Методика улучшения эксплуатационных показателей автомобильных газодизелей повышением однородности и равномерности подачи газовоздушной смеси

Природный газ в мире занимает одну из ведущих позиций в качестве моторного топлива для автомобилей. Россия обладает 1/3 всех мировых запасов природного газа, что является важным фактором, побуждающим развивать его применение [76, 25]. Однако, количество ГБА в России ничтожно. К 2012 году оно составило 86 тыс. единиц — 0,2% от общей численности автопарка страны. Для сравнения: у лидера газомоторной отрасли, Пакистана, парк ГБА в 2012 г. достиг 2,85 млн. единиц, и в настоящий момент составляет 63,6% от общей численности автопарка, а в соседней Украине парк ГБА в 2012 г. достиг 390 тыс. единиц, и в настоящий момент составляет 5,1% от численности автопарка (табл. 1) [118].

В 2011 г. в России добыча природного газа увеличилась на 3,1% и достигла 670 млрд. куб. м газа. 23 марта 2012 г. в г. Кириши Ленинградской области премьер-министр РФ Владимир Путин провел совещание по развитию газовой отрасли. Он отметил «исключительную» перспективность использования газа в качестве моторного топлива и попросил соответствующие ведомства и транспортные компании обратить на это внимание, особо подчеркнув необходимость использования газового топлива на городском пассажирском транспорте [122].

Компания ExxonMobil [115] подготовила прогноз «Outlook for Energy: А View to 2030», согласно которому спрос на ПГ, нефть и другие углеводороды в целом вырастет на 33% к 2030 г. по сравнению с 2011 г. Основными точками роста при этом станут развивающиеся страны. Потребление энергоресурсов в этих государствах вырастет более чем в 1,7 раза. При этом доля ПГ будет расти быстрее, чем всех остальных источников энергии, ПГ заместит уголь, и станет к 2030 г. вторым мировым энергоисточником после нефти (в численном выражении доля ПГ к 2030 г. достигнет 27%). Потребление природного газа в Китае до 2030 г., по сравнению с 2011 г., должно вырасти примерно в шесть раз. Доля возобновляемых источников энергии, по мнению экспертов ExxonMobil, вырастет, но к 2030 г. займет в мировом масштабе долю всего порядка 2,5%.

Таблица 1.

Количество АГНКС и ГБА на ПГ некоторых стран мира.

Страна Кол-во ГБА, ед. 2010 г. Кол-во ГБА, ед. 2011 г. Кол-во ГБА, ед. 2012 г. Автопарк, ед. 2012 г. Доля ГБА в автопарке, % 2012 г. Кол-во АГНКС, ед. 2012 г.

Пакистан 2 300 000 2 740 000 2 850 500 4 481 799 63,60 3 285.

Аргентина 1 807 186 1 901 116 1 900 000 12 399 887 15,32 1 878.

Китай 450 000 650 000 1 000 000 140 108 779 0,71 1 350.

Италия 628 624 730 000 779 090 46 256 248 1,68 790.

Колумбия 300 000 340 000 348 747 4 912 963 7,10 614.

Украина 200 000 260 000 390 000 7 683 955 5,08 285.

Таиланд 162 023 218 459 300 581 24 598 388 1,22 426.

Россия 100 000 90 000 86 000 41 000 000 0,2 244.

В докладе отмечено, что одной из основных причин роста является то, что природного газа — более экологически чистое топливо.

Снижение токсичности ОГ — это основное преимущество применения природного газа на автомобильном транспорте [8, 26]. Удельные выбросы вредных веществ газовыми двигателями, разработанными на базе дизелей, ниже, чем в базовых дизелях, особенно по выбросам твердых частиц [91]. При чрезвычайно малом выбросе твердых частиц в газовых двигателях не требуется применения дорогих сажевых фильтров.

Снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами обеспечивается высокой антидетонационной стойкостью ПГ (октановое число природного газа составляет 105 ед. [12]). Это позволяет применять в газовых двигателях высокие степени сжатия — 8=11−14, что на 20 — 25% выше, чем у базовых моделей бензиновых двигателей. При этом межремонтный пробег газового двигателя в 1,5 раза выше, чем у бензинового, газовое топливо не смывает масляную пленку со стенок цилиндров и снижает угар моторного масла, исключается образование лаковых отложений, а также нагарообразования в двигателе и системе питания.

При применении природного газа в качестве моторного топлива в атмосферу не поступают высокомолекулярные СпНт, сера, бензол, олефины и альдегиды. Также существенно ниже удельные выбросы С02, чрезмерное присутствие которого в атмосфере нарушает тепловой баланс вследствие меньшего инфракрасного излучения в космос от поверхности земли, при том что 20,3% общих выбросов СОг приходится на автомобильный транспорт и 2% — на остальные виды транспорта [104, 24]. Удельные выбросы С02 при использовании природного газа ниже, чем при использовании жидких углеводородных топлив на 20−25% [46]. Этим, в значительной мере, определяется интерес многих стран к широкомасштабному переводу транспортных средств на питание природным газом.

Снижение эксплуатационных расходов автомобильного транспорта по статье «Топливо» обеспечено тем, что по распоряжению Правительства в России стоимость 1 Нм КПГ для транспортных средств не превышает 50% стоимости 1 л бензина АИ-80 [74].

Природный газ может применяться в дизелях путём перехода на газодизельный процесс — когда газовоздушная смесь в цилиндре воспламеняется от «запальной» дозы дизельного топлива. Преимущества газодизельного процесса заключаются в возможности быстрого перехода на работу с дизельного топлива на газ и обратно без существенных конструктивных изменений базового варианта дизеля.

Развитие газодизелей в России сдерживается рядом факторов: отсутствует инфраструктура для эксплуатации автомобильной техники, работающей на природном газе, у заводов-изготовителей нет конструкций газодизелей, соответствующих требованиям технических регламентов, мало научных исследований рабочего процесса газодизеля, нет работ по повышению качества смесеобразования.

Всё перечисленное дает основание считать исследования, направленные на разработку методики улучшения эксплуатационных показателей автомобильных газодизелей, актуальной научной задачей, имеющей важное практическое значение.

Цель работы — разработка методики улучшения эксплуатационных показателей автомобильных газодизелей повышением однородности и равномерности подачи газовоздушной смеси.

Научная новизна и основные результаты, выносимые на защиту:

— математическая модель процесса подачи однородной и равномерной газовоздушной смеси в газодизель с газовым аккумулятором;

— методика расчета газового аккумулятора системы подачи однородной и равномерной газовоздушной смеси в газодизель;

— теоретическое и экспериментальное обоснование необходимости установки газового аккумулятора для обеспечения однородности и равномерности подачи газовоздушной смеси в газодизель.

Разработанная методика улучшения эксплуатационных показателей автомобильных газодизелей позволяет снизить затраты в эксплуатации на дизельное топливо и уменьшить количество выбросов вредных веществ с отработавшими газами в окружающую среду. Разработанная математическая модель позволяет оптимизировать параметры системы подачи газовоздушной смеси газодизеля.

Разработанная программа перевода дизельного автотракторного парка агропромышленного комплекса Ленинградской области на природный газ (газодизельный процесс) позволяет снизить затраты в эксплуатации на дизельное топливо и уменьшить количество выбросов вредных веществ.

Разработан комплект эксплуатационной и конструкторской документации на систему подачи газовоздушной смеси в газодизель, который реализован:

1. при переоборудовании двух тракторов МТЗ-82 в условиях эксплуатации для использования природного газа в качестве топлива в ООО «Лентрансгаз»;

2. при переоборудовании одного трактора МТЗ-82 в Северо-Западной Государственной зональной машиноиспытательной станции в г. Волосово Ленинградской области (договор с комитетом по агропромышленному и рыбохозяйственному комплексу Ленинградской области).

Комплект эксплуатационной и конструкторской документации по усовершенствованию системы подачи газовоздушной смеси в газодизель передан в ЦНИИАМТ НАМИ.

Разработанная программа перевода дизельного автотракторного парка агропромышленного комплекса Ленинградской области на природный газ (газодизельный процесс) на период 2008;2015 г. г. передана в Комитет по агропромышленному комплексу Ленинградской области и принята к внедрению.

Результаты диссертационной работы используются в курсе лекций и в расчетно-аналитических заданиях по дисциплине «Автотракторное оборудование и двигатели внутреннего сгорания» для студентов специальностей «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» и «Механизация и автоматизация строительства» Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.

Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены:

— на 60-й Международной научно-технической конференции (МНТК) молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства» (СПбГАСУ, СПб, 2007 г.);

— на МНТК «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей» (СПбГАУ, СПб 2007;2011 гг.);

— на VII Международном экологическом форуме «Экологическое благоустройство жилых территорий крупных городов России» (СПб, 2007 г.);

— на X Международной конференции «Экология и развитие общества» (СПб, 2007 г.);

— на МНТК «Актуальные проблемы эксплуатации АТС» (ВлГУ, Владимир, 2007 г.);

— на IV МНТК «Автотранспорт: от экологической политики до повседневной практики» (СПб 2008 г.);

— на МНТК «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» (СПГУВК, СПб, 2009 г.);

— на IV Международном форуме «Транспортная безопасность России» (СПб, 2011 г.);

— на X Международной научно-практической конференции «Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах» (СПбГАСУ, СПб, 2012 г.).

Диссертационная работа связана с выполненными НИОКР:

1. «Научное обоснование и выбор параметров элементной базы системы приготовления газовоздушной смеси газовой модификации дизеля с наддувом 12 ГЧН 18/20» — договор с ОАО «Звезда». № гос. регистр. 1.1.04;

2. «Разработка конструкторской и эксплуатационной документации по переоборудованию трактора МТЗ-82 для использования природного газа в качестве топлива (газодизель)», договор с ООО «Лентрансгаз». Гос. контракт № 9/01 от 12.12.2005;

3. «Разработка конструкторской и эксплуатационной документации по переоборудованию трактора МТЗ-82 для использования природного газа в качестве топлива (газодизель)». Гос. контракт № 32 от 03.07.2006;

4. «Разработка технико-экономического обоснования и программа перевода машинно-тракторного парка агропромышленного комплекса Ленинградской области на альтернативное газовое моторное топливо (сжиженный природный газ, компримированный природный газ, биогаз)». Гос. контракт № 2/04 от 12.12.2006;

5. «Обоснование, разработка и испытание системы питания трактора МТЗ — 82 на рапсовом масле». Гос. контракт № 26 от 06.04.2007;

6. «Исследование системы факторов и условий эффективного развития АТК на региональном уровне». № гос. регистр. 1.2.07. Фундаментальное исследование, 2007 — 2011 гг.:

6.1. Научное обоснование построения системы индикаторов оценки состояния и развития АТК в регионе. 2007 г.;

6.2. Изучение условий и факторов реформирования АТК на современном этапе. 2008 г.;

6.3. Бизнес-инновации в развитии АТК в условиях региона. 2009 г.;

6.4. Стратегические направления формирования рынка автотранспортных услуг с учётом его реформирования на уровне региона. 2010 г.;

6.5. Направление и формы модернизации технического обслуживания АТК в регионе. 2011 г.

По теме исследования опубликовано 26 печатных работ. Из них 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, по теме диссертации получен патент на изобретение.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 148 страницах основного текста и 5 страницах приложений, содержит 39 рисунков и 22 таблицы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Для определения требований к системе питания автомобильного газодизеля выполнен анализ известных конструкций, который выявил проблему неоднородности и неравномерности подачи газовоздушной смеси в газодизель, подтверждаемую разностью температуры отработавших газов по цилиндрам, достигающей на номинальном режиме 30%. Для решения проблемы предложена установка газового аккумулятора между газовым редуктором низкого давления и газовыми форсунками.

2. Разработанная математическая модель процесса подачи однородной и равномерной газовоздушной смеси в газодизель с ГА позволяет подобрать коэффициент запаса ГА и повысить показатели токсичности до требований экологического класса 5 при снижении удельного эффективного расхода топлива на 12% с сохранением других эффективных показателей газодизеля.

3. Разработанная методика расчета газового аккумулятора системы подачи газовоздушной смеси позволяет рассчитать оптимальный объем ГА по заданным параметрам автомобильного газодизеля.

4. Проведённое теоретическое исследование подтвердило необходимость установки газового аккумулятора. Выполненные расчеты для газодизеля КамАЗ-7409 определили значение коэффициента запаса газа /с3 в ГА, равное 10.

5. Экспериментальное исследование автомобильной техники с газодизелями, оборудованными усовершенствованной системой подачи газовоздушной смеси, подтвердило, что при установке ГА с к3 = 10 удельный эффективный расход топлива снижается на 11%, и снижаются вредные выбросы 1чЮх на 25%, СО на 3%, а СН на 57%.

6. Расхождение данных расчетных и экспериментальных исследований находится в пределах доверительного интервала. Коэффициент корреляции равен 0,91.

7. Разработанная программа перевода 7784 единиц дизельного автотракторного парка агропромышленного комплекса Ленинградской области на компримированный природный газ (газодизельный процесс) включает постройку и размещение 54 модульных АГНКС. Для обеспечения заправок сельхозтехники в поле необходимо приобретение 44 ПАГЗ.

8. Выполненное технико-экономическое обоснование создания инфраструктуры для перевода дизельной автомобильной техники агропромышленного комплекса Ленинградской области на природный газ показало, что затраты на реализацию разработанной комплексной программы окупятся за 1,17 года.