Научные основы применения альтернативного моторного топлива в виде биогаза в мобильных энергетических средствах агропромышленного комплекса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Петров Николай Вадимович

• Петров Николай Вадимович
• доктор наук
• 2024

Оглавление диссертации доктор наук Петров Николай Вадимович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Особенности сельскохозяйственного производства в Республике Саха (Якутия)

1.2. Состояние и параметры сельскохозяйственного сектора Якутии

1.3. Материально-технический парк сельскохозяйственных предприятий Республики Саха (Якутия)

1.4. Анализ целесообразности и эффективности применения биогазовой технологии в сельском хозяйстве

1.5. Перспективы использования биогазового топлива на примере труднодоступных поселений Вилюйского района

1.6. Заправочная биогазовая станция для сельскохозяйственной техники

1.7. Анализ методов перевода бензиновых и дизельных силовых установок мобильных энергетических средств на моторное биогазовое топливо

Выводы по главе

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ БИОГАЗОВОГО ТОПЛИВА В СИЛОВЫХ УСТАНОВКАХ МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

2.1 Обоснование экономико-математической модели эффективности применения биогазового топлива в мобильных энергетических средств

2.2. Методологическая база исследования процесса сгорания в силовой установке, работающей на биогазовом топливе и состояния газа

2.3. Выбор математической модели для расчета характеристики тепловыделения

2.4. Адаптация математической модели процесса сгорания в силовой установке, работающей на биогазовом топливе

2.5. Методика расчета условий появления детонации в цилиндре силовой установки, работающей на биогазовом топливе

2.6. Методика расчета токсичности отработавших газов

2.7. Получение показателей мощности, экономичности и токсичности силовых установок, работающих на биогазовом топливе

2.8. Выбор математической модели для исследования состояния биогаза в зависимости от компонентного состава топлива и условий внешней среды

2.9. Адаптация математической модели состояния биогаза в зависимости от компонентного состава топлива и от условий внешней среды

Выводы по главе

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ БЕНЗИНОВЫХ И ДИЗЕЛЬНЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК, РАБОТАЮЩИХ НА БИОГАЗОВОМ ТОПЛИВЕ

3.1 Алгоритм проведения экспериментов

3.2. Экспериментальный стенд газовой силовой установки 4ГЧ9,4/9,55 на базе бензиновой силовой установки «ЗМЗ-409» для исследования процесса сгорания

3.3. Экспериментальный стенд газовой силовой установки 4ГЧ11/12,5 на базе дизельной силовой установки «Д-240» для исследования процесса сгорания

3.4. Методика экспериментального исследования степени сжатия силовых установок 4ГЧ9,4/9,55 и 4ГЧ11/12,5, работающих на биогазовом топливе

3.5. Измерение токсичности отработавших газов

3.6. Методика обработки индикаторных диаграмм

3.7. Методика обработки результатов экспериментов по исследованию крутящего момента силовой установки

3.8. Методика исследования состояния биогаза в зависимости от компонентного состава топлива и от условий внешней среды

3.9. Тягово-скоростные испытания автомобиля УАЗ-39094 с силовой установкой 4ГЧ9,4/9,55, работающей на биогазовом топливе

3.10. Оценка погрешностей измерений

Выводы по главе

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Результаты экспериментальных исследований и анализ процесса сгорания силовой установки, работающей на биогазовом топливе

4.2. Результаты экспериментальных исследований детонации в цилиндре силовой установки, работающей на биогазовом топливе

4.3. Результаты экспериментальных исследований и анализ показателей мощности, экономичности и токсичности

4.4. Результаты экспериментальных исследований и анализ состояния биогаза в зависимости от компонентного состава топлива и от условий внешней среды

Выводы по главе

ГЛАВА 5. ОБОСНОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ КОРРЕКТОРА РЕГУЛИРОВОЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ, РАБОТАЮЩИХ НА БИОГАЗОВОМ ТОПЛИВЕ

5.1. Обоснование проблемы. Корректировка потерь мощности силовых установок мобильных энергетических средств, работающих на биогазовом топливе

5.2. Результаты исследования силовой установки мобильных энергетических средств, работающей на биогазовом топливе, с использованием корректора регулировочных параметров

5.3. Корректировка коэффициента избытка воздуха и угла опережения зажигания в зависимости от содержания углекислого газа в биогазе

5.4. Результаты внедрения корректора регулировочных параметров силовой установки автомобиля УАЗ-39094, работающего на биогазовом топливе

Выводы по главе

ГЛАВА 6. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕВОДА СИЛОВЫХ УСТАНОВОК НА БИОГАЗОВОЕ МОТОРНОЕ ТОПЛИВО. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

6.1. Эффекты от использования моторного биогазового топлива в мобильных энергетических средствах сельскохозяйственных предприятий на примере труднодоступных населенных пунктов Вилюйского района

6.2. Расчет капитальных затрат на производство биогаза

6.3. Экономический эффект от перевода бензиновых и дизельных силовых установок на моторный биогаз

6.4. Практические рекомендации по внедрению биагозового моторного топлива в силовых установках мобильных энергетических средств и перспективы дальнейшей разработки темы

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научные основы применения альтернативного моторного топлива в виде биогаза в мобильных энергетических средствах агропромышленного комплекса»

ВВЕДЕНИЕ

Сельское хозяйство Республики Саха (Якутия) является одной из основных отраслей экономики республики. Эффективность аграрного производства невозможна без соответствующего оснащения машинно-тракторным парком. В качестве основных мобильных энергетических средств (МЭС), применяемых в сельскохозяйственном производстве, являются трактора всех разновидностей, комбайны, автомашины.

МЭС в сельском хозяйстве - ключевые источники выбросов вредных веществ-поллютантов, попадающих в атмосферу. По последним исследованиям ученых удельный вес выбросов автомобильного транспорта достигает 80 % от общего количества выбросов в окружающую среду.

Одним из направлений, направленных на улучшение экологической обстановки, является применение алтернативных видов топлива, в том числе биогаза, получаемого из органических отходов.

По химическому составу биогаз близок к природному газу, поэтому в мире его широко применяют в автотракторных силовых установках. С точки зрения экологических параметров он является более чистым в сопоставлении с бензином и дизельным топливом. По сравнению с традиционным топливом токсичность биогаза для человека является на шестьдесят и более процентов ниже. Вещества -канцерогены почти отсутствуют в продуктах сгорания биогаза. В сопоставлении с силовыми установками, работающими на нефтяном топливе, отработавшие газы биогазовых СУ на 60 - 80 % меньше влияют на озоновый слой.

Следует отметить ряд преимуществ биогаза:

- существенное сокращение вероятности отравления окружающей среды продуктами ферментации отходов животных и человека, а также мусора в связи с изоляцией их в установках для обеззараживания и переработки с попутной выработкой биогаза;

- отсутствие необходимости полной модернизации бензиновых силовых

установок для более эффективного сжигания биогаза;

- при выработке биогаза отходы органического происхождения превращаются в качественные удобрения, исключается необходимость утилизации возникающих при производстве биотоплива побочных продуктов, высока рентабельность процесса;

- очистка биогаза до биометана, с возможностью смешения его с природным газом и использования в технологическом транспорте с газобаллонным оборудованием;

- существенно низкая токсичность функционирующих на биогазе СУ в сравнении с СУ, работающими на бензине;

- возможность запуска и наладки производства биогаза практически в любом месте, где имеются органические отходы.

Актуальность темы. На территории Республики Саха (Якутия) в настоящее время имеется 185 труднодоступных населенных пунктов, где проживает 98 тыс. чел. и 163 производственных участка. Труднодоступность заключается в отсутствии круглогодичного транспортного сообщения и возможности доставки грузов, в том числе топливных.

Эффективного агропроизводства в труднодоступных населенных пунктах можно достичь, применяя в силовых установках МЭС сельскохозяйственного назначения альтернативные виды топлива (метан, пропан, метанол, водород и т.д.), среди которых наиболее доступным в условиях аграрного сектора, на наш взгляд, является биогаз.

Актуальна также и проблема защиты окружающей среды от токсичных компонентов отработавших газов силовых установок, работающих на жидких топливах нефтяного происхождения. Одним из путей решения этих проблем явиляется внедрение анаэробной технологии по производству альтернативного топлива в виде моторного биогаза, а также сооружение автономных биогазовых заправочных установок.

В сельской местности Якутии основным потребителем жидкого топлива нефтяного происхождения является МЭС. Даже частичный перевод этой техники

на моторный биогаз сократит потребление жидких нефтяных топлив в отдаленных районах. В итоге снижение затрат на транспортировку жидкого топлива обеспечит высвобождение значительных средств, которые можно направить на развитие поселений. Кроме того, биогазовая технология и ее применение в труднодоступных населенных пунктах позволит перейти фермерским хозяйствам на независимое автономное бесперебойное энергообеспечение, что исключит простои производства и снизит себестоимость сельскохозяйственной продукции.

Причинами, сдерживающими применение биогаза в мобильных энергетических средствах, является малая изученность особенностей его использования, а также пренебрежение преимуществами моторного биогазового топлива.

Кроме этого, следует отметить, что в настоящее время отсутствуют научные знания по изменению коэффициента сжимаемости в зависимости от температурных показателей окружающей среды при заполнении баллонов газовым моторным топливом. Из многолетнего практического опыта известно, что с понижением температуры воздуха МЭС, несмотря на заполненные баллоны по показателям счетчиков газозаправочных станций, проезжает значительно меньшие расстояния. На наш взгляд, огромную роль играют видоизменения основных составляющих моторных газов - метана и углекислого газа. Поэтому существует необходимость исследования этих процессов при разнличых температурах окружающей среды, создание эффективной технологии загрузки баллонов газовым моторным топливом.

Разработка технологии по использованию моторного биогаза, учитывающей его химический состав, даст возможность выводить на линию автотракторную технику сельскохозяйственного назначения при отсутствии топлива нефтяного происхождения, что позволит аграрникам Якутии не приостанавливать производство и максимально полно использовать благоприятные дни короткого теплого периода года.

Таким образом, для обеспечения бесперебойной работы аграрного сектора в

условиях отсутствия или недостаточного объема нефтяного топлива, целесообразно адаптировать силовые установки энергетических средств под моторный биогаз, что делает актуальной тему данной диссертационной работы, имеющей научный и практический интерес.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательской работы ФГАОУ ВО СВФУ им. М.К. Аммосова в рамках отраслевой программы «Применение альтернативного топлива из отходов в промышленном производстве на 2022 - 2030 годы» (госрегистрация № 16042п-П11 от 28 декабря 2021 г.) и соответствует Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации п. 20 б) «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии».

Степень разработанности темы диссертационного исследования. Вопросам получения и использования альтернативных ресурсов в качестве топлива для СУ, методологии энергетической и экологической оценки технических средств посвящены работы В.П. Друзьяновой, С.Н. Кривцова, Н.Р. Адигамова, А.В. Неговоры, А.Н. Панасюка, С.В. Щитова, Е.Е. Кузнецова, М.К. Бураева, О.М. Осмонова, Имад Саад Саиед Белаль, И.А. Савватеевой, О.П. Семеновой, А.А. Ефанова, А.Ю Шустера, А.А. Зеленцова, А.В. Шибанова, А.С. Клементьева, Е.Е. Полухина, С.А. Плотникова, П.К. Сеначина, А.М. Бондаренко, И.И. Тимченко, Д. Рамадана, В. Баадера, В.Л. Чумаковой, Н.Е. Борисенко, Н.В. Краснощековой, А.Д. Передерия, Т.Я. Андрюхина, Д. Каласса, К. Уолкера, А.Н. Захарченко, Б. Эдера, Р.О. Самсонова и других авторов.

Исследования параметров и состояния газа, коэффициента его сжимаемости отражены в работах Имад Саад Саиед Белаль, О. Ридлих, Дж. Квонг, Д.И. Менделеева, Б.П.Э. Клапейрона, Й.Х. Ван дер Ваальса, Дин Ю Пэна, Д.Б. Робинсона и других авторов.

Цель работы. Повышение эффективности применения мобильных энергетических средств на технологических операциях в АПК путем применения

моторного биогаза, производимого на основе научно- и практически обоснованной технологии.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи исследования:

1. Разработать экономико-математическую модель оценки эффективности использования биогазового топлива в автотракторной технике для выполнения плана сельскохозяйственных работ в труднодоступных населенных пунктах;

2. Разработать математическую модель процессов сгорания и образования токсичных компонентов в силовых установках при применении биогаза в качестве моторного топлива, позволяющую теоретически обосновать её технико-экономические показатели, установить их нормативные значения, выявить закономерности взаимосвязей корректировки регулировочных и эксплуатационных параметров СУ.

3. Разработать математическую модель для расчета коэффициента сжимаемости биогаза в зависимости от его компонентного состава, позволяющую описать объем заправляемого топлива в широком диапазоне параметров.

4. Разработать и внедрить корректор регулировочных параметров силовых установок мобильных энергетических средств, работающих на биогазовом топливе с выявлением закономерностей изменения состава биогаза при различных давлениях и температурах в баллонах р, коэффициента избытка воздуха а и угла опережения зажигания 0, обеспечивающие компенсировать ухудшение показателей экономичности, токсичности и мощности возникающих вследствие увеличения гсо2.

5. Оценить экономический эффект от эксплуатации мобильных энергетических средств с силовыми установками, работающих на биогазовом топливе.

Объект исследования. Мобильные энергетические средства, работающие на альтернативном топливе в виде моторного биогаза.

Предмет исследования. Процессы сгорания и образования токсичных компонентов топлива в силовых установках мобильных энергетических средств с

искровым зажиганием, адаптированных под моторный биогаз.

Научная проблема заключается в отсутствии научно обоснованной методологии применения биогаза в качестве моторного топлива, доступного производства и эффективной технологии по модернизации дизельных и бензиновых силовых установок, используемых на технологических операциях в АПК на работу на биогазовом топливе.

Научная гипотеза - внедрение эффективной технологии производства и использования альтернативного моторного топлива в виде биогаза позволит восполнить отсутствие или недостаточный объем нефтяного топлива для аграрных предприятий, способствуя своевременному проведению сельскохозяйственных работ и сохранению качества производимой продукции.

Методология и методы исследования. Методологическая основа исследования заключалась в применении системного подхода к объекту исследования в качестве целостного комплекса теоретических и экспериментальных результатов с использованием теории подобия и планирования экспериментов, методов экспериментального исследования, математического программирования и имитационного моделирования. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на персональной ЭВМ с использованием программ Excel, CurveExpert Professional, MathCAD, MS Visio, а также языка программирования Python.

Научная новизна работы:

1. Научно обоснована методология применения возобновляемого источника энергии в виде биогаза как моторного топлива, позволяющего реализовать стратегию эффективной технологии по переводу дизельных и бензиновых силовых установок МЭС на альтернативное топливо.

2. Разработана математическая модель расчета параметров рабочего тела в цилиндре силовой установки, работающей на биогазовом топливе, которая отличается новыми полученными зависимостями для определения поверхностей теплоотдачи, не нуждающимися в учете геометрии камеры сгорания при расчете показателей характера и продолжительности сгорания моторного биогазового

топлива.

3. Разработана математическая модель для расчета коэффициента сжимаемости моторного биогаза в зависимости от его компонентного состава, учитывающая объемную долю метана в объеме газового топлива. Данная модель отличается от существующих аналогов более широким диапазоном применимости по параметрам состояния, по компонентному составу газов, а также более высокой точностью расчетов.

4. Впервые получены закономерности для:

- описания физических процессов, протекающих в биогазе, заключенном в баллонах высокого давления после выравнивания его температуры до уровня температуры окружающей среды;

- регулировки параметров силовых установок при изменениях состава биогаза в условиях снижения давления в баллонах в процессе его потребления.

5. Уточнены теоретические и экспериментальные зависимости требуемого объема моторного биогаза для эксплуатации энергетических мобильных средств сельскохозяйственных предприятий.

6. Экспериментально подтвержден объем заправляемого моторного биогаза в баллоны для энергетических мобильных средств в зависимости от его компонентного состава, коэффициента сжимаемости, а также от условий внешней среды.

7. Экспериментально подтверждены функциональные зависимости для расчета регулировочных параметров бензиновых и дизельных силовых установок с искровым зажиганием за счет определения плотности р моторного биогаза для обработки и подачи информации в корректор, а также состава горючей смеси а и угла опережения зажигания 0 в зависимости от объемного содержания двуокиси углерода.

8. Созданы трехмерные характеристические карты для микропроцессорных систем управления углом опережения зажигания и подачей топлива газовых силовых установок 4ГЧ9,4/9,55 и 4ГЧ11/12,5, работающих на моторном биогазовом топливе.

Новизна технических решений защищена 3 патентами на полезные модели, 2 свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ и 3 свидетельствами о государственной регистрации баз данных.

Теоретическая значимость работы заключается в использовании следующих полученных автором результатов исследований:

1. Разработанных научных основ применения биогаза в качестве моторного топлива на базе бензиновых и дизельных силовых установок с искровыми зажиганиями, позволяющих с наименьшими затратами энергетических и трудовых ресурсов обеспечить бесперебойную эксплуатацию мобильных энергетических средств для своевременного и полного выполнения сельскохозяйственных работ.

2. Реализованной математической модели расчета процессов сгорания и образования токсичных компонентов в силовых установках при применении биогаза в качестве моторного топлива, позволившей теоретически обосновать её технико-экономические показатели, установить их нормативные значения, выявить закономерности взаимосвязей корректировки регулировочных и эксплуатационных параметров СУ.

3. Разработанной математической модели для расчета коэффициента сжимаемости биогаза в зависимости от компонентного состава, позволяющей более точно описать объем заправляемого газового топлива при различных условиях.

4. Установленых закономерностях изменения регулировочных параметров ДВС от объемного содержания двуокиси углерода в биогазе (коэффициента избытка воздуха а, угла опережения зажигания 0 и состава биогаза при изменении давления и температуры в баллонах р), позволяющие обеспечивать оптимальные показатели мощности, экономичности и токсичности при данном значении гсо2 в биогазе.

Практическая значимость работы:

- преподавателям технических вузов: результаты работы могут быть использованы при обучении и подготовке инженеров, бакалавров и магистров

автотранспортного и сельскохозяйственного направлений;

- проектировщикам технологических систем и машин разработанные методы позволят совершенствовать существующие и разрабатывать новые эффективные энергетические системы, работающие на альтернативном топливе, в том числе на моторном биогазе;

- специалистам по установке и эксплуатации ГБО или автосервиса: методы используются при доводочных и контрольных испытаниях, а также при доводке и приемочных испытаниях газобаллонной аппаратуры;

- операторам-диагностам АТП или автосервиса: методы по корректировке регулировочных параметров позволят диагностировать и внести изменения в газовом электронном блоке управления силовых установок как непосредственно на постах диагностики, так и при проведении дорожных испытаний;

- работникам газозаправочных станций: разработанные методы по расчету коэффициента сжимаемости газовых топлив позволят максимально эффективно заправлять автотракторную технику с учетом колебаний температуры наружного воздуха;

- работникам сервисных и автотранспортных предприятий: научно обоснованная структура перевода бензиновых и дизельных СУ на газовое топливо дает возможность оптимизировать выбор газобаллонного оборудования в существующих условиях эксплуатации;

- сельскохозяйственным предприятиям: научные результаты могут быть использованы с целью обеспечения эффективной работы машинно-тракторного парка для достижения поставленных планов работ.

Реализация результатов исследования. Результаты исследований докладывались на региональных уровнях и одобрены научно-техническим советом МСХ РС (Я), научно-техническим советом СВФУ им. М.К. Аммосова, Октёмским филиалом ФГБОУ ВО «Арктический государственный агротехнологический университет».

Практическое внедрение предложенных разработок осуществлено в период с 2013 по 2023 годы в «СеверГазАвтоГБО», ООО «СахаАвтоГазСервис», МКУ

«Департамент сельского хозяйства Вилюйского района», Министерство сельского хозяйства РС (Я).

Результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «Арктический государственный агротехнологический университет», СВФУ им. М.К. Аммосова при обучении студентов по направлениям подготовки «Агроинженерия», «Наземные транспортно-технологические средства» и «Эксплуатация транспортно-технологических машин комплексов».

Личный вклад автора состоит в проведении теоретических и экспериментальных исследований на всех этапах выполнения работы, в получении, обработке и обобщении расчетных и экспериментальных данных, подготовке и оформлении публикаций с результатами исследования. Все основные теоретические, программные и экспериментальные исследования, изложенные в диссертационной работе, включая анализ имеющихся проблем при эксплуатации энергетических мобильных машин в условиях труднодоступных поселений, постановку научной гипотезы и задач исследования, разработку информационных и математических моделей, изготовление и апробацию новых технических решений для обоснования и создания технологии производства и использования альтернативного моторного топлива в виде биогаза, интерпретацию научных результатов, формулировку основных выводов, а также внедрение результатов исследований выполнены исключительно автором.

Основные положения, выносимые на защиту:

- экономико-математическая модель оценки эффективности использования биогазового топлива в автотракторной технике для выполнения плана сельскохозяйственных работ в труднодоступных населенных пунктах Республики Саха (Якутия);

- методологическое обоснование процесса образования токсичных компонентов в СУ при применении биогаза в качестве моторного топлива;

- методологическое обоснование коэффициента сжимаемости биогазового альтернативного топлива в зависимости от компонентного состава, учитывающего долю метана в объеме биогазового топлива;

- аналитические и математические зависимости для расчета регулировочных параметров бензиновых и дизельных силовых установок с искровым зажиганием за счет определения плотности р моторного биогаза для обработки и подачи информации в корректор, а также состава горючей смеси а и угла опережения зажигания 0 в зависимости от объемного содержания двуокиси углерода.

Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением расчетных данных с результатами экспериментальных исследований, использованием пакетов прикладных программ при анализе опытных данных, а также положительной апробацией разработанных технических средств в эксплуатационных условиях.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: I Международной научно-практической конференции «Научные итоги 2011 года: достижения, проекты, гипотезы» (Новосибирск, НГТУ, 2011); IX Молодежной научно-практической конференции «Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания» (Новосибирск, НГТУ, 2012); VII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2012); XV и XVIII Международных заочных научно-практических конференциях «Технические науки - от теории к практике» (Новосибирск, НГТУ, 2012, 2013); Форуме научной молодежи Республики Саха (Якутия), посвященном 75-летию академика В.П. Ларионова (Якутск, ИФТПС СО РАН, 2013); Международной научно-практической конференции молодых ученых «Научные исследования и разработки к внедрению в АПК» (Иркутск, ИрГСХА, 2013); IV Международной научно-практической конференции «Климат, экология и сельское хозяйство Евразии» (Иркутск, 2015); Научно-практических конференциях «Ларионовские чтения. Современные проблемы агропромышленного комплекса и пути их решения», (Якутск, 2015 - 2019); V Всероссийской научно-практической конференции «Устойчивый Север: общество, экономика, экология, политика», 2019; XX юбилейной Всероссийской научно-практической конференции с

международным участием в г. Нерюнгри, 2019; Международной научно-практической конференции «Ресурсная экономика в контексте современных тенденций глобализации» (Якутск, 2019); III форуме «Транспортные системы и дорожная инфраструктура Крайнего Севера», 2022; X национальной научно-практической конференции с международным участием «Чтения И.П. Терских» (Иркутск, ИрГАУ, 2022); XIV Международной научно-практической конференции «Состояние и инновации технического сервиса машин и оборудования» (Новосибирск, НГАУ, 2022); научно-практической конференции «АПК: проблемы и перспективы развития», (г. Благовещенск, ДальГАУ, 2022, 2023).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 работы, из них 10 работ - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 3 работы в изданиях, индексируемых в международных наукометрических базах Web of Science, получены 3 патента РФ на полезную модель, 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ и 3 свидетельства о государственной регистрации баз данных.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка используемой литературы, приложений. Полный объем работы содержит 346 страниц машинописного текста, в том числе 119 рисунков и 59 таблиц; список использованных источников состоит из 209 наименований на 24 страницах.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Особенности сельскохозяйственного производства в Республике Саха

(Якутия)

Республика Саха (Якутия) является одним из самых труднодоступных регионов мира в транспортном отношении - круглогодичное дорожное сообщение отсутствует на 90% территории республики. Исторически сформировалась ситуация, при которой в общем количестве жителей республики доля жителей сельской местности является весьма значительной. В иных регионах севера РФ значение составляет в среднем 8 %, тогда как в РС (Я) около 36 % [201].

Следует отметить экстремальные природно-климатические условия региона. Относится к числу регионов мира, характеризующихся наиболее низкими температурами в зимний период. Летний период является коротким, а зимний - длительным.

Наиболее холодным является январь месяц, температура достигает -71°С. Наиболее жарким является июль месяц, с максимальными температурами до + 40°С [197]. Общая длительность холодного периода составляет 6,5-9 месяцев. По данным значениям регион является уникальным.

В РС (Я) зоной с наиболее развитым сельским хозяйством является среднетаежная подзона с границей до 64° северной широты. Доля подзоны средней тайги на территории региона - 38 % (более 100 тыс. кв. км.). 1,3 % территории республики отведено под сельхозугодья (кроме пастбищ для оленей) [201].

Функционирование АПК РС (Я) происходит в зоне, где земледелие является рискованным. Присущие почвам свойства неблагоприятны для возделывания

основных разновидностей овощных культур и всех зерновых культур. Природно -климатические условия являются суровыми. В этой связи преимущественным направлением в сельском хозяйстве в регионе является животноводство. На растениеводство в валовой продукции в 2015 г. приходилось 31,6 %, на животноводство - 68,4 % [201].

На степень развития сельского хозяйства существенным образом влияет наличие дорог и МТП. Для того, чтобы АПК работал в нормальном режиме, необходимо, чтобы надежно и бесперебойно функционировали МЭС при развозе сельхозпродукции, доставке топлива и др. [187].

Следует отметить ограниченность осуществления грузоперевозок в сельскохозяйственной отрасли региона. Основная проблема связана с сезонностью, поскольку число дорог, которые можно эксплуатировать круглый год, в регионе невелико. При этом для основных перевозок грузов используются зимники (рисунок 1.1).

Дороги с твердым покрытием Врклгнныг (сезонный дорога Общая прстянвннссть автомобильных...

0 з 10 15 20 25 30 35

■ Сеть автомобильных дорог на тгррнторинРС(Я).тыс. ем

Рисунок 1.1 - Автодороги общего пользования по протяженности на территории

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Петров Николай Вадимович, 2024 год

(/ // //

/ / 7

_

т. ^ ***

4 \ тс

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 фг

Рисунок 4.4 - Отклонения переменного показателя сгорания (т) Вибе при сгорании топлива: тех -эксперимент; тс - расчёт. Красная линия - данные силовой установки 4ГЧ11/12,5, черная - силовой установки 4ГЧ9,4/9,55

Верификация математической модели процесса сгорания осуществлялась сравнением показателей мощности, экономичности и токсичности, полученных с помощью расчетной модели с данными показателями, полученными экспериментально [90].

Уравнения для переменного показателя сгорания (4.12) и продолжительности сгорания (4.23) получены и экспериментально проверены в диапазоне изменения показателей для силовых установок 4ГЧ9,4/9,55 и 4ГЧ11/12,5, приведенных в таблице 4.1. Режимы выбирались случайным образом.

Таблица 4.1 - Диапазон изменения показателей силовых установок, работающих на биогазовом топливе,

№ Силовая установка Коэффициент избытка воздуха (а) УОЗ (9), град. п.к.в до ВМТ Частота вращения коленчатого вала (п), мин-1 Коэффициент наполнения свежим зарядом ы

1 Силовая установка 4ГЧ9,4/9,55 1 — 1,5 5 — 70 800 — 5600 0,86 — 0,21

2 Силовая установка 4ГЧ11/12,5 1 — 1,7 5 — 50 800 — 2100 0,21 — 1,36

X

Экспериментальная проверка уравнений заключалась в сравнении индикаторных диаграмм, полученных экспериментально, с их расчетными аналогами. На рисунке 4.5 приведена экспериментальная индикаторная диаграмма силовой установки 4ГЧ9,4/9,55 (параметры режима: п = 4500 мин-1; п = 0,79; а = 1,05; е = 12; 0 = 32 град. п.к.в. до ВМТ; N =38 кВт) и соответствующая ей характеристика тепловыделения.

На рисунке 4.6 приведена экспериментальная индикаторная диаграмма силовой установки 4ГЧ11/12,5 (параметры режима: п = 1500 мин-1; п = 0,93; а = 1,4; е = 11,8; 0 = 32 град. пкв до ВМТ; Ые =75 кВт; гсог = 0,05) и соответствующая ей характеристика тепловыделения.

Для обработки индикаторных диаграмм использовалась методика, которая позволяет определить не только среднюю термодинамическую температуру в цилиндре СУ, но и распределение температур по сгоревшей и несгоревшей зонам [34, 61].

МПа 7'

А.

6'

5

4 /

3

180 ф, град. пкв до ВМТ

Рисунок 4.5 - Экспериментальная индикаторная диаграмма силовой установки 4ГЧ9,4/9,55 и соответствующая ей характеристика тепловыделения

г

Рисунок 4.6 - Экспериментальная индикаторная диаграмма силовой установки 4ГЧ11/12,5 и соответствующая ей характеристика тепловыделения

На рисунках 4.7 и 4.8 приведены сравнения температур в цилиндре СУ в процессе сгорания для экспериментального и расчетного режимов.

Для силовой установки 4ГЧ9,4/9,55 параметры режима: п = 4500 мин-1; п = 0,79; а = 1,05; е = 12; 0 = 32 град. п.к.в. до ВМТ; N0 =38 кВт).

2500-

2000-

1500

1000

к к i

ТЬ ех Ь шо й

___=»- ;

Т ау ех

Тау шой "-V /

\ V/ х

^ У у Ти ш юй

Т,,е х /

/

1,0

-0,8

-0,6

-0,4

- 0,2

-16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 ВМТ 2 4 6 8 р, град п.к.в 16

х

Рисунок 4.7 - Результаты математического моделирования температур в цилиндре СУ по двухзонной модели в сравнении с экспериментом:

Ти_ех, Тп_шоа - температура несгоревшей смеси, эксперимент и расчет соответственно; Ть_ех, Ть_шоё - температура сгоревшей смеси, эксперимент и расчет соответственно; Тау_ех, Тау_шоё - средняя температура смеси в цилиндре,

эксперимент и расчет соответственно

Для силовой установки 4ГЧ11/12,5 параметры режима: п = 1500 мин-1; п = 0,93; а = 1,4; е = 11,8; 0 = 32 град. пкв до ВМТ; N =75 кВт; гШ2 = 0,05

3000-

2500-

2000-

1500-

1000-

500-

i к к

ТЬ ех Т1 шоё

/ —А /

—

Т ех

Тау поё ' ______ ' / /

' / ✓ х

/ / ✓ У / Т

— ^ I Ти ех Аи_шоё

—

11 -__ ■="=г=

1,0

-0,8

-0,6

-0,4

- 0,2

-22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 ВМТ 2 4 6 8 ф,град п.к.в. до ВМТ

х

0

Рисунок 4.8 - Результаты математического моделирования температур в цилиндре СУ по двухзонной модели в сравнении с экспериментом: Ти_ех, Тп_шоа - температура несгоревшей смеси, эксперимент и расчет соответственно; Ть_ех, Ть_шоё - температура сгоревшей смеси, эксперимент и расчет соответственно; Тау_ех, Тау_шоа - средняя температура смеси в цилиндре,

эксперимент и расчет соответственно

Сравнение расчетной и экспериментальной характеристик переменного показателя характера сгорания туаг приведены на рисунках 4.9 и 4.10.

Для силовой установки 4ГЧ9,4/9,55 параметры режима: п = 4500 мин-1; п = 0,79; а = 1,05; е = 12; 0 = 32 град. п.к.в. до ВМТ, N = 39 кВт).

т

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

/ /

/

0

те

•

\ тс

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 ф,

Рисунок 4.19 - Изменение переменного показателя сгорания И.И. Вибе в процессе сгорания: тех -эксперимент; тс - расчет

Для силовой установки 4ГЧ11/12,5 параметры режима: п = 1000 мин-1; п = 0,39; а = 1,1; е = 11,8; 0 = 22 град. пкв до ВМТ, N0 = 29 кВт; гШ2 = 0,1).

т

10 9 8 7 6 54 3 2 1

Л

//

II //

/ //

у У У/

/ у'

т /

__—_ — "

/ " \ тс

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 фг

Рисунок 4. 10 - Изменение переменного показателя сгорания И.И. Вибе в процессе

сгорания: тех -эксперимент; тс - расчёт

Экспериментальная проверка уравнений для переменного показателя сгорания и продолжительности сгорания СУ, работающих на биогазовом топливе, в диапазоне, приведенной в таблице 4.1, показала максимальную погрешность

расчетного определения среднего индикаторного давления р¡, составляющую 4,2 %.

4.2. Результаты экспериментальных исследований детонации в цилиндре силовой установки, работающей на биогазовом топливе

Результаты проводимых ранее экспериментов подтверждают, что для адаптированных на применение газового топлива СУ среднее предельное значение критерия детонации {Катах) составляет 1,5 [43]. При этом в научной

литературе не приводятся средние предельные значения указанного выше критерия для СУ, работающей на биогазовом топливе.

Для получения расчетных значений среднего предельного критерия детонации для биогазовой СУ был проведен цикл экспериментальных работ на базе стенда силовой установки 4ГЧ11/12,5, адаптированный под биогазовое топливо [116].

Эксперименты проводились при установленных параметрах Метах (п = 1600 мин-1; фдр = 100 %; а = 1,0). Степень сжатия в СУ на момент проведения эксперимента была равна в = 11,8. Цикл экспериментов проходил с использованием четырех компонентов биогаза: гсо2: гсо2 = 0; гсо2 = 0,1; гсо2 = 0,2; гсо2 = 0,3.

По итогам описанных выше экспериментов были получены индикаторные диаграммы, приведенные на рисунке 4.11.

1)

2)

3) 4)

Рисунок 4.11 - Индикаторные диаграммы, соответствующие разным значениям

критерия детонации: 1 - без детонации (К = 1,0; гШ2 = 0,2);

2 - средняя предельная детонация (Ка = 1,5; гс02 = 0,2);

3 - детонация (К = 1,8; гсо2 = 0,1);

4 - сильная детонация (Ка = 2,5; гс02 = 0,1)

Эксперименты показали, что в предлагаемой модернизированной СУ значение критерия детонации (Ка) совпадает с аналогичным значением в газовой СУ и равно 1,5 [116].

Таким образом, выбор степени сжатия может осуществляться расчётным путём на предложенном режиме.

Кроме того, для режима Мкртах выбираются значения угла опережения зажигания 0опт, град. пкв до ВМТ, обеспечивающие максимальные значения р! при заданной а.

Результаты расчётного исследования Катах для режима Мкртах с а = 1 и 0 = Оопт приведены на рисунке 4.12. Исходя из результатов данного исследования, для силовой установки 4ГЧ11/12,5, работающей на биогазовом топливе, целесообразной является степень сжатия в = 11,8, а для силовой установки 4ГЧ9,4/9,55, работающей на биогазовом топливе, является степень сжатия в = 12

Рис. 4.12. Зависимость изменения Ка от степени сжатия для силовой установки 4ГЧ11/12,5, работающей на биогазовом топливе, на режиме Мкртах (п = 1600 мин-1;

а = 1; 0 = 0опт)

4.3. Результаты экспериментальных исследований и анализ показателей мощности, экономичности и токсичности

Для получения значений параметров экономичности, токсичности и мощности силовой установки, работающей на биогазовом топливе, было организовано проведение ряда экспериментов.

Сравнение экспериментальных показателей мощности и экономичности режимов ВСХД с расчетными данными для силовых установок 4ГЧ9,4/9,55 и 4ГЧ11/12,5 показаны на рисунке 4.13 [74].

'о :ш як гж ¡т ¡ят ^

Рисунок 4.13 - Сравнение расчетных показателей мощности и экономичности режимов ВСХД с экспериментальными данными:

--эксперимент;

---- расчет

Из рисунка 4.13 видно, что максимальная погрешность расчетного определения Ме составляет до 10 %, погрешность определения и - до 12 %. Средняя погрешность расчетного определения Ме составляет до 7%, и - до 9 %.

В качестве примеров на рисунках 4.14 и 4.15 приведены сравнения расчетных значений содержания СО, СН и Кох в отработавших газах с результатами экспериментального анализа химического состава отработавших газов для режимов ВСХД.

Рисунок 4.14 - Сравнение расчетных показателей токсичности отработавших газов на режимах ВСХД с экспериментальными данными:

--эксперимент;

---- расчет

Рисунок 4.15 - Сравнение расчётных показателей токсичности отработавших

газов с экспериментальными данными:

--эксперимент;

---- расчёт

Согласно ГОСТ Р 17.2.2.06-99 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерения содержания оксида углерода и углеводородов в отработавших газах газобаллонных автомобилей», контроль токсичности отработавших газов СУ, работающих на газовом топливе, осуществляется на холостом ходу на режимах минимальных оборотов холостого хода (итт = 800 мин-1) и поверочных оборотов холостого хода (ппов = 1500, 3000 мин-1).

Из рисунков 4.14 и 4.15 видно, что максимальная погрешность расчетного определения Жсо составляет до 17 %, WNOx - до 18 %, Жен - до 15%. Средняя погрешность расчетного определения ЖСо составляет до 10 %, - до 12 %, Жен - до 10 %.

Таким образом, погрешности расчетного определения показателей мощности, экономичности и токсичности с помощью полученной математической модели находятся в пределах допустимых норм для СУ.

4.4. Результаты экспериментальных исследований и анализ состояния биогаза в зависимости от компонентного состава топлива и от условий

внешней среды

В мобильных энергетических средствах в качестве моторного топлива можно использовать сжатый или сжиженный газ. Степень сжатия газа определяется двумя основными компонентами - метаном и углекислым газом (СН4 и С02), их свойства на сжатие характеризуются коэффициентом сжимаемости Ъ [67].

Для определения коэффициентов сжимаемости проведен цикл экспериментов с использованием биогазовой смеси разного состава. Всего проведено 8 экспериментов, в каждом из которых определялись объем биогазовой смеси и давление [112]. Результаты приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Экспериментальные значения коэффициентов сжимаемости для

разных составов биогаза

Коэффициент сжимаемости для разного состава биогаза

55 60 65 70 75 80 85 90

0,57 0,59 0,61 0,63 0,66 0,69 0,71 0,75

Давление МПа 20

Температура, К 293

По полученным экспериментальным данным, зависимость коэффициента сжимаемости для разных составов биогаза имеет следующий вид (рисунок 4.16).

Коэф. 1,000 сжим., 0,900

Z

0,800 0,700 0,600 0,500 0,400

50

60

70

80

90

Содержание метана в биогазе, %

Рисунок 4.16 - Экспериментальная зависимость коэффициента сжимаемости

биогаза

С целью получения уравнения для расчета значения коэффициента сжимаемости биогаза для разного состава необходимо провести аппроксимацию экспериментальных результатов на основе таблицы численных значений 2 (коэффициент сжимаемости) в зависимости от Х (доля С02) и У (объем биогаза) (таблица 4.3).

Таблица 4.3 - Исходные данные для построения графика линейной зависимости

X (доля CO2) 55 60 65 70 75 80 85 90

Y (объем биогаза) 1,63 1,59 1,53 1,47 1,42 1,35 1,31 1,25

Z (коэффициент сжимаемости) 0,571 0,585 0,610 0,633 0,657 0,691 0,713 0,745

На основе таблицы численных значений X, Y и Z (таблица 4.3), с помощью языка программирования Python была разработана программная модель для аппроксимации экспериментальных данных. Методом наименьших квадратов были получены коэффициенты. Уравнение регрессии имеет вид:

z = a - bx - cy. (4.24)

Коэффициент a:

а = . (4.25)

(Z Xj) - n Z Xj

Коэффициент Ь:

Ь =

IХ1 Ху -Е х I у

(4.26)

(Е х) - п Е х/

Для того чтобы уравнение регрессии (4.24) выполнялось, коэффициент с будет выглядеть следующим образом:

с =

Уг

(4.27)

(Х — хо )(Х — х1(Х — Х-1)(Х — Х+1(Х — хп ) Линейная аппроксимация всех полученных в массиве точек можно показать следующим эмпирическим уравнением:

г = 1,41 -0,0005 • гСЯ4 -0,5 • V, где гся - объемная доля метана в биогазе, V - объем биогаза, м3.

(4.28)

Данное уравнение (4.28) позволяет теоретически определить коэффициент сжимаемости биогаза для разных составов.

Согласно полученному уравнению (4.28), график линейной аппроксимации коэффициента сжимаемости выглядит следующим образом (рисунок 4.17):

Рисунок 4.17 - График зависимости экспериментальных и теоретических

результатов

По результатам исследований установили, что в выше приведенных условиях критический коэффициент сжатия биогаза при соотношении метана к углекислому газу 90:10 равен 0,75 по экспериментальным данным, 0,74, по эмпирическому уравнению и 0,7 по результатам теоретического расчета.

Согласно ГОСТ 30319.2-96 «Газ природный. Методы расчета физических свойств. Определение коэффициента сжимаемости», рекомендованный предел коэффициента сжимаемости метана 0,9844 при температуре 293 К и давлении до 25 МПа [62]. Из графика видно, что с уменьшением соотношения углекислоты в биогазе коэффициент сжимаемости (ось у) стремится к значению, равному коэффициенту сжимаемости метана.

Для анализа и сопоставления точности полученных коэффициентов сжимаемости путем цикла экспериментов с использованием биогазовой смеси разного состава, проведено сравнение с теоретическими значениями, выявленными с использованием уравнения аппроксимации. Всего использовано 8 разных составов биогаза, в каждом из которых определялись объем биогазовой смеси и давление при Т = Т0 = 293 К [112]. Результаты приведены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 - Экспериментальные значения коэффициентов сжимаемости для

разных составов биогаза

Коэффициент сжимаемости для разного состава биогаза

55 60 65 70 75 80 85 90

Эксперимент 0,57 0,59 0,61 0,63 0,66 0,69 0,71 0,75

Теория 0,59 0,61 0,63 0,66 0,69 0,72 0,74 0,78

Результат по эмпирическому уравнению 0,567 0,584 0,615 0,64 0,663 0,696 0,715 0,74

Давление МПа 20

Температура, К 293

Верификация полученных теоретических и экспериментальных данных показывает полное соответствие (рисунок 4.18).

сжим., г

0,750 0,700 0,650

0,550 0,500

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

Содержание метана е биогазе, %

Рисунок 4.18 - Верификация коэффициента сжимаемости биогаза: — расчет, —

расчет по эмпирическому уравнению, — эксперимент

Коэффициент сжимаемости метана при температуре 293 К и давлении до 25 МПа равен 0,9844. Экспериментальная проверка эмпирического уравнения и уравнения Редлиха-Квонга в диапазоне, заданном в таблице 4.4, показала следующие значения максимальной погрешности: для эмпирического уравнения -0,19 %, Редлиха-Квонга - 4 %.

С целью верификации теоретических данных проведены экспериментальные исследования по определению объемов заправляемого биогаза при различных температурах наружней среды и давлениях в баллоне (рисунок 4.19).

V, гш1 24,00 22,00 20,00 16,00 16,00 14,00 12,00 10,00

-50 -45 -40 -55 -50 -25 -70 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 50 55 40 45 50

Тн, С"

Рисунок 4.19 - Объем заправляемого биогаза (разного состава биогаза) в зависимости от наружной температуры атмосферного воздуха:

— СН4 = 55, СО2 = 45, — СН4 = 70, СО2 = 30, — СН4 = 90, СО2 = 10

На основе полученных экспериментальных (приложение 17) и теоретических данных осуществлена верификация объема заправляемого биогаза в в зависимости от наружной температуры атмосферного воздуха (рисунок 4. 20).

Рисунок 4.20 - Верификация объема заправляемого биогаза при разных температурах воздуха окружающей среды: — — эксперимент, —— расчет — СН4 = 55, СО2 = 45, — СН4 = 70, СО2 = 30, — СН4 = 90, СО2 = 10

По результатам верификации теоретических и экспериментальных данных, установлено, что при снижении наружной температуры объем заправляемого биогаза в баллонах уменьшается, а при повышении температуры - увеличивается (приложение 17). Экспериментальная проверка теоретического исследования в

диапазоне, указанном в приложении 17, показала максимальную погрешность в 2 %.

Для верификации теоретических и экспериментальных данных состава биогаза проведено экспериментальное исследование для различных составов биогаза при разных наружных температурах наружного воздуха, а также исследованы зависимости от давления.

Выводы по главе

1. На основе экспериментальных данных получены зависимости для расчета показателя сгорания mvar и продолжительности сгорания фz И.И. Вибе для биогазовых СУ 4ГЧ9,4/9,55 и 4ГЧ11/12,5. Следует отметить, что при этом учитывается объемная доля СО2 в биогазе, что улучшает проведение теоретического расчета и повышает вероятность определения точных значений ^г и фz.

2. Выполнена верификация математической модели процесса сгорания в СУ, работающей на биогазовом топливе, позволяющая расчетным путем определить показатели мощности, экономичности и токсичности биогазовой СУ.

3. Исследование и анализ показателей мощности, экономичности и токсичности СУ, работающей на биогазовом топливе, позволили установить, что максимальная погрешность расчетного определения Жео с помощью модели составляет до 15 %, Жщх - до 14 %, Жен - до 12%. Средняя погрешность расчетного определения Жео составляет до 11 %, Жшх - до 11 %, Жен - до 8,5 %.

4. Верификация математической модели коэффициента сжимаемости биогаза для разного состава показала минимальное расхождение между теоретическим и экспериментальным исследованиями (показатели максимальной погрешности: для эмпирического уравнения - 0,19 %, Редлиха-Квонга - 4 %). Верификация теоретических и экспериментальных данных позволила установить, что при понижении наружной температуры объем заправляемого биогаза в баллонах уменьшается, а при повышении температуры - увеличивается. Экспериментальная проверка теоретического исследования показала максимальную погрешность 2 %.

ГЛАВА 5. ОБОСНОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ КОРРЕКТОРА РЕГУЛИРОВОЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ, РАБОТАЮЩИХ НА

БИОГАЗОВОМ ТОПЛИВЕ

5.1. Обоснование проблемы. Корректировка потерь мощности силовых установок мобильных энергетических средств, работающих на биогазовом

топливе

Для СУ, работающей на биогазе и эксплуатируемой в аграрном секторе, на первом месте стоит проблема снижения потерь мощности, возникающих при увеличении объемной доли СО2 в топливе, а также минимизация воздействия наружной температуры и снижения давления в баллонах по мере потребления.

На рисунке 5.1 показано влияние объемной доли СО2 в биогазе (гС02) на эффективную мощность силовой установки Ые при разных углах открытия дроссельной заслонки фдр. При этом а оставался неизменным (а « 1).

кВт 88

80' 72' 64' 56' 48 40' 32' 24 16' 8

фдр = 100 %

N0

х\ фдр = 100 %

10 20 30 40

50 гС02, %

Рисунок 5.1 - Влияние гС02 на Ые по экспериментальным скоростным характеристикам: силовой установки 4ГЧ11/12,5, работающей на биогазовом топливе; силовой установки 4ГЧ9,4/9,55, работающей на биогазовом топливе

0

Из рисунка 5.1 видно, что мощность силовой установки при увеличении гс02 снижается пропорционально увеличению последней величины, что вызвано снижением низшей теплоты сгорания топлива. Потери мощности, связанные с увеличением гс02, являются неприемлемыми.

Необходимо отметить, что при заправке мобильных энергетических средств биогазом, топливо поступает с положительной температурой (от 5 до 15 градусов), а в период окончательной дозаправки (с 180 до 200 атм) в процессе сжатия происходит дополнительное повышение температуры на 10-15 градусов. При данных температурах и давлении биогаз в баллонах имеет стабильный состав. По мере охлаждения биогаза в баллонах происходит разделение газа на легкие и тяжелые углеводороды, последние (углекислый газ СО2) выпадают в осадок - углекислый газ переходит в фазу жидкого состояния, а при температуре ниже -56,6 °С, газ превращается в сухой лед (рисунок 5.2). В данном состоянии в топливную систему мобильных энергетических средств поступает биогаз с наибольшим метановым числом. По мере потребления биогаза происходит снижение давления в баллонах, что приводит к изменению состояния биогаза -переход тяжелых углеводородов из жидкого состояния в газообразное, что в свою очередь приводит к изменению состава топлива и уменьшению метанового числа и, как следствие, к нестабильной работе СУ.

10,000'

1,000-

100:

73.8

ЮН

5.2

1 'В

Сухой лед Сверхкритическая Жидкость жидкость

................< 1 ...............^ Пар Г

пз

си х т. ш с;

пз 0.1

"=1 -100 -80^-60^-40 -20 0

20 31140 60

Температура, °С

Рисунок 5.2 - Фазовая диаграмма диоксида углерода

Для определения состава биогаза до и после заправки в различных температурных режимах и давлениях необходимо определить плотность биогаза для разных составов.

С этой целью проведена аппроксимация на основе экспериментальных данных. Результаты приведены в приложениях 18-26 (рисунок 5.3).

а) б)

Рисунок 5.3 - Плотность биогаза на основе экспериментальных данных в зависимости от следующих показателей: а) от давления в баллонах; б) от температуры

Для аппроксимации экспериментальных результатов были взяты значения Y (плотность биогаза) в зависимости от X1s Х2 (объемная доля метана (гся ) в

биогазе), X3 (давления в баллонах), X4 (наружная температура).

На основе таблицы численных значений X, Y и Z (приложения 18-26), с помощью языка программирования Python разработана программная модель для аппроксимации экспериментальных данных. Методом наименьших квадратов были получены коэффициенты. Уравнение регрессии имеет вид:

y = a - bx2 + cx3 - dx4.

Коэффициент a:

а

I xi I yi - n I xiyi

2 о

(I xt) - n I xt

(5.1)

(5.2)

Коэффициент Ь:

b = Z xi Z xiyi -Z x z y

(5.3)

2 о *

(X X) - л X X

Для того, чтобы уравнение регрессии (5.1) выполнялось, коэффициенты с и й должны определяться по следующим уравнениям:

с =

Уг

(Xi - XqxXi - xx )...(xi - xi-i)(xi - xi+1)...(xi - xn ) Определение коэффициента d осуществлялось по уравнению:

i=N

d = min Z d(ei, f (x, y)).

v i=i

(5.4)

(5.5)

Линейную аппроксимацию всех полученных в массиве точек можно

представить эмпирическим уравнением:

р = 1,13 - 0,845 • rCH +1-P- 0,49 • T.

(5.6)

Данное уравнение (5.6) позволяет теоретически выявить плотность биогаза для разных составов (рисунок 5.4).

а)

б)

Рисунок 5.4 - Плотность биогаза на основе полученного уравнения (5.6) в

зависимости от: а) давления в баллонах; б) температуры

Сопоставление полученных экспериментальных данных и значений, полученных с помощью эмпирического уравнения плотности биогаза с плотностью метана, показывает, что со снижением температуры и давления в баллоне образуется балласт - углекислый газ (ТО2). С помощью зависимости (5.6) при изменении давления (потреблении) и температуры биогаза можно автоматически вычислить состав для дальнейшего учета при корректировке СУ [134].

Для корректировки потерь мощности в данном случае предложено доработать систему управления СУ так, как показано на рисунках 5.7 и 5.8 [141]. Целью данных изменений являются увеличение подачи топлива по команде газового блока управления (ЭБУ) через газовые форсунки пропорционально увеличению гш2, а также корректировка угла опережения зажигания (УОЗ) в соответствии с данными изменениями.

I

1

Бензиновая ЭСУД

Свеча зажигания

Свеча зажигания

Свеча зажигания

Свеча зажигания

к

I

со Л Ч

Е? о

£

й

м и й м

й

М И й м

й

М И й м

й

М И й м

ЭБУ СУ (контроллер)

к к

£ к о

ё

«

и к

В

] ^ и и \

£ & Д РГ

а

Газовая ЭСУД

Я § § а

Газовый ЭБУ

Датчик температуры в баллоне

Датчик давления в баллоне

OBD-разъём газового ЭБУ

Датчик температуры топлива в редукторе

Датчик положения коленчатого вала

Вариатор коррекции УОЗ

OMVL

адаптер

2 1

ПК

! 1 а 1 ! т

USB

адаптер

Рисунок 5.7 - Структурная схема электронной системы управления силовой установки 4ГЧ9,4/9,55 с корректором регулировочных параметров

| Датчик

детонации

Датчик температуры воздуха

Датчик положения дросс. заслонки

Датчик расхода воздуха

Датчик температуры _в баллоне_

1_

Датчик давления в _баллоне_

Газовая ЭСУД

Свеча зажигания Свеча зажигания Свеча зажигания Свеча зажигания

к

ОЫУЬ адаптер ПК ШБ адаптер

Вариатор коррекции УОЗ

Рисунок 5.8 - Структурная схема электронной системы управления биогазовой силовой установки 4ГЧ11/12,5 с использованием корректора регулировочных

параметров

Расчет количества подаваемого топлива при этом предложено выполнять с помощью зависимости

1 - К

(5.7)

СО 2

где mц - цикловая подача топлива с учетом содержания СО2 в нем, г; тц0 - потребная цикловая подача чистого метана, г.

В таблице 5.1 показаны значения цикловой подачи топлива [72, 199] для силовой установки 4ГЧ9,4/9,55, работающей на биогазовом топливе.