Определение эксплуатационных показателей трактора "Беларус-922" при работе на смесевом топливе

В 2000–2010-е гг. происходит стремительное развитие стандартов, ограничивающих выбросы вредных веществ в атмосферу автотракторными двигателями. Каждые 3–4 года требования к составу отработавших газов ужесточаются. В настоящее время российские, белорусские и европейские производители двигателей руководствуются нормами выбросов, заложенными в стандартах Euro, Tier, Stage и ГОСТ [1]. Закрепленный этими нормативными документами уровень вы- бросов токсичных компонентов замеряется в ходе стендовых испытаний двигателей в строго определенных режимах и условиях окружающей среды [2].

Такой подход к анализу уровня экологических показателей двигателей не позволяет всесторонне оценить действительный объем выбросов токсичных веществ в атмосферу. Поскольку токсичные компоненты оказывают вредное воздействие на здоровье человека и на изменения климата, измерение реального уровня выбросов вредных веществ в атмосферу, производимых двигателями внутреннего сгорания в условиях эксплуатации, является крайне важным [3].

Мониторинг экологических показателей двигателей тяжелых грузовиков во время их эксплуатации начал проводиться после введения стандарта EURO-6 в 2013 г. Согласно данному стандарту, экологические показатели транспортного средства, которое введено в эксплуатацию, должны замеряться периодически в течение жизненного цикла машины с использованием портативной системы анализа токсичных компонентов отработавших газов (ПСАТОГ) [4].

В Европейском Союзе начиная с 2017 г. легковые автомобили, также в течение жизненного цикла, проходят тесты, целью которых является измерение уровня выбросов в реальных условиях эксплуатации. Для внедорожной техники возможно применение метода, используемого при испытаниях тяжелых грузовиков. В то же время вследствие большого разнообразия внедорожной техники и условий ее эксплуатации требуется совершенствование имеющихся методик. С целью распространения ПСАТОГ была запущена пилотная программа1, цель которой – контроль

MORDOVIA UNIVERSITY BULLETIN 1^1 уровня выбросов токсичных компонентов внедорожной техникой. Ожидается, что в 2019 г. использование ПСАТОГ для внедорожной техники будет законодательно закреплено на территории ЕС. Соответственно, через некоторое время использование данных систем станет обязательным и на территории Таможенного Союза².

Несмотря на отсутствие законодательной базы, которая регламентировала бы использование ПСАТОГ для внедорожной техники, в этой области ведутся активные исследования с использованием различного оборудования и методов оценки3 [2; 4].

Обзор литературы

В проведенных исследованиях при использовании альтернативного топлива на экскаваторе с дизельным двигателем средние выбросы токсичных компонентов ( NO_x и CO ) колебались в пределах от 0,04 до 5,7, от 12,6 до 81,8 и от 7,9 до 285,7 г/кг топлива соответственно. Массовые выбросы С при работе экскаватора сократились на 20 % [5].

В Федеральном университете Святой Марии на динамометрическом стенде были проведены испытания двух двигателей сельскохозяйственного назначения при использовании дизельного топлива (ДТ) и этанола на частотах 1 200–2 300 мин-1. В результате были получены данные, свидетельствующие об уменьшении мощности двигателя и увеличении удельного расхода топлива при работе на этаноле [6].

Анализ работы дизельного двигателя сельскохозяйственного трактора с использованием ДТ S500 (B5) и смеси с 3 % (ED3), 6 % (ED6), 9 % (ED9), 12 % (ED12) и 15 % (ED15) этанола показал, что при использовании В5 и ED3 значения крутящего момента и мощности двигателя не отличались; при исполь- зовании ED3 расход топлива был ниже на 5,92 %. При использовании ED12 мощность уменьшилась на 2,97 % по сравнению с B5, расход топлива не изменился. На ED15 мощность снизилась на 6,3 %, а расход топлива возрос на 3,77 %, как и на B5. С увеличением содержания этанола в В5 произошло снижение запаса скорости и индекса эластичности двигателя, а значение крутящего момента двигателя стало выше [7].

При испытании трактора на растительном масле (РМ) при частоте вращения коленчатого вала двигателя в диапазоне 2 400–1 100 мин‒1 были получены данные, свидетельствующие об уменьшении значения крутящего момента на 4,21–14,48 %, и об увеличении среднего коэффициента дымности [8].

Использование смеси ДТ и рапсового масла на одноцилиндровом дизельном двигателе при частоте вращения коленчатого вала (КВ) 1 500 мин^‒1 с холодной и горячей рециркуляцией выхлопных газов показало снижение NO_x на 20 % [9].

Применение касторового масла с его содержанием в смеси 5 %, 25 %, 50 % биодизеля (B50) и 100 % биодизеля (B100) в качестве топлива для трактора сельскохозяйственного назначения показало увеличение удельного расхода топлива [10].

Исследования на тракторе Zetor Forterra 8641 с применением 100 % метилового эфира РМ и 100 % гидрогенизированного масла показали, что рабочие параметры двигателя существенно не изменились при использовании данных видов топлива [11]; использование бутанола на том же тракторе с содержанием его в смеси с ДТ 10, 30 и 50 % [12] способствовало увеличению расхода топлива.

Использование топливной смеси, состоящей из 50 % РМ и 50 % спирта,

Том 28, № 3. 2018 привело к снижению общего количество выбросов токсичных компонентов по сравнению с обычным дизелем [13].

Использование чистого биодизельного топлива марки В100 в тракторном двигателе, установленном на стенде, способствовало снижению мощности и крутящего момента на 9 % и 7 % соответственно, а также увеличению удельного расхода топлива на 13 % [14].

Экспериментальные исследования на тракторе КЛААС Арес 557ATX, целью которых было определение мощности двигателя, крутящего момента, расхода топлива и токсичности отработавших газов на двух различных видах топлива (гидрированных растительных маслах и ДТ), показали уменьшение средней эффективной мощности и крутящего момента на 5,0 % по сравнению с работой на ДТ. Часовой расход топлива уменьшился приблизительно на 1 % по сравнению с работой на ДТ, а удельный расход топлива увеличился в среднем на 4,1 %. Снижение NO_x составило 11,8 %, снижение CO и CO ₂ – 14,5 и 5,2 % соот-ветственно⁴.

Исследование влияния биодизельного топлива на показатели работы и состав выхлопных газов 4-цилиндрового дизельного двигателя мощностью 48 кВт показало увеличение мощности двигателя, удельного расхода топлива и тепловой эффективности, а также снижение выбросов и температуры выхлопных газов [15].

Использование биодизельного топлива из микроводорослей Chlorella protothecoides (ГЦН-В20) на сельскохозяйственном тракторном двигателе мощностью 25,8 кВт показало, что существенной разницы между показателями производительности двигателя нет, но в то же время значительно снижается уровень выбросов CO и CO ₂ [16].

Применение отходов растительного масла (ВТО) на 3-цилиндровом 4-такт- ном тракторном двигателе мощностью 48 кВт способствовало уменьшению крутящего момента на 0,09–3,00 % в зависимости от цикла [8].

По сравнению с нефтяным дизельным топливом использование масла сои (В100) и оливкового масла (В100) привело к снижению мощности, крутящего момента, а также удельного и часового расхода топлива дизелем [17].

Исследования характеристик тракторного двигателя на смесевом топливе (СТ) CSO-B20 показали, что выбросы, температура выхлопных газов и термический КПД снизились, но увеличился удельный расход СТ [18].

Влияние биодизельного топлива, произведенного из отходов растительного масла (ВТО) и его смесей с ДТ, на работу тракторного двигателя заключается в изменении крутящего момента и мощности, удельного расхода топлива, термического КПД, а также выбросов NO_x и твердых частиц (ТЧ) [19].

Измерение параметров двигателя сельскохозяйственного трактора мощностью 53 кВт, работающего на топливных смесях В5, В20, В40, В60, В80 и В100, показало, что с повышением уровня биодизеля в смеси наблюдается увеличение расхода топлива, снижение энергопотребления и повышение тепловой эффективности двигателя [20].

Б. Гокалп и соавт. в своей работе исследуют свойства соевого метилового эфира (МСП) и его сочетания с ДТ в смеси в объемах 5 %, 20 % и 50 %. Полученные учеными результаты свидетельствуют о том, что использование биодизельного топлива приводит к снижению дымности до 74 %, удельного расхода топлива до 12 % и выбросов CO при использовании В5 и В100 до 3 % и 52 % соответственно [21].

Анализ влияния ДТ (B0) и трех различных смесей биодизельного топлива на основе РМ (В10, В20, В30) на эксплуатационные характеристики трактора показывает, что расход топлива снижается на 2–4 % [22].

Исследование производительности дизельного двигателя трактора ВАЛМЕТ 85 мощностью 58,2 кВт, работающего на минеральном дизельном и смесевом минеральном биодизельном топливе Б2 (98 % минерального ДТ и 2 % биодизеля), В5 (95 % минерального ДТ и 5 % биодизеля), В20 (80 % минерального ДТ и 20 % биодизеля), и В100 (100 % биодизеля), свидетельствует об увеличении термического КПД [23].

К. Нил, Д. Джонсон и Дж. Уордлоу сравнили мощность, топливную экономичность и выбросы NO_x при эксплуатации трактора мощностью 23,9 кВт на СТ, состоящем из 20 % биодизеля (В20) и 80 % ДТ, с аналогичными параметрами при использовании СТ (В100) в двух нагрузочных режимах работы. Отмечено, что крутящий момент и мощность во втором случае снизились [24].

Сравнительные экспериментальные исследования эффективности использования топлива и оценка выбросов выхлопных газов среди различных смесей биодизельного топлива для различных полевых операций в производстве сельскохозяйственных культур, таких как посев сои с использованием трехметровой сеялки, свидетельствуют о снижении массовой эмиссии NO_x в атмосферу [25].

Использование метилового эфира РМ (биодизель) и обычного ДТ, а также смеси из них, на двух сельскохозяйственных тракторах показывает линейные уменьшения выбросов вредных веществ в зависимости от уровня смеси [26].

Материалы и методы

Для проведения исследований на трактор «Беларус-922» с дизельным двигателем марки Д-245.5 были установлены приборы и оборудование, общий вид и перечень которых представлен на рис. 1 и в табл. 1.

Исследования проводились на опытном поле УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия».

Р и с. 1. Общий вид трактора с установленным оборудованием: 1 – трактор «Беларус-922»;

2 – дымомер; 3 – газоанализатор; 4 – объемный датчик расхода дизельного топлива; 5 – тахометр F i g. 1. General view of the tractor with installed equipment: 1 – Belarus 922 tractor; 2 – opacimeter;

3 – gas analyzer; 4 – volumetric sensor of diesel fuel consumption; 5 – tachometer

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Приборы и оборудование в составе экспериментальной установки Devices and equipment as a part of experimental installation

Измеряемый параметр / Measured parameter	Наименование прибора или оборудования / The name of the device or equipment	Марка прибора / Device model	Класс точности (погрешность) / Accuracy class (deviation)
Дымность отработавших газов / Opacity of exhaust gases	Дымомер / Opacimeter	MDO 2 LON	1,5 %
Токсичность отработавших газов / Toxicity of exhaust gases	Газоанализатор / Gas analyzer	MGT 5	±
Расход топлива / Fuel consumption	Объемный датчик расхода дизельного топлива / Volumetric sensor of diesel fuel consumption	ДРТ-5 с терминалом СКРТ 31 / DRT-5 with SKRT 31 terminal	±
Частота вращения коленчатого вала / The frequency of rotation of the crankshaft	Тахометр / Tachometer	AVL DISpeed 492	±

Работа трактора в промышленных условиях исследовалась при выполнении двух сельскохозяйственных операций: вспашки и предпосевной обработки почвы. При выполнении вспашки в состав машинотракторного агрегата (МТА) входили трактор «Беларус-922» 450

и трехкорпусный плуг ПЛН-3-3,5, а при выполнении предпосевной обработки почвы – трактор «Беларус-922» и комбинированный агрегат АКШ-3,6-01.

Испытания трактора с плугом ПЛН-3-35 проводились в следующих полевых условиях: уклон поля – менее

Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

0,3о; влажность почвы – 17,3 %; твердость почвы – 199,7 Н/см2; предшествующая обработка – стерня. Испытания с агрегатом АКШ-3,6-01 проводились после вспашки на этом же участке поля, но при более высокой влажности почвы – 18,8 %5–6 (рис. 2).

Перед началом испытаний трактор был укомплектован в соответствии с требованиями завода-изготовителя; было установлено требуемое давление в шинах, проверена высота почвозаце-пов, трактор был прогрет под нагрузкой в течение 30 мин. ДТ и смазочные материалы, применяемые в тракторе при испытаниях, соответствовали эксплуатационной документации на трактор7–9.

При проведении испытаний трактора с плугом ПЛН-3-35 и агрегатом АКШ-3,6-01 устанавливались скорости движения, соответствующие агротехническим требованиям10. Для этого поддерживалась постоянная частота вращения коленчатого вала дизеля на уровне 1 800 мин‒1 при вспашке и 1 700 мин‒1 при работе с агрегатом АКШ-3,6-01. Вспашка проводилась на 3 передаче 1 диапазона, а работа с агрегатом АКШ-3,6-01 – на 2 передаче 1 диапазона с включенным мультипликатором. Все испытания проводились в пятикратной повторности опытов.

Для определения реальной скорости трактора был размечен зачетный

Р и с. 2. Трактор «Беларус-922» с комбинированным агрегатом АКШ-3,6-01

F i g. 2. Belarus 922 tractor with AKSh-3,6-01 aggregate combined tillage

участок длиной 200 м; фиксировалось время движения трактора при прохождении этого участка.

Средняя скорость трактора рассчитывалась по формуле11:

S, (1) ñð t где S – длина зачетного участка, км; t – время одной повторности опыта, ч.

Частота вращения КВ трактора измерялась и контролировалась тахометром AVL DISpeed 492. Дымность и токсичность ОГ замерялись во время движения и фиксировались в протоколе при помощи дымомера MDO-2 LON и газоанализатора MGT-5 соответственно. Расходы ДТ и СТ измерялись расходомером ДРТ-5 с терминалом СКРТ 31.

Согласно техническим характеристикам, часовая производительность МТА с плугом ПЛН-3-35 при скорости движения V_р = 8,7 км/ч составляет 0,94 га/ч, а ^р производительность МТА с АКШ-3,6-01 при V_р = 9,6 км/ч – 2,61 га/ч^12–13. Методика проведения эксперимента не предусматривала замеры на холостых поворотах и во время остановок с работающим двигателем, поэтому расчет погектарного расхода топлива проводился по следующей формуле:

G.-Gm, , (2)

где G' m - погектарный расход топлива, кг/га; G_т – часовой расход топлива, кг/ч; W_ч – часовая производительность трактора, га/ч.

Для расчета погектарных выбросов токсичных компонентов использовались аналогичные формулы:

EC : = EC., (3) W÷ Е' NOx NOx = W, ' (4) Е ‘ ^со _ Есо = W4 ’ (5) где Е'с, E'nOx, Ec0 - погектарные выбросы С, NOx и СО, г/га; ЕС, ЕNO, ЕСO – часовые выбросы С, NOx и СО, г/ч.

Во время проведения экспериментальных исследований осуществлялась одновременная запись всех контролируемых параметров, что позволило повысить объективность данных. Величина предельных ошибок при однократных измерениях и наибольшая возможная статистическая ошибка среднего арифметического отклонения при многократных номерах величин определялись по известным методикам14.

Результаты исследования

В табл. 2 представлены количественные значения эксплуатационных показателей трактора при работе на ДТ и СТ, состоящем из 60 % ДТ и 40 % РМ.

Проведенный анализ полученных данных свидетельствует о том, что часовой расход топлива при работе трактора на вспашке на СТ, состоящем из 60 % ДТ и 40 % РМ, увеличился на 5,74 % по сравнению с работой на чистом ДТ; на предпосевной обработке почвы это увеличение составило 5,57 %. Выбросы токсичных компонентов при работе с ПЛН-3-35 и с АКШ-3,6-01 снизились при работе трактора на СТ на 59,8 % и 61 % соответственно. Также при работе с АКШ наблюдалось снижение выбросов СО на 33,1 %, однако в обоих случаях при работе на СТ возросли выбросы NO_x . На вспашке это увеличение

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

Количественные значения эксплуатационных показателей трактора «Беларус-922» The quantitative values of operational parameters of Belarus-922 tractor

Сельскохозяйственная машина / Agricultural machinery Состав топлива / Fuel composition Частота вращения коленчатого вала двигателя трактора n, мин–1/ Engine crankshaft rotational speed n, rpm Часовой расход топлива Gт, кг/ч / Hour fuel consumption Gт, kg/h Часовой выброс сажи ЕС, г/ч / Hour discharge of soot ЕС, g/h Часовой выброс оксидов азота ЕNOx, г/ч / Hour emission of nitrogen oxides ЕNOx, g/h Часовой выброс монооксида углерода / Hour release of carbon monoxide ЕСO, г/ч Средняя скорость трактора V , км/ч / Average speed of the tractor Vср, km/h ПЛН-3-35 / PLN-3-35 ДТ / Diesel fuel 1 800 11,15 10,53 323,8 128,7 8,781 60 % ДТ + 40 % РМ / 60 % Diesel fuel + 40 % Rapeseed oil 1 800 11,79 6,59 350,8 128,9 8,776 АКШ-3,6- 01 / AKSH-3,6-01 ДТ / Diesel fuel 1 700 12,02 17,01 360,12 158,43 9,614 60 % ДТ + 40 % РМ / 60 % Diesel fuel + 40 % Rapeseed oil 1 700 12,69 10,56 394,2 119,02 9,609 составило 8,3 %, а на предпосевной обработке почвы – 9,5 %.

В табл. 3 представлены количественные данные удельных эксплуатационных показателей работы трактора при выполнении разных сельскохозяйственных операций.

Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы. Погектарный расход топлива при ра-

Т а б л и ц а 3

T a b l e 3

Удельные эксплуатационные показатели работы трактора «Беларус-922» The specific operational characteristics of Belarus 922 tractor

Сельскохозяйственная машина / Agricultural machinery Состав топлива / Fuel composition Погектарный расход топлива, кг/га / Per-hectare fuel consumption Gò′, kg/ha Погектарный выброс сажи, г/га / Per-hectare carbon black emission E'c, g/ha Погектарный выброс оксидов азота, г/га / Per-hectare emissions of nitrogen oxides ÅN′ Ox, g/ha Погектарный выброс монооксида углерода, г/га / Per-hectare emissions of carbon monoxide Ec 0, g/ha ПЛН-3-35/ PLN-3-35 ДТ / Diesel fuel 11,86 11,2 344,4 136,9 60 % ДТ + 40 % РМ / Diesel fuel + 40 % Rapeseed oil 12,54 8,04 373,2 137,1 АКШ-3,6-01/ AKSH-3,6-01 ДТ / Diesel fuel 4,61 6,52 137,9 60,7 60 % ДТ + 40 % РМ / Diesel fuel + 40 % Rapeseed oil 4,86 4,04 151 45,6 боте трактора на СТ, состоящем из 60 % ДТ и 40 % РМ, по сравнению с 100 % ДТ увеличился как при работе с плугом ‒ с 11,86 до 12,54 кг/га, так и при работе с АКШ-3,6-01 – с 4,61 до 4,86 кг/га. Выбросы С снизились с 11,2 до 8,04 г/га на вспашке и с 6,52 до 4,04 г/га на предпосевной обработке почвы. Выбросы NOx при работе трактора как на вспашке, так и на предпосевной обработке почвы увеличились с 344,4 до 373,2 г/га и с 137,9 до 151 г/га соответственно. Выбросы СО при выполнении вспашки незначительно увеличились – с 136,9 до 137,1 г/га, а при выполнении предпосевной обработки почвы снизились с 60,7 до 45,6 г/га. Увеличение погектарного расхода СТ трактора при выполнении рассматриваемых сельскохозяйственных операций свидетельствует о том, что исследуемое топливо имеет меньшую удельную теплоту сгорания по сравнению с чистым ДТ. Снижение выбросов С обусловлено меньшим по массе количеством атомов углерода, содержащегося в молекулах СТ, по сравнению с 100 % ДТ. Большее количество выбросов NOx объясняется наличием в СТ атомов оксигенатной добавки в виде РМ. При выполнении вспашки трактор эксплуатируется с большей нагрузкой, следовательно, двигатель работает при меньших зна-

Том 28, № 3. 2018

чениях коэффициента избытка воздуха смеси, что приводит к некоторому увеличению выбросов СО (в отличие от предпосевной обработки почвы), по сравнению с чистым ДТ.

Обсуждение и заключения

• 1.    В результате исследования впервые были получены количественные значения эксплуатационных показателей трактора «Беларус-922» при его работе на СТ во время выполнения вспашки и предпосевной обработки почвы.

• 2.    Определены зависимости влияния СТ на эксплуатационные показатели трактора при выполнении агротехнических операций.

• 3.    Исследованиями доказано, что применение СТ в полевых условиях позволило однозначно снизить выбросы сажи и – при определенных условиях – монооксида углерода.

• 4.    Полученные результаты доказывают целесообразность дальнейшего применения СТ в качестве моторного топлива с целью улучшения эксплуатационных показателей при выполнении сельскохозяйственных операций.

• 5.    Полученные данные свидетельствуют о возможности использования СТ в качестве топлива для тракторов разных марок и тяговых классов, а также для выполнения других агротехнических операций.

454 Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Поступила 15.03.2018; принята к публикации 14.05.2018; опубликована онлайн 20.09.2018

Об авторах:

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.