Бесплатное скачивание авторефератов |
СКИДКА НА ДОСТАВКУ РАБОТ! |
Авторские отчисления 70% |
Снижение цен на доставку работ 2002-2008 годов |
Акция - новый год вместе! |
Каталог / ТЕХНІЧНІ НАУКИ / Експлуатація та ремонт засобів транспорту
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
На правах рукопису
УДК 629.3.07:631.372
ПОКРАЩЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ПОКАЗНИКІВ КОЛІСНОГО ТРАКТОРА З ПЕРЕОБЛАДНАНИМ З ДИЗЕЛЯ ГАЗОВИМ ДВИГУНОМ
спеціальність: 05.22.20 — “Експлуатація та ремонт засобів транспорту”
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата
технічних наук
Науковий керівник
Матейчик Василь Петрович,
доктор технічних наук, професор,
завідувач кафедри “Екологія та
безпека життєдіяльності”
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ………………………………..……………...6
ВСТУП……………………………………………………………………..…………7
РОЗДІЛ 1. в якості моторного палива для автотракторних дизелів…………………………………………….……..12
ктуальність використання стиснутого природного газу в якості палива для автотракторної техніки………………………………………..……….12
1.2. Аналіз способів переобладнання дизелів для роботи на стиснутому природному газі……………………………………………………………21
1.3. Режими роботи двигунів колісних тракторів в умовах експлуатації…….35
1.4. Аналіз впливу різних параметрів на показники конвертованих газових двигунів та транспортних засобів…………………………………………..39
РОЗДІЛ 2. РОЗРОБКА МЕТОДИКИ ОЦІНЮВАННЯ ПАЛИВНОЇ ЕКОНОМІЧНОСТІ ТА ЕКОЛОГІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ КОЛІСНОГО ТРАКТОРА З ПЕРЕОБЛАДНАНИМ З ДИЗЕЛЯ ГАЗОВИМ ДВИГУНОМ В ТРАНСПОРТНОМУ ПРОЦЕСІ……………………………………………………..8
2.1. Загальна структура методики дослідження……………………………………..48
2.2. Обґрунтування вибору їздового циклу для оцінки паливної економічності та екологічних показників колісного трактора з газовим двигуном……………51
2.3. Особливості математичної моделі для дослідження показників колісного трактора з газовим двигуном в експлуатаційних умовах………………………..57
2.3.1. Уточнена математична модель руху колісного трактора за прийнятим їздовим циклом……………………………………………………………………..57
2.3.2. Структурна схема системи керування трансмісією та газовим двигуном колісного трактора………………………………………………………………….59
2.3.3. Вхідні і вихідні параметри моделі………………………………………….62
2.3.4. Основні рівняння математичної моделі……………………………………63
2.3.5. Математичні моделі газового двигуна як споживача газу, повітря та джерела викидів шкідливих речовин……………………………………...………72
2.4. Перевірка адекватності поліноміальних моделей, що описують газовий двигун як споживач палива та повітря і джерело шкідливих викидів………….76
2.5. Перевірка адекватності математичної моделі руху колісного трактора у прийнятому їздовому циклі………………………………………………...……...79
2.6. Структура програми для розрахунку показників колісного трактора в їздовому циклі………………………………………………………………………82
2.7. Алгоритм визначення доцільного способу керування параметрами трансмісії та газового двигуна колісного трактора………………………………86
РОЗДІЛ 3. МЕТОДИКА ТА РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ……………………………………………………………………...91
3.1. Мета і програма експериментальних досліджень………………………...…91
3.2. Об’єкти експериментальних досліджень………………………………….…92
3.3. Установки, прилади та обладнання для експериментальних досліджень……………………………………………………………………….100
3.4. Методика проведення експериментальних досліджень…………………...109
3.4.1. Методика проведення стендових досліджень……………………….…...109
3.4.2. Методика проведення дорожніх випробувань………………………........111
3.5. Результати експериментальних досліджень……………………………..…112
РОЗДІЛ 4. ДОСЛІДЖЕННЯ НА МАТЕМАТИЧНІЙ МОДЕЛІ ВПЛИВУ ПАРАМЕТРІВ КЕРУВАННЯ ТРАНСМІСІЄЮ ТА ГАЗОВИМ ДВИГУНОМ НА ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ПОКАЗНИКИ КОЛІСНОГО ТРАКТОРА…………..…..122
4.1. Вибір доцільного способу керування трансмісією та газовим двигуном колісного трактора МТЗ-80…………………………………………………..…..122
4.1.1. Вибір доцільного порядку переключення передач………………….…...122
4.1.2. Вибір доцільних параметрів керування газовим двигуном колісного трактора………………………………………………………………………..…..124
4.2. Визначення доцільної швидкості усталеного руху при різних коефіцієнтах опору кочення……………………………………………………………..………130
4.3. Рекомендації щодо переобладнання дизелів колісних тракторів у газові двигуни з іскровим запалюванням………………………………….……………134
4.4. Обґрунтування економічної та екологічної ефективності переобладнання колісного трактора для роботи на ПГ…………………………………………....136
4.4.1. Методика розрахунку економічного ефекту від переобладнання колісного трактора для роботи на ПГ…………………………………………………….…136
4.4.2. Розрахунок витрат на переобладнання колісного трактора………….….138
4.4.2.1. Розрахунок заробітної плати виконавців переобладнання колісного трактора……………………………………………………………………………140
4.4.2.2. Вартість привода переривача-розподільника………………………..…140
4.4.3. Розрахунок економічного те екологічного ефекту……………………….142
4.4.3.1. Розрахунок собівартості транспортної роботи колісного трактора з різними двигунами………………………………………………………………..142
4.4.3.2 Розрахунок екологічного податку за забруднення атмосфери ШР відпрацьованих газів трактора МТЗ-80 з різними двигунами………………....146
4.4.3.3 Розрахунок економічного ефекту від переобладнання колісного трактора для роботи на ПГ……………………………………………………………...…..147
ВИСНОВКИ………………………………………………………………….……151
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ………………………………..……….153
ДОДАТОК А………………………………………………………………………167
ДОДАТОК Б…………………………………………………………………...…..170
ДОДАТОК В………………………………………………………………………186
ДОДАТОК Г…………………………………………………………………….…189
ДОДАТОК Д………………………………………………………………………197
ДОДАТОК Е………………………………………………………………………198
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ
ДВЗ - двигун внутрішнього згоряння;
CПГ - стиснутий природний газ;
ЗПГ – зріджений природний газ;
ДП – дизельне паливо;
ВГ - відпрацьовані гази;
ШР – шкідливі речовини;
ГПЗ – газоповітряний змішувач;
ПК - персональний комп’ютер;
- коефіцієнт надлишку повітря;
Θз – кут випередження запалювання;
СО – оксиди вуглецю;
СnНm – вуглеводні;
NOx – оксиди азоту.
ВСТУП
Актуальність теми. Загальновідомо, що сільськогосподарська техніка обладнана дизелями, які мають хорошу паливну економічність, є невибагливими в експлуатації та обслуговуванні. Однак зростання вимог до екологічних показників транспортних машин, в тому числі сільськогосподарського призначення, потребує удосконалення їх конструкції, яке забезпечить суттєве зменшення викидів шкідливих речовин (ШР) з відпрацьованими газами (ВГ).
Як показали попередні наукові дослідження, одним із ефективних способів поліпшення екологічних показників колісних тракторів з дизелями є їх переобладнання для роботи на стиснутому природному газі (СПГ), в тому числі з можливістю роботи на біометані, який є продуктом самого сільськогосподарського виробництва.
Близько половини обсягу всіх виконуваних колісними тракторами робіт складають транспортні роботи, під час виконання яких двигуни працюють на неусталених режимах, а витрата палива та шкідливі викиди суттєво залежать від параметрів керування трансмісією та двигуном.
Тому дослідження впливу параметрів керування трансмісією колісного трактора та переобладнаним з дизеля газовим двигуном на показники трактора під час руху в експлуатаційних режимах є актуальною науково-технічною задачею, яка вирішується в даній дисертаційній роботі.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності до плану науково-дослідних робіт Луцького національного технічного університету 2007 – 2012 років, а також згідно із держбюджетною НДР «Вдосконалення технології переобладнання дизелів у газові двигуни з іскровим запалюванням», № держреєстрації 0108U001090, під час виконання якої здобувач був виконавцем окремих розділів.
Мета і задачі дослідження.
Метою роботи є покращення паливної економічності та зменшення шкідливих викидів колісного трактора з переобладнаним з дизеля газовим двигуном під час виконання ним транспортної роботи шляхом вибору доцільних значень параметрів керування трансмісією та двигуном.
Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються такі задачі:
1. Розробка методики оцінювання паливної економічності та екологічних показників колісного трактора з переобладнаним з дизеля газовим двигуном в експлуатаційних умовах.
2. Уточнення математичної моделі руху колісного трактора за їздовим циклом, яка дозволяє визначати вплив параметрів керування трансмісією та двигуном на витрату палива і викиди ШР трактора в експлуатаційних умовах.
3. Проведення експериментальних стендових досліджень газового двигуна для отримання необхідних даних для математичної моделі та визначення доцільних параметрів керування двигуном.
4. Проведення експериментальних досліджень колісного трактора з газовим двигуном з заміром показників роботи двигуна і тягово-швидкісних властивостей трактора. Перевірка адекватності математичної моделі руху колісного трактора з газовим двигуном.
5. Визначення доцільних значень параметрів керування трансмісією та газовим двигуном колісного трактора в транспортному процесі за критеріями мінімальних питомих витрат палива та шкідливих викидів.
Об’єкт дослідження - паливна економічність та екологічні показники колісного трактора з переобладнаним з дизеля газовим двигуном в транспортному процесі.
Предмет дослідження - вплив на паливну економічність та екологічні показники колісного трактора в транспортному процесі та визначення їх доцільних значень за критеріями мінімальних питомих витрат палива та шкідливих викидів.
Методи дослідження передбачали математичне моделювання руху колісного трактора з газовим двигуном, багатоваріантні розрахунки на персональному комп’ютері (ПК) економічних та екологічних показників колісного трактора в їздовому циклі в залежності від параметрів керування трансмісією та газовим двигуном. Перевірка адекватності математичної моделі здійснювалась експериментальним методом.
Наукова новизна одержаних результатів.
З використанням розробленої методики оцінювання паливної економічності та екологічних показників колісного трактора з газовим двигуном, в основі якої лежить уточнена математична модель руху трактора в їздовому циклі, встановлено закономірності зміни витрати палива та шкідливих викидів в залежності від параметрів керування трансмісією та двигуном в характерних режимах транспортного процесу.
Вибрано та обґрунтовано доцільні значення параметрів керування трансмісією та газовим двигуном під час розгону колісного трактора та швидкостей усталеного руху в експлуатаційних умовах за критеріями мінімальних питомих витрати палива та шкідливих викидів.
Практичне значення одержаних результатів складають:
- уточнена математична модель руху колісного трактора з газовим двигуном в їздовому циклі, що імітує транспортний процес, і яка дозволяє досліджувати вплив параметрів керування трансмісією та газовим двигуном на економічні та екологічні показники;
- спосіб переобладнання дизеля колісного трактора в газовий двигун з іскровим запалюванням та конструкція такого двигуна. Конструктивні особливості колісного трактора з переобладнаним з дизеля газовим двигуном;
- доцільні значення параметрів керування трансмісією та газовим двигуном колісного трактора МТЗ-80 в режимах розгону, чим забезпечуються мінімальні витрати палива та шкідливі викиди;
Результати дисертаційного дослідження прийняті до використання лабораторією механізації сільськогосподарського виробництва Волинського інституту агропромислового виробництва для підготовки та проведення випробувань тракторів з переобладнаними з дизелів газовими двигунами, а також використовуються у навчальному процесі Луцького НТУ при підготовці фахівців за напрямами «Автомобільний транспорт» та «Машинобудування».
Особистий внесок здобувача.
Всі основні результати, подані до захисту, отримані здобувачем самостійно та опубліковані у 15 наукових працях. Роботи [85, 97] виконано одноосібно. У роботах, виконаних у співавторстві, здобувачу належить: дослідження особливостей використання СПГ у двигунах, переобладнаних з дизелів [55, 56]; уточнення математичної моделі руху трактора в їздовому циклі, що дозволяє досліджувати вплив параметрів керування трансмісією та газовим двигуном на витрату палива та викиди шкідливих речовин в транспортному процесі [65]; проведення перевірки адекватності математичної моделі руху колісного трактора в транспортному процесі [95]; проведення експериментальних досліджень переобладнаного з дизеля Д-240 газового двигуна [100, 101, 103], cпосіб переобладнання дизеля колісного трактора в газовий двигун з іскровим запалюванням та конструкція двигуна, конструктивні особливості колісного трактора з переобладнаним з дизеля газовим двигуном [98, 99, 102, 111]; проведення експериментальних досліджень колісного трактора з переобладнаним з дизеля газовим двигуном [104, 106].
Апробація результатів дисертації.
Основні положення та висновки роботи були предметом обговорення на:
- XIII міжнародній науково-технічній конференції “Автомобільний транспорт: проблеми і перспективи” (м. Севастополь, 2010 р.);
- Міжнародній науково-технічній конференції «Науково-прикладні аспекти автомобільної галузі» (м. Луцьк, 2010 р.);
- ІІІ міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні технології та перспективи розвитку автомобільного транспорту» (м. Житомир, 2010 р.);
- ІІ Міжнародній науково-технічній конференції «Науково-прикладні аспекти автомобільної і транспортно-дорожньої галузей» (м. Луцьк, 2012 р.);
- наукових конференціях Луцького національного технічного університету (2008 –2013 р.).
Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано у одинадцяти роботах, дев’ять з яких – у фахових виданнях, одна – у матеріалах конференції та у чотирьох патентах України на корисні моделі.
Висновки до розділу 4
1. Реальні умови експлуатації колісного трактора при виконанні розрахунково-теоретичних досліджень описувались прийнятим їздовим циклом, який включає роботу двигуна на малих обертах холостого ходу, розгін колісного трактора з переключенням передач, рух з постійною швидкістю та сповільнення.
2. Досліджено на математичній моделі вплив параметрів керування трансмісією та газовим двигуном на паливну економічність та екологічні показники колісного трактора в експлуатаційних умовах. Визначено доцільний порядок переключення передач під час розгону колісного трактора з газовим двигуном, в залежності від величини коефіцієнта дорожнього опору. Показано, що з використанням рекомендацій щодо доцільного порядку переключення передач можна досягнути зниження витрати газу на 3,9…9,8 %.
3. Визначено доцільні значення параметрів керування газовим двигуном під час розгону колісного трактора. Показано що, для досягнення мінімальних питомих викидів шкідливих речовин рекомендується забезпечувати максимальну частоту обертання двигуна, при якій відбувається переключення передач, в діапазоні 1400…1500 хв-1, величину відкриття дросельних заслінок в діапазоні 50…60 % при швидкості відкриття дросельних заслінок, яка не перевищує 75%/с.
4. Встановлено доцільні швидкості усталеного руху в їздовому циклі в залежності від величини коефіцієнта дорожнього опору. Зокрема показано, що досягнути мінімальних питомих витрат палива та мінімальних сумарних викидів шкідливих речовин на дорозі з сухим асфальтобетонним покриттям можна, реалізуючи їздовий цикл під час руху з усталеною швидкістю 20…23 км/год, а на сухій ґрунтовій дорозі – їздовий цикл з усталеною швидкістю 11…13 км/год.
5. Економічний ефект від експлуатації колісного трактора з газовим двигуном на транспортних роботах становить 5048,2 грн за рік. Витрати на переобладнання колісного трактора окупляться за 1,37 року. Податок за забруднення атмосфери зменшиться на 17,1 %.
ВИСНОВКИ
1. Одним із способів покращення екологічних показників колісних тракторів є переобладнання їх для роботи на стиснутому природному газі. При цьому зменшення витрати палива та шкідливих викидів такої техніки у транспортному процесі можна досягти раціональним вибором параметрів керування трансмісією та газовим двигуном.
2. Розроблено методику оцінювання паливної економічності та екологічних показників колісних тракторів, яка дозволила встановити закономірності зміни витрати палива та шкідливих викидів в залежності від параметрів керування трансмісією та газовим двигуном у характерних режимах транспортного процесу та визначити їх доцільні значення.
3. Уточнено математичну модель руху колісного трактора у їздовому циклі, який імітує транспортний процес, шляхом описання газового двигуна як споживача палива та джерела шкідливих викидів за допомогою поліноміальних моделей, адекватність яких перевірена за критерієм Фішера, та особливостей руху трактора в окремих режимах їздового циклу. Проведено перевірку адекватності математичної моделі руху трактора шляхом порівняння розрахункових та експериментальних значень основних експлуатаційних показників у прийнятому їздовому циклі, зокрема, різниця по витраті палива не перевищує 6,1 %, по часу виконання циклу – 2,7 %.
4. Переобладнано дизель Д-240 для роботи на стиснутому природному газі з виконанням технічних рішень, які захищені чотирма патентами України на корисні моделі. Показано, що за умови вибору ступеня стискання, який забезпечує ефективну потужність близьку до потужності базового дизеля, в режимах циклу за правилами R 49 ЄЕК ООН, які відображають реальні експлуатаційні умови роботи транспортних засобів досягається зменшення сумарних шкідливих викидів у 1,96 рази при збільшенні еквівалентної питомої ефективної витрати палива на 18,7 %. Дорожні випробування підтвердили роботоздатність колісного трактора з газовим двигуном в експлуатаційних умовах.
5. З використанням математичної моделі визначено доцільний порядок переключення передач під час розгону колісного трактора з газовим двигуном. Показано, що з використанням рекомендацій щодо доцільного порядку переключення передач можна досягнути зниження витрати палива на 3,9…9,8%.
6. Визначено доцільні значення параметрів керування газовим двигуном при розгоні колісного трактора. Встановлено, що для досягнення мінімальних питомих викидів шкідливих речовин рекомендується забезпечувати максимальну частоту обертання двигуна, за якої відбувається переключення передач, в діапазоні 1400…1500 хв-1, величину відкриття дросельних заслінок в діапазоні 50…60 % при швидкості відкриття дросельних заслінок, яка не перевищує 75 %/с.
7. Встановлено доцільні швидкості усталеного руху колісного трактора з газовим двигуном в їздовому циклі в залежності від коефіцієнта дорожнього опору. Зокрема, показано, що досягнути мінімальної питомої витрати палива та мінімальних сумарних викидів шкідливих речовин на дорозі з сухим асфальтобетонним покриттям можливо, реалізуючи їздовий цикл з постійною швидкістю 20…24 км/год, а на сухій ґрунтовій дорозі – з постійною швидкістю 10…13 км/год.
8. Результати роботи прийняті до використання лабораторією механізації сільськогосподарського виробництва Волинського інституту агропромислового виробництва та використовуються у навчальному процесі ЛНТУ під час підготовки фахівців за напрямами «Автомобільний транспорт» та «Машинобудування». Визначено, що економічний ефект від експлуатації колісного трактора з газовим двигуном на транспортних роботах становить 5048,2 грн за рік, а термін окупності витрат на переобладнання – 1,37 року.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
С. 12.
В.Н. Луканин, А.С. Хачиян. – М.: МАДИ (ТУ), 2000. – 331 с.
V.K. Duggal // NGV’94 International Conference. Toronto, Ontario, Canada.