Improvement of the process of agricultural machinery fueling with gaseous fuel

Full Text

Введение Истощение нефтяных месторождений и ухудшение экологической обстановки требуют поиска альтернативных источников энергии. В качестве альтернативных топлив для двигателей внутреннего сгорания рассматриваются как жидкие (синтетические топлива, биодизель, биоэтанол, смесевые биотоплива), так и газообразные топлива (природный газ, пропан-бутановые смеси, водород, диметиловый эфир) [1]. Природный газ - наиболее известное и исследованное газомоторное топливо. Уникальные физико-химические свойства, значительные естественные запасы, развитая сеть доставки газа от месторождений во многие регионы страны по магистральным газопроводам и газоотводам, экологические преимущества в сравнении с традиционными видами топлива позволяют рассматривать природный газ как наиболее перспективное и универсальное моторное топливо России в XXI в. [1, 2]. Следует также отметить, что в соответствии с Постановлением Правительства РФ № 31 от 15 января 1993 г. стоимость 1 м3 природного газа для автомобилей не должна превышать 50% стоимости бензина А-76 (при примерно одинаковом энергосодержании этих количеств газового и жидкого топлива) [3]. Указанные факторы предопределяют все более широкое применение природного газа в качестве альтернативного топлива для автомобильного транспорта и различной с.-х. техники. Одна из основных причин, сдерживающих широкое использование природного газа как моторного топлива в нашей стране, - недостаточно развитая сеть автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС). По состоянию на ноябрь 2013 г. в России было всего 252 АГНКС (табл. 1) [3], что для такой обширной территории явно недостаточно. При этом на одну АГНКС приходилось 357 газобаллонных автомобилей (ГБА), тогда как в Германии этот показатель был равен 105. И хотя существующая сеть АГНКС в настоящее время загружена не полностью, малочисленность этой сети создает серьезные проблемы для широкого внедрения газомоторного топлива. Как отмечено в работе [3], в такой ситуации водителям приходится преодолевать по 30-40 км до ближайшей АГНКС. Таблица 1 Мировой рынок природного газа, используемого в качестве моторного топлива, по состоянию на ноябрь 2013 г. Страна Количество АГНКС, шт. Количество ГБА, шт. Количество ГБА, приходящееся на одну АГНКС, шт. Китай 5730 3 000 000 524 Пакистан 2997 2 790 000 931 Иран 2074 3 500 000 1688 Аргентина 1932 2 317 201 1199 Бразилия 1805 1 761 050 976 США 1438 250 000 174 Германия 915 96 349 105 Украина 324 388 000 1198 Россия 252 90 000 357 Всего в мире 25 348 19 631 166 774 Целесообразность использования газомоторного топлива в дизельных двигателях с.-х. машин обусловлена необходимостью снижения себестоимости с.-х. продукции, а также обострением экологических проблем. Значительную часть себестоимости продукции сельского хозяйства составляют расходы на энергоносители. Так, в ее производстве затраты на горюче-смазочные материалы достигают 50%. К тому же наибольшим спросом у потребителя пользуются экологически чистые продукты сельского хозяйства. В связи с этими обстоятельствами активно разрабатываются и внедряются технологии использования газообразного топлива в с.-х. машинах различного назначения. Наибольшее применение в с.-х. производстве нашли дизели, работающие на компримированном природном газе (КПГ), воспламенение которого осуществляется от запальной дозы нефтяного дизельного топлива [4-6]. Цель исследования Многочисленные аналитические исследования [4-8] показывают, что в ближайшей перспективе рынок газомоторного топлива будет успешно развиваться (рис. 1). Однако доля применения газомоторного топлива, в частности КПГ, в производстве с.-х. продукции очень мала. Как отмечено выше, это объясняется главным образом тем, что инфраструктура для бесперебойного снабжения с.-х. техники природным газом практически отсутствует, доставка газомоторного топлива к местам работы с.-х. машин затруднена. Цель исследования заключается в разработке и совершенствовании способа заправки транспортных средств и с.-х. техники для их бесперебойного снабжения газомоторным топливом. Материалы и методы Проведенный анализ показал, что важнейшая задача состоит в организации снабжения с.-х. техники газообразным топливом. В современных условиях доставка газообразного топлива осуществляется преимущественно двумя способами - самозаправкой, когда автомобиль или с.-х. техника самостоятельно преодолевают расстояние до сравнительно удаленных АГНКС, и при помощи передвижных автогазозаправщиков (ПАГЗов), выполненных на базе грузовых автомобилей. В справочной технической литературе имеются номограммы (рис. 2), позволяющие планировать организацию доставки традиционных жидких нефтяных топлив для нужд с.-х. производителей [9, 10]. Они достаточно просты в использовании и позволяют рассчитать требуемый объем доставки топлива с необходимой точностью. Но для оценки необходимого количества газомоторного топлива подобных номограмм не существует. В связи с этим на основе принципа построения номограммы, представленной на рис. 2, разработана методика планирования организации доставки газомоторного топлива на с.-х. предприятие. Результаты и их обсуждение Расчетное исследование процесса заправки целесообразно начать с оценки годового количества газомоторного топлива Vн, которое потребуется для выполнения планируемого объема работ. Для определения объема баллонов V, необходимого для транспортировки данного объема газа, использованы известные законы рассматриваемых физических процессов. Изохорный процесс, осуществляемый с данной массой газа при постоянном объеме баллонов V, зависит от температуры газомоторного топлива. На рис. 3 представлены характеристики этого процесса в температурном диапазоне от -10 до 20 оС (с шагом 10 оС). Для определения количества требуемых заправок ni необходимо общий объем баллонов V разделить на объем газа, вмещающийся в баллоны при одной заправке. Требуемое количество заправочных станций для автотранспорта и с.-х. техники определялось по базовой суточной пропускной способности АГНКС с использованием соотношения [11]: , (1) где Qr - годовой объем работ (расход дизельного топлива), т; l - расстояние до заправки, км; tпр - время простоя перед выполнением одной заправки, ч; m - количество поездок на заправку, выполняемых за день, m = 2; βп - коэффициент использования пробега, βп = 0,5; vт - средняя скорость транспортного средства при движении на заправку, км/ч; kн - коэффициент незавершенности перевозок, kн = 1,1; Tн - время, необходимое для доставки топлива, ч; nсм - число смен; q - объем груза, перевозимого за смену, т; βг - коэффициент использования грузоподъемности; kv - коэффициент использования скорости, kv =0,8. Эта формула справедлива для случая заправки автотранспорта нефтяным дизельным топливом. При определении параметров процесса заправки с.-х. техники газомоторным топливом учитывалось, что 1 кг дизельного топлива по теплотворной способности эквивалентен 1 м3 газообразного топлива. При переходе от грузового транспорта к с.-х. технике значение грузоподъемности автомобиля заменено на тяговое усилие, характерное для данного трактора. При этом коэффициент использования грузоподъемности преобразуется в коэффициент использования тягового усилия. С учетом формулы (1) и указанных преобразований время Tн, необходимое для заправки с.-х. техники газомоторным топливом (т.е. время движения транспортного средства к АГНКС и время заправки), может быть определено как: . (2) Анализируя выражение (2) и номограмму на рис. 3, построенную по этой зависимости, можно сделать вывод о том, что при определении эффективного времени, отводимого на заправку с.-х. техники, получаем предельное значение данного времени. Если фактическое время заправки с.-х. техники газообразным топливом, определенное хронометрированием, окажется больше эффективного времени по номограмме, то процесс заправки необходимо признать неэффективным. Повысить эффективность заправки можно путем увеличения объема топлива, заправляемого за одну поездку, а также увеличения количества смен. Разработана технология заправки с.-х. техники с помощью сменных кассетных модулей, при которой доставка газомоторного топлива, содержащегося в этих модулях, осуществляется специализированным транспортом. На рис. 4 представлен эскиз модуля, а на рис. 5 - схема расположения элементов крепления кассетного модуля на тракторе МТЗ-82.1. После установки на с.-х. технику сменные кассетные модули обеспечивают питание двигателя газообразным топливом. Технология апробирована на тракторе МТЗ-82.1, оснащенном оборудованием для работы тракторного дизеля типа Д-243 производства Минского моторного завода по газодизельному циклу. Данное оборудование представляет собой систему распределенной подачи газообразного топлива (рис. 6), разработанную совместно с ООО «ППП Дизельавтоматика» [12, 13]. Система снабжена уникальными газовоздушными смесителями, которые позволяют подавать газообразное топливо непосредственно под тарелку впускного клапана дизеля. Газовоздушные смесители выполнены в виде проставки между корпусом двигателя и впускным коллектором и совмещены с газовыми электромагнитными клапанами. Таблица 2 Результаты расчета времени, необходимого для заправки с.-х. техники газомоторным топливом Объем газообразного топлива на один трактор, м3/год Средняя скорость доставки топлива, км/ч 20 40 60 200 9,003 4,911 3,547 400 2,051 1,428 0,957 600 1,206 0,658 0,475 800 0,603 0,329 0,238 1000 0,402 0,219 0,158 1200 0,302 0,165 0,119 1400 0,241 0,132 0,095 1600 0,201 0,11 0,079 1800 0,172 0,094 0,068 2000 0,151 0,082 0,059 2200 0,134 0,073 0,053 2400 0,121 0,066 0,048 В табл. 2 и на рис. 3 представлены результаты расчета времени доставки газомоторного топлива, полученные путем подстановки в выражение (2) значений тягового усилия трактора МТЗ-82.1 q = 1,4 т, расстояния до АГНКС l = 17,7 км (на примере конкретного предприятия СПК им. Чапаева, на базе которого проводился эксперимент, см. рис. 7), числа смен nсм = 1, времени простоя перед выполнением одной заправки tпр = 0,1 ч (данное время взято из наблюдений при заправке серийной техники) и средней скорости передвижения до заправки грузового автомобиля ПАГЗа - 40 км/ч, легкового автомобиля - 60 км/ч, трактора - 20 км/ч. С использованием номограммы, приведенной на рис. 3, определено эффективное время, отводимое на заправку с.-х. техники газомоторным топливом в зависимости от годового объема работ, равного 800 м3 топлива. Для подтверждения теоретических расчетов проведены экспериментальные исследования, результаты которых представлены в табл. 3 на рис. 8. Таблица 3 Результаты экспериментальных исследований заправки трактора МТЗ-82.1 газомоторным топливом Параметры Самозаправка на АГНКС Заправка от ПАГЗа Заправка с использованием кассетных модулей Время работы трактора на одной заправке1, мин 236 236 236 Время на отсоединение трактора от с.-х. орудия2, мин 3 3 310 Переезд трактора (ПАГЗа) к месту заправки3, мин 50 5011 2012 Время подготовки кассетного модуля к заправке4, мин 0 0 313 Подготовительное время5, мин 2 214 315 Время заправки6, мин 6 6 6 Заключительное время7, мин 2 2 315 Переезд трактора к месту работы8, мин 50 10 2012 Время на соединение трактора с с.-х. орудием9, мин 4 4 4 Затрачено времени на заправку, мин/ч 117/1,95 90/1,5 62/1 Всего затрачено времени, мин/ч 353/5,9 326/5,4 298/4,9 Примечание: 1 - время работы трактора на одной заправке газообразным топливом; 2 - включает время на изъятие шкворня из сцепки и рассоединение гидравлических систем трактора и с.-х. орудия; 3 - учитывается время переезда трактора к АГНКС, ПАГЗу, переезд ПАГЗа к месту заправки и перевоз кассетного модуля к АГНКС; 4 - время на снятие кассетного модуля с трактора; 5 - время на выполнение работ (открытие заправочного устройства, ввод заправочной иглы и т.д.) по подготовке к заправке; 6 - фиксировалось время от нажатия оператором кнопки «заправка» до нажатия кнопки «остановить»; 7 - время на выполнение работ (закрытие заправочного устройства, удаление заправочной иглы, сброс газа на «свечу» и т.д.) по подготовке к завершению заправки; 8 - учитывается время переезда трактора от АГНКС, ПАГЗа к месту работы; 9 - включает время на установку шкворня и соединение гидравлических систем трактора и с.-х. орудия; 10 - при использовании передвижного манипулятора данный показатель может быть равен нулю, так как снятие кассетного модуля с трактора может производиться в поле без отсоединения от с.-х. орудия; 11 - учитывается время на переезд ПАГЗа к месту заправки плюс время на переезд трактора от места работы к месту заправки (так как ПАГЗы не приспособлены к передвижению по грунтовым дорогам); 12 - учитывается время на переезд трактора к месту выгрузки кассетного модуля плюс время на перевоз кассетного модуля к месту заправки; 13 - учитывается время выгрузки кассетного модуля; 14 - учитывается время на подготовку трактора к заправке плюс время на подготовку ПАГЗа к заправке; 15 - учитывается время обслуживания средства доставки кассетного модуля. Для подтверждения эффективности использования кассетных модулей при заправке с.-х. техники газообразным топливом необходимо провести анализ технико-экономических показателей этого способа заправки в сравнении с другими. Для определения затрат на доставку газообразного топлива использована формула: , где Сц - себестоимость затрат на доставку газообразного топлива, руб/м3; Зпер - затраты на перевозку топлива, руб.; Vгаз - объем перевозимого топлива, м3. Полученные расчетные данные представлены на рис. 9. Абсолютные экономические показатели по специализированной технике, единичным образцам комбинированной и универсальной техники на отдельных технологических операциях определены путем расчета на единицу наработки в соответствии с ГОСТ Р 53056-2008 «Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки». Для получения результатов экономической оценки тракторов, оснащенных газобаллонным оборудованием, а также их оценки в сравнении с базовыми моделями тракторов расчет проведен по абсолютным экономическим показателям при выполнении конкретных с.-х. операций. Результаты расчета годовой экономии совокупных затрат сведены в табл. 4. Таблица 4 Годовая экономия совокупных затрат денежных средств от эксплуатации новой техники Показатель Самозаправка Заправка ПАГЗом Заправка кассетных модулей Стоимость газообразного топлива, руб/м3 11,5 11,5 11,5 Стоимость доставки, руб/м3 16,62 0,04 0,03 Выводы 1. Предложен усовершенствованный способ заправки транспортных средств и с.-х. техники газообразным топливом, заключающийся в применении сменных кассетных модулей, в которых размещены баллоны с КПГ. 2. Проведенные исследования показали, что разработанная технология заправки с.-х. техники, основанная на применении сменных кассетных модулей, позволяет сократить время заправки трактора более чем на 30% по сравнению с традиционными видами заправки газообразным топливом. 3. Рассмотренные технические решения могут быть использованы при разработке концепции перспективных газовых двигателей, обладающих требуемыми экологическими, экономическими и мощностными показателями.

About the authors

V. A Markov

N.E. Bauman Moscow State Technical University

Email: vladimir.markov58@yandex.ru
DSc in Engineering Moscow, Russia

E. V Bebenin

Vavilov Saratov State Agrarian University

Email: bebenin@bk.ru
PhD in Engineering Saratov, Russia

S. A Zykov

Russian State Agrarian University - Moscow K.A. Timiryazev Agricultural Academy

Email: zykov.sa@yandex.ru
PhD in Engineering Moscow, Russia

References

Supplementary files