехни¬ческих требований.
7. Опытные образцы, результаты стендовых, эксплуатационных и приемоч¬ных испытаний сельскохозяйственных тракторов, работающих на КПГ и СПГ при конвертации дизелей на газодизельный режим и в монотопливные газоискровые двигатели с эжекторными и инжекторными системами подачи газа, в том числе с микропроцессорными системами управления.
8. Влияние коэффициента загрузки двигателя, запальной дозы ДТ газодизеля, изменения капвложений на переоборудование, разницы в ценах на ГМТ и ДТ на показатели коммерческой эффективности. Методика и результаты оценки ком¬мерческой эффективности переоборудования на ГМТ отдельных образцов машин, а также парка техники в масштабе сельскохозяйственных регионов.
Научную новизну работы составляют:
- технологии и технические средства внутрихозяйственной комплексной пе¬реработки рапса, обеспечивающие повышение надежности, экологической безо¬пасности и эффективности функционирования производственных процессов в частично энергоавтономном сельскохозяйственном предприятии;
- метод определения оптимального соотношения рапсового масла (РМ) и ди¬зельного топлива (ДТ) в СТРМ по критериям эффективности и ресурсосбереже¬ния на основе исследований параметров рабочего процесса, энергетических, топ¬ливно-экономических и экологических показателей дизелей при работе на РМ и СТРМ;
- технологии и конструкторская документация переоборудования автотрак¬торной техники для работы на компримированном (КПГ) и сжиженном (СПГ) природном газе с учетом оптимизации конструкционных параметров и режимов работы по критериям эффективности и ресурсосбережения технологических про¬цессов при максимальном удовлетворении агротехнических требований;
- новые энергетические, топливно-экономические, экологические показатели газодизельных и газоискровых двигателей;
- зависимости влияния коэффициента загрузки двигателя, запальной дозы ДТ у газодизеля, изменения капвложений на переоборудование, разницы в ценах ГМТ и ДТ на показатели коммерческой эффективности.
Практическая значимость и реализация результатов исследований включают:
- конструкторскую документацию комплектов адаптации тракторов и авто¬мобилей к работе на РМ и СТРМ, разработанную на основе выполненных теоре¬тических и экспериментальных исследований;
- результаты приемочных испытаний опытных образцов автотракторной тех¬ники (8 типов тракторов и 4 типа автомобилей), работающей на ГМТ и БДТ, про¬веденных пятью МИС и др. организациями);
- рекомендации по производству и использованию биодизельного топлива из рапсового масла;
- руководство по организации и проведению переоборудования тракторов для работы на компримированном природном газе ОАО «Газпром», Минсельхоз¬прод РФ, 2000 г. и руководство по конвертации дизеля RABA-MAN-D2156 для автобусов «Икарус» в газовый двигатель с искровым зажиганием, ВРД 39-1.20¬068-2002, ОАО «Газпром».

Список литературы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. Разработаны технологии внутрихозяйственного производства биоди-зельного топлива из семян рапса, предусматривающие поэтапное оснащение сельскохозяйственных предприятий первоочередным и полным комплектами оборудования как зарубежного (например, Германия), так и отечественного (ЗАО «Белогорье») производства. Предлагаемая технология «холодного» отжи¬ма РМ обеспечивает улучшение химмотологических свойств биодизельного то¬плива из РМ и снижение себестоимости продукции у сельхозтоваропроизводи¬теля.
2. Разработаны рекомендации по обеспечению частичной энергоавто-номности сельскохозяйственного предприятия при внутрихозяйственном произ-водстве и комплексном использовании рапса. Апробация рекомендаций, реали-зованная в пилотном объекте - ООО «Жито» (Рязанская обл.), подтвердила воз-можность обеспечения энергоавтономности сельхозтоваропроизводителя по ДТ на уровне не менее 70% при работе на чистом РМ в теплое время года и при ис-пользовании 25% добавки рапсового РМ в ДТ при температурах ниже 0° С. '
Использование биометана в качестве топлива в газобаллонных тракторах и автомобилях, РМ и твердого биотоплива в стационарных энергоустановках позволит реализовать полную энергоавтономность сельскохозяйственного пред¬приятия.
3.1. Теоретически обоснована возможность использования чистого РМ и его смесей с ДТ в качестве топлива в автотракторных дизелях. По результатам расчетно-теоретических исследований гидравлических процессов топливопода¬чи РМ и СТРМ в топливных системах тракторов МТЗ-82 и ДТ-75 определены:
-коэффициент сжимаемости и скорость распространения волны давления биотоплива из РМ;
- необходимый диаметр штуцера топливозаборника и трубопровода, его допустимая длина в топливной системе низкого давления тракторов МТЗ-82 и ДТ-75;
- обоснована необходимость снижения вязкости биотоплива из РМ до уровня вязкости ДТ путем подогрева биотоплива;
- экспериментально определена зависимость эффективного проходного сечения распылителя от подъема иглы форсунки;
- сравнением полученных зависимостей впрыскивания для ДТ и РМ по-казано отсутствие в характеристиках топливоподачи показателей, препятствую¬щих использованию РМ в топливной системе дизеля.
3.2. Разработана конструкторская документация, изготовлены образцы, проведены испытания комплектов адаптации топливных систем тракторов к ра¬боте на РМ и его смесях с ДТ, выданы рекомендации: по увеличению (на 25¬30%) суммарного эффективного проходного сечения распылителей форсунок; увеличению проходных сечений штуцеров и диаметров трубопроводов от топ¬ливного бака для РМ до подогревателя (до 10 мм у МТЗ-82 и 14 мм у ДТ-75); ус¬тановке теплообменника для подогрева РМ с подводом теплоносителя из систе¬мы охлаждения двигателя.
4. Для использования компримированного (КПГ) и сжиженного (СПГ) природного газа в мобильной сельскохозяйственной энергетике разработаны:
- технология и техническая документация переоборудования тракторов К-701, Т-150К, МТЗ-82, ДТ-75, ЮМЗ-6, ЛТЗ-55 для работы на КПГ по газоди¬зельному режиму;
- технология переоборудования тракторов К-701, МТЗ-80/82 и автомоби¬ля ЗИЛ-5301 для работы на сжиженном (криогенном) природном газе (СПГ);
- технология конвертации в газоискровые двигатели дизелей трактора МТЗ-82, автомобилей ЗИЛ-5301, КамАЗ-740.10, КамАЗ-740.15-260;
4.1. Экспериментальными исследованиями по использованию КПГ в га-зодизельном режиме установлено:
- при механической системе регулирования подачей газа с приводом до-затора газа от регулятора ТНВД обеспечивается одинаковая максимальная мощ-
/
ность при работе в газодизельном (203 кВт) и дизельном (202 кВт) режимах;
- у газодизеля с механической системой регулирования подачей газа за¬пас крутящего момента (9,7%) ниже дизеля (22,9%);
- электронная система управления подачей газа СЭРГ-500 обеспечивает оптимизацию подачи газа и формирует регуляторную характеристику газодизе¬ля идентичную дизельной.
По результатам приемочных испытаний на МИС тракторов, работающих на газомоторном топливе, установлено:
- увеличение общей массы тракторов при установке баллонов для КПГ не привело к существенному росту плотности почвы и снижению коэффициента крошения пласта по колее трактора. Незначительные негативные эффекты уст-раняются при комплектации трактора шинами большего размера;
- тракторы, работающие на КПГ и СПГ, пригодны для использования в сельском хозяйстве.
4.2. Стендовыми исследованиями конвертированного газового двигателя КамАЗ установлено, что газовый двигатель при допустимой максимальной тем-пературе отработавших газов имеет мощность одинаковую с базовым дизелем без наддува, максимальное значение эффективного КПД достигает 36%.
4.3. Разработана технология конвертации дизеля Д-243 в газоискровой двигатель, реализованная в опытных образцах тракторов МТЗ-82 и автомобилей ЗИЛ-5301 («Бычок»). Стендовые испытания показали возможность получения номинальной мощности газоискрового двигателя (58,8 кВт) одинаковой с мощ¬ностью дизеля (58,2 кВт), при этом обеспечивается запас крутящего момента (19%), превосходящий норматив для тракторного двигателя (15%). При исполь¬зования доработанного пневматического дозатора газа за счет работы на сте¬хиометрической смеси с коэффициентом избытка воздуха 0,9-1,02, с нейтрали¬затором обеспечивается снижение выбросов NOx, СО и СН ниже норм Евро-2. Без нейтрализатора выбросы СО и NMCH соответствуют требованиям норм Ев¬ро-2, но содержание NOx (19,7 г/ кВт-ч) выше нормы Евро-0 (15,0 г/кВт-ч) и удовлетворяет требованиям ГОСТ 17.2.02.06-99.
4.4 . Разработаны технология и технические средства, изготовлены опыт¬ные образцы газодизельных тракторов К-701 и МТЗ-82 с бортовыми топливны¬ми системами для сжиженного (криогенного) природного газа (СПГ), обеспечи¬вающими:
- уменьшение габаритных объём баков для СПГ по сравнению с секция¬ми баллонов для КПГ в 2,8-3,5 раза и, соответственно, на такую же величину увеличение объёма одноразовой заправки газом;
- уменьшение массы заправочных емкостей СПГ по сравнению с балло-нами КПГ в 2-5 раз;
- использование в бортовом теплообменнике газификации СПГ в качест¬ве теплоносителя охлаждающей жидкости системы охлаждения дизеля.
Отмеченные преимущества криогенной бортовой топливной системы подтверждены результатами приемочных испытаний трактора К-701 с бортовой газотопливной системой СПГ в Поволжской МИС.
5. Экспериментальными исследованиями по определению энергетиче¬ских, топливно-экономических и экологических показателей автотракторных дизелей с объемным (Д-440) и объемно-пристеночным способами смесеобразо¬вания (Д-243) при работе на РМ и его смесях с ДТ установлено:
- мощность дизелей, оборудованных комплектом адаптации, при работе на РМ, смесях его с ДТ и на чистом ДТ практически одинакова: при тормозных испытаниях в Северо-кавказской МИС трактора MT3-80JI получена максималь¬ная мощность 57,5 и 57,9 кВт соответственно при работе на ДТ и смеси его с 75% РМ;
- удельный массовый расход топлива (г/кВт-ч) при работе дизелей Д-243 и Д-440 на РМ и его смеси с ДТ возрастает пропорционально снижению удель¬ной теплоты сгорания РМ по сравнению с ДТ (на 9%). При загрузке дизеля по мощности более 40% значения эффективного КПД и удельного расхода топлива в единицах подведенной с топливом энергии (МДж/кВт-ч) для смеси РМ с ДТ и чистого ДТ имеют близкие значения. Это подтверждает отсутствие существен¬ного ухудшения параметров рабочего процесса дизеля при работе на РМ.
5.1. По результатам исследований рабочего процесса дизеля Д-243 при работе на СТРМ по сравнению с работой на ДТ среднее индикаторное давление, максимальное давление газов в цилиндре, максимальная температура сгорания в цилиндре на режимах номинальной мощности и максимального момента изме¬няются незначительно (в пределах 1,5-4,6%). При работе на РМ и СТРМ отме¬чено более раннее начало процесса сгорания и более позднее его окончание за счет смещения максимумов давления, температуры и скорости нарастания дав¬ления на 2-3 град, п.к.в. в сторону начала сгорания и перемещением точки выго¬рания 90% топлива на 4-5 град, п.к.в. в сторону окончания сгорания;
- определение экологических показателей дизелей свидетельствует о снижении токсичных выбросов при работе на РМ по сравнению с работой на ДТ. У дизеля Д-440 получено снижение монооксида углерода (СО) на 50-59%, углеводородов (СН) на 46-50%, окислов азота (NOx) на 29%, у Д-243 NOx по-вышаются на 12%.при работе на смеси с 50% РМ;
- при работе на РМ и его смесях с ДТ на распылителях форсунок образу-ется рыхлый маслянистый нагар, не влияющий на параметры распыла топлива и мощность двигателя, который удаляется при кратковременной работе под на¬грузкой па дизельном топливе. У дизеля Д-240 при работе на РМ и смесевом то¬пливе отмечено увеличение эффективного проходного сечения отверстий рас¬пылителей (iF на 0,75-3,2 %, а при работе на ДТ происходит коксование отвер¬стий распылителей с уменьшением jiF на 0,6-1,7 %. У дизеля Д-440 после рабо¬ты на рапсовом масле отмечено незначительное уменьшение проходного сече¬ния отверстий распылителей (на 0,2 %), при этом сохраняется туманообразный распыл топлива без сплошных струек и местных сгущений. Рабочие характери¬стики форсунок находятся в пределах допустимых значений по ГОСТ 10579-88;
- после работы двигателя Д-440 на рапсовом масле детали цилиндро-поршневой группы, тарелки клапанов, огневая часть головки цилиндров и поршней не имели нагара, поршневые кольца свободно перемещались в канав¬ках. В целом в соответствии с ГОСТ 21490-76 суммарная загрязненность порш¬ня нагаро- и лакоотложениями и подвижность поршневых колец оценена в 18 баллов, работа на рапсовом масле не приводит к увеличению загрязнения мас¬ляного фильтра.
6. Принятая «Целевая комплексная программа развития газозаправочной сети и парка техники, работающей на природном газе», льготная цена КПГ, его экологические преимущества и имеющиеся в России ресурсы, в значительной степени превосходящие ресурсы нефти, дают основания уверенно прогнозиро¬вать расширение использования этого энергоресурса в ближайшей перспективе.
По результатам приемочных испытаний производительность машинно-тракторного агрегата с газодизельными тракторами К-701 и Т-150К за час ос¬новного и технологического времени практически одинакова с дизельным вари¬антом. Экономия в затратах на топливо увеличивается, а коэффициент замеще¬ния дизельного топлива существенно растет при увеличении коэффициента за¬грузки двигателя (К3). При росте К3 с 66 до 94% у газодизельного трактора К-701 затраты на топливо снижаются на 66%, (увеличение К3 на 1% приводит к сниже¬нию затрат на топливо на 2,3%).
7. Наиболее эффективно переоборудование на природный газ самого мощного трактора К-701 за счет максимальной годовой экономии дизельного топлива. Повышение стоимости ГБО для данного трактора с 2003г по 2007г привело к увеличению единовременных затрат на переоборудование в 3,5 раза и росту срока окупаемости с 6 до 9 месяцев. Однако за счет увеличения в 2,5 раза разницы цен на ДТ и КПГ чистый дисконтированный доход от переоборудова¬ния на КПГ вырос в 2,4 раза.
7.1. Величина запальной дозы у газодизелей существенно влияет на ком-мерческую эффективность переоборудования тракторов, при снижении запаль¬ной дозы на 5% чистый дисконтированный доход возрастает на 10%.
7.2. Переоборудование дизельного трактора МТЗ-80/82 для работы на компримированном природном газе проводилось при переводе в газодизельный режим и конвертации дизеля в монотопливный газоискровой двигатель, что по¬зволило выполнить сравнительную оценку.
У газодизеля при увеличении К3 с 50 до 0,75% за счет снижения доли за-пальной дозы ДТ в суммарном расходе топлива чистый дисконтированный до¬ход (ЧДД) возрастает на 44% (рост Кз на 1,0% приводит к увеличению ЧДД на 1,76%). У газоискрового двигателя ввиду отсутствия запальной дозы при увели¬чении К3 ЧДД растет в меньшей степени (при росте К3 на 1,0% ЧДД возрастает на 0,8%).
Однако, в целом конвертация дизеля в газоискровой двигатель более эф-фективна по сравнению с переоборудованием на газодизельный режим. При ко-эффициенте загрузки двигателя 75% и 50% ЧДД у газоискрового двигателя вы¬ше, соответственно, на 37% и 65% по сравнению с газодизельным вариантом, т.е. у машин с низкой загрузкой двигателя по мощности преимущества конвер¬тации в газоискровой вариант возрастают.
7.3. Выполненные расчеты по оценке коммерческой эффективности про-изводства и использования биодизельного топлива из РМ показали:
- при производстве РМ «холодного» отжима на оборудовании с произво-дительностью по маслу 320 т/год при цене маслосемян 5 руб./кг и реализации жмыха на сторону по цене 8 руб./кг себестоимость рапсового масла составляет 6,71 руб./кг, годовой чистый дисконтированный доход (ЧДД) достигает 3,7 млн. руб., срок окупаемости капвложений на приобретение оборудования менее 1 года.
- использование оборудования с годовой производительностью 5 тыс. т по маслу, продаже жмыха на сторону по 8 руб./кг при цене маслосемян 5 руб./кг цена рапсового масла равна 1,35 руб./кг (в 13 раз ниже цены дизтоплива);
- себестоимость МЭРМ минимальна при крупнотоннажном производст¬ве: у завода производительностью 90 тыс.т. в год при использовании маслосемян по рыночной цене 2007г (8-10 руб./кг) себестоимость МЭРМ находится в диапа¬зоне 24-30 руб./кг, при рыночной цене маслосемян в 5-6 руб./кг (2008г) себе¬стоимость МЭРМ составляет 14,5-17 руб./кг.