1. ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ МАШИН И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ВНЕСЕНИЯ (в том числе дифференцированного внесения) ЖИДКИХ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ И ЯДОХИМИКАТОВ

1.1 Существующие способы внесения жидких удобрений

Защита растений является одним из дорогостоящих и обязательных мероприятий, связанных с производством продукции растениеводства. Поэтому, для высоких показателей урожайности важно правильно выбрать опрыскиватель и способ дифференцированного внесения или не дифференцированного внесения удобрений.

Не смотря на технический прогресс и большой выбор, в настоящее время, сельскохозяйственной техники, встречаются хозяйства которые вручную опрыскивают свои угодья. В данном случае, преимущественно используются опрыскиватели ранцевого типа, которые представлены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 Ручное опрыскивание

Ранцевые опрыскиватели делятся на два типа: механические и с источником питания. Дальность радиуса опрыскивания механических опрыскивателей составляет 0,5…2 м, в то время как у моторных до 12 м. Данный вид опрыскивания подходит для обработки небольших территорий до 1 га (садовые участки, теплицы).

Из всех явных недостатков ручного опрыскивания, отметим самые значительные:

— трудоемкость процесса;

— ограниченность возможностями человека;

— непосредственный контакт химикатов и рабочего при опрыскивании.

Следующим типом опрыскивателей, исключающим вышеперечисленные недостатки и рассчитанные на обработку больших территорий являются опрыскиватели сельскохозяйственного назначения, которые подразделяются на навесные далее, прицепные и самоходные [10]. По типу распределительного устройства – на вентиляторные, штанговые и штангово-вентиляторные (комбинированные), а по степени дисперсности распыления и нормам внесения сельхозхимии на единицу обрабатываемой площади – на полнообъемные, малообъемные и ультрамалообъемные опрыскиватели.

Опрыскиватели навесного типа идеально подходят для эксплуатации в маленьких фермерских хозяйствах, где площади сельскохозяйственных полей не превышают 1000 га. Данный тип опрыскивателей представлен на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 Навесной опрыскиватель

Крепление навесного опрыскивателя осуществляется на специальную навеску в тракторе. Он состоит из небольшого по объёму бака, вмещающего в себя от 600 до 800 литров жидкости. Штанги агрегата характеризуются шириной рабочего размаха в пределах 12…18 м.

Главным достоинством  опрыскивателей навесного типа является их стоимость. Навесные опрыскиватели характеризуются прекрасной манёвренностью, их можно эксплуатировать в комплекте с тракторами отечественного изготовления. Но есть у такого оборудования и недостаток – его производительность недостаточно высока.

Более крупные земледельцы, имеющие до 4000 га зерновых или пропашных и до 500 га овощных, могут задуматься об агрегатах с объемом бака 3000…4000 л. Как правило, это прицепные опрыскиватели (рисунок 1.3). Прицепной опрыскиватель в сельскохозяйственной отрасли считается самым популярным видом техники для обработки почвы. Размах его навесных штанг составляет около 24…36 м.

Рисунок 1.3 Прицепной опрыскиватель

Отличная производительность в совокупности с возможностями обработки полей большой площади без дозаправки резервуара является главным преимуществом опрыскивателей прицепного типа. Есть у такой техники и свои недостатки. Например, если происходит обработка высокорослой растительности, то есть большой риск их повреждения во время прохода техники по полю. Связано это с маленьким клиренсом трактора. Так же, существенным недостатком прицепных опрыскивателей является низкая маневренность [6].

Крупным производителям продукции растениеводства, располагающим площадями свыше 4000 га посевов, рекомендуется обратить внимание на машины, в бак которых помещается 3600 л и даже 12000 л. С такими параметрами выпускаются уже не только прицепные, но и самоходные опрыскиватели (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 Самоходный опрыскиватель

Самоходные модели опрыскивателей появились на рынке сельхозтехники не так давно, однако уже смогли завоевать популярность. В их основе лежит полностью автономная система, разработанная для опрыскивания культурных растений. Этот вид техники обладает высокой производительностью, клиренсом до 1.5 м. Преимущества — это отсутствие необходимости в установке и демонтаже элементов устройства, а также – высокая степень манёвренности [22].

Важным этапом подготовки опрыскивателей к работе является выбор требуемого типа распылителей, правильная их установка на штанге и проверка качества работы. От этого в решающей степени зависят результаты использования пестицидов.

В состав системы распыла входят и отсечные устройства, предназначенные для предотвращения выливания рабочей жидкости из гидрокоммуникаций опрыскивателя после отключения давления, а также для крепления и пространственной ориентации распылителей.

На штанговых опрыскивателях широко применяются гидравлические распылители различных типов (рисунок 1.5): щелевые, дефлекторные, центробежные (вихревые) и центробежно-струйные. Эти распылители имеют ряд преимуществ, среди которых основными являются простота в устройстве и эксплуатации, надежность в работе.

В процессе распыления за счёт давления поток жидкости дробится на капли. Из-за сужения соплового канала внутри распылителя жидкость ускоряется. При выходе из сопла распылителя давление падает и жидкость распространяется в заданном геометрией сопла направлении. При этом вначале образуется гладкая плёнка, которая под воздействием воздушной среды становится неустойчивой и волнистой. В итоге она распадается на нити. Нити, в свою очередь, распадаются на капли различной величины, которые и формируют факел распыленной жидкости [12].

Щелевые распылители (рисунок 1.5, а) представляют собой насадок со щелевидным соплом (или несколькими соплами). Распределение жидкости в пределах факела распыла близко к треугольному, что обеспечивает высокую равномерность распределения жидкости при перекрытии факелов распылителей, установленных на штанге опрыскивателя.

Размеры капель, образуемых щелевыми распылителями, зависят от размера сопла, угла при вершине факела и давления жидкости в системе нагнетания опрыскивателя.

Распылители изготавливаются из специального химически стойкого пластика, относящегося к классу полиоксиметиленов. Износостойкость этого материала уступает только керамике, превосходя нержавеющую сталь в два раза, а латунь — более чем в 30 раз.

В зависимости от размера выходного отверстия и создаваемого рабочего давления щелевые распылители могут обеспечивать мелко- или крупнокапельный распыл жидкости. Меньший размер отверстия и большее давление позволяют получить повышенную дисперсность дробления жидкости. Щелевые распылители обычно имеют равномерную эпюру распределения жидкости по ширине факела распыла, что в свою очередь способствует получению равномерного распределения пестицидов по всей ширине захвата штанги. Они способны качественно вносить растворы любых типов пестицидов []23.

Борьба с наличием склонных к испарению мелких капель в факеле распыла щелевых распылителей привела к созданию двух их разновидностей, несколько улучшивших качество дробления жидкости.

Раствор

Корпус распылителя

Сердцевина

Сопло

а

г

д

Фильтр

Прокладка

Диск

Сердечник

Байонентная гайка

е

ж

в

б

Дополнительная шайба

Рисунок 1.5 Основные типы распылителей и эпюры распределения

жидкости: а – щелевой; б – с дополнительной шайбой; в –инжекторный;

г – дефлекторный; д, е – вихревой (центробежный) с полым конусом распыла; ж – вихревой (центробежный) со сплошным конусом распыла

Достаточно простым решением (рисунок 1.5, б) является установка в щелевой распылитель дополнительной шайбы с отверстием, ось которого совпадает с осью сопла распылителя. Производительность распылителя определяется диаметром отверстия в шайбе, что позволяет увеличить площадь проходного сечения сопла. Поток жидкости перед выходом из сопла значительно более турбулизирован, чем в обычном распылителе, что предотвращает образование жидкостной пленки на выходе из сопла. В результате, по данным фирм-разработчиков, относительное количество мелких капель в факеле распыла снижается до 4 – 5 %, что значительно меньше, чем при работе обычного распылителя. Распылители этого типа рекомендуется использовать при скорости ветра до 8 м/с.

Более эффективным (и сложным) решением является инжекция воздуха в распылитель (рисунок 1.5, в) с образованием на выходе из сопла низкократной пены. Преимущества данного типа распылителей заключаются в следующем:

— снижается снос рабочей жидкости ветром из-за значительного уменьшения количества мелких капель в факеле распыла;

— увеличивается степень покрытия растений при неизменном расходе жидкости на единицу площади;

— увеличивается производительность опрыскивателя в результате снижения нормы внесения рабочей жидкости (примерно в два раза);

— обеспечивается лучшее проникновение в растительный покров при увеличении скорости падения и размеров капель;

— отсутствуют потери пестицида из-за скатывания крупных капель с поверхности листьев растений, так как их удельный вес значительно ниже, чем у обычных капель;

— существует возможность эксплуатации распылителей в более широком диапазоне давлений: 0,3…2,0 МПа без проблем, связанных с образованием мелких капель.

Недостатком инжекторных распылителей является сложность конструкции.

Для более грубого распыла пестицидов и внесения жидких минеральных удобрений могут использоваться дефлекторные распылители (рисунок 1.5, г). При их работе через подводящее отверстие (диаметром 1,6; 2,0 или 4,0 мм) подается струя жидкости, которая ударяется в отражательную поверхность и сходит с нее в виде тонкой пленки. Пленка жидкости на небольшом расстоянии от распылителя распадается на капли диаметром 250…400 мкм, обеспечивая плоский факел распыла с углом до 135…140⁰. Эпюра распределения жидкости по ширине факела имеет «всплески» по краям, поэтому для достижения равномерного внесения пестицидов необходима тщательная регулировка высоты установки штанги над обрабатываемой поверхностью.

Вихревой (центробежный) тип распылителя с полым конусом распыла имеет два вида конструкции: первый – в корпусе имеет шайбу с калиброванным отверстием и завихритель (рисунок 1.5, д); второй – раздельные диск и сердечник (рисунок 1.5, е). У полевых экономичных распылителей диаметр выходного отверстия 1,25 мм и шаг резьбы завихрителя – 3 мм. Распылители данного типа обеспечивают конусный распыл без капель посредине. Эпюра вихревого распылителя представляет «двухвершинное» распределение жидкости по ширине захвата и повышает общую неравномерность внесения пестицидов.

Варианты центробежных распылителей (центробежно-дисковых, струйных) со сплошным конусом распыла обеспечивают выход жидкости в виде заполненного конуса с равномерным распределением по ширине факела (рисунок 1.5, ж). Однако устройство подобных распылителей более сложно, они склонны к забиванию и находят ограниченное применение [29].

Конструкции современных распылителей постоянно совершенствуются. Одним из перспективных направлений является использование двущелевых распылителей. Совершенствование распылителей часто направлено на получение монодисперсного распыла с регулируемым размером образуемых капель.

Вентиляторный опрыскиватель предназначен для химической обработки полей, садов, промышленных складов, зернохранилищ и других территорий. Отлично подходит для краевых обработок полей: проведения работ по химзащите растений инсектицидами и фунгицидами [12].

Особенность данного вида опрыскивателя заключается в способе внесения химпрепарата на площадь. Мощный вихревой поток, генерируемый воздушным винтом, подхватывает химпрепарат, распыляемый форсунками и переносит на расстояние до 200 метров, пробивая лесополосы, плотные заросли подсолнечника или кукурузы. Аэрозольный способ химобработки с большим успехом показал себя в садах и на полях, позволяя эффективно бороться с вредителями. Вентиляторный опрыскиватель представлен на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 Вентиляторный опрыскиватель

Для защиты зерновых культур наиболее широко используется авиационное опрыскивание в борьбе с черепашкой (90% химических работ), хлебными жуками, гусеницами зерновой совки, хлебной жужелицей, саранчовыми, злаковыми мухами, тлями, гороховой зерновкой.

Особенно широко применяется авиационное малообъемное опрыскивание посевов концентрированными растворами, эмульсиями и суспензиями с небольшим расходом жидкости, чаще всего 25…50 л на 1 га. При сокращении расхода рабочей жидкости с 50 до 25 л на 1 га часовая производительность самолета повышается на 30%, а себестоимость опрыскивания снижается на 15…30%, Основной объем авиационно-химических работ выполняет самолет Ан-2. В борьбе с вредителями зерновых культур, сахарной свеклы и картофеля он опрыскивает в день 318…649 га, а за сезон 6000…7000 га.

Внутри фюзеляжа самолета Ан-2 устанавливается бак емкостью 1400 л. Трубчатые штанги с 80 распылителями, размещенные под нижним крылом самолета, присоединены к нагнетательным трубам насоса. Восьмилопастный ветряк работает от встречной струи воздуха и приводит в действие насос, в результате жидкость под давлением направляется из бака к распылителям. Перемешивание жидкости в баке осуществляется гидравлической мешалкой.

Самолет загружается жидкостью через заправочную трубу с эжектором или через верхние загрузочные люки бака. Скорость полета Ан-2 при опрыскивании посевов 155…160 км/ч, а вертолетов 20…80 км/ч. Производительность летательных машин зависит от нормы расхода жидкости, ширины захвата, размера участка и его удаленности от аэродрома. Так, при борьбе с черепашкой (расход жидкости 25 л на 1 га, ширина захвата 30 м) производительность самолета Ан-2 достигает 120 га/ч.

Самолет Ан-2М (модернизированный) оснащен новым оборудованием, емкость бака 1960 л. Кабина отделена от грузового помещения, что защищает пилота от контакта с ядохимикатами. Насос опрыскивателя приводится во вращение с помощью коробки отбора мощности от двигателя самолета. Штанга увеличена до 21 м, ширина рабочего захвата при опрыскивании достигает 40 м. Бак заправляется жидкими химикатами при помощи специальной заправочной системы. Авиационное опрыскивание представлено на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 Авиационное опрыскивание

Кроме самолетов, успешно работают на защите растений вертолеты. Они могут базироваться на малых лётных площадках, набирать высоту, снижаться по крутой траектории и перемещаться в любом направлении. При мощном нисходящем потоке воздуха достигается хорошее покрытие химикатами листьев с верхней и нижней стороны.

Авиаопрыскивание проводится при слабом ветре рано утром, с восходом солнца, и продолжается до 9…10 часов; вечером опрыскивают посевы в течение 2…3 часов до захода солнца. Самолеты летают над посевами на высоте 5 м. Ширину рабочего захвата показывают пилоту сигнальщики с двухцветными рамочными флагами в руках.

Повышение производительности самолетов и вертолетов во многом зависит от организации загрузочных работ на аэродроме. Межхозяйственные аэродромы хорошо оборудованы, имеют твердое покрытие взлетно-посадочных полос, загрузка самолетов механизирована. Для текущего ремонта самолетов и вертолетов выделяется полевая мастерская. Приготовление рабочих растворов и загрузка авиаопрыскивателей проводятся при помощи высокопроизводительного агрегата.

Одним из главных преимуществ авиации является возможность вносить удобрения в ранневесенний период, когда наземная техника не может пройти по полю. Немаловажно и то, что самолет не вредит растениям, тогда как при наземной обработке уничтожается 6-8% посевов. Главным же недостатком воздушного метода считается дороговизна, которая связана с высокой стоимостью топлива, масел и запчастей.

Наряду с авиационным опрыскиванием, в последнее время наблюдается воздушное опрыскивание посредством беспилотных дронов (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 Воздушное опрыскивание посредством дрона

Опрыскивание с дронов может проводиться как минимум в двух форматах: «классическом авиационном», когда химикаты распыляются по всему полю, и «точечном», совмещенным, например, с предварительным осмотром посевов при помощи мультиспектральных камер.

Факторы, стимулирующие внедрение дронов для опрыскивания:

— беспилотники эффективны в районах со сложным рельефом, например, на фермах с крутыми склонами. В таких условиях эффективность ручного труда сокращается, к тому же, многие малые хозяйства не могут оплатить услуги традиционной пилотируемой авиации.

— БЛА отлично подходят для работы в условиях повышенной влажности — там, где использование наземной техники невозможно или затруднено.

— внедрение дронов обеспечивает отказ от ручного опрыскивания — сезонные рабочие не контактируют с опасными химикатами.

— дроны летают ниже, чем пилотируемые самолеты и вертолеты, что обеспечивает высокую точность опрыскивания, экономию химикатов и минимизацию вреда для окружающей среды.

— в развитых странах имеет смысл задействовать дроны, способные заменить пилотируемую авиацию или дорогостоящую наземную технику.

— дроны можно использовать для точечного опрыскивания сорняков гербицидами или полезных культур — пестицидами. Точечный подход, основанный на предварительном анализе цифровых изображений с камер робота, позволяет минимизировать расходы химии, снизить химическую нагрузку на почву, воду, культуру и, в конечном счете, на организм потребителей, добиваясь при этом более высоких результатов выращивания культуры, чем при традиционных подходах.

Факторы, сдерживающие распространение дронов для опрыскивания:

— несмотря на высокую автономность современных беспилотников, большинство из них до сих пор требуют наличия “группы поддержки”, состоящей из операторов, программистов и обслуживающего персонала — что, в свою очередь, негативно отражается на издержках потребителей.

— законодательство развитых стран должно быть приведено в соответствие с реалиями нового времени. Ряд существующих ограничений препятствуют внедрению БЛА, работе дронов за пределами прямой видимости оператора, полетам в автономном режиме и отдельным применениям агродронов.

Перспективы развития

— такие технологии, как удержание высоты и полосы опрыскивания постепенно становятся отраслевым стандартом.

— разработчики оптимизируют геометрию аппаратов — пропеллеры отдельных современных дронов порождают воздушные потоки, искажающие траектории движения капель распыляемых веществ. Управление потоками выпускаемой жидкости станет центральным вопросом, связанным с оптимизацией и разработкой агродронов.

— ожидается появление формализованных отраслевых стандартов.

— ожидается рост конкуренции со стороны наземных роботов с функциональностью химической обработки.

1.2 Робототехнические средства в растениеводстве

Мировой рынок сельскохозяйственных роботов находится в фазе активного роста. Применение сельскохозяйственных роботов направлено в первую очередь на повышение экологической безопасности продукции и увеличение урожайности продукции. Сельскохозяйственные роботы используются в каждом аспекте сельского хозяйства: полевые работы, доение, производство и сбор урожая, контроль состояния растений и животных. Сельскохозяйственный рынок роботов бурно развивается.

По экспертным прогнозам (рисунок 1.9), к 2020 г. рынок сельскохозяйственной робототизированой техники достиг $ 16,3 млрд. Это значительный рост для зарождающегося рынка, который в ближайшее время обеспечит выход на качественно новый уровень воспроизводственных процессов в сельском хозяйстве.

Рисунок 1.9 Прогноз развития рынка робототехнических

средств для сельского хозяйства

Рассмотрим наиболее перспективные компании, разрабатывающие роботов, способных осуществить эффективные мероприятия по защите растений.

Разработка Российской инновационной компании «Avrora Robotics» Агробот представлен на рисунке 1.10. Колесный беспилотный роботрактор, состоящий из «комплекта автоматизации» трактора, диспетчерского центра и ряда вспомогательных систем. Решение может применяться для автоматизации работ в сельскохозяйственной или коммунальной сфере.

Рисунок 1.10 Разработка Российской инновационной

компании «Avrora Robotics»

Робот Дэвида Доурхаута «Aquarius» (рисунок 1.11) способен перевозить 114 литров воды и используется для полива тепличных растений. Робот работает в двух режимах: фиксированный и пропорциональный. В первом случае, аграрий сам устанавливает нужную дозу для полива растений и потом уже аппарат работает по заданным настройкам. Второй вариант — робот с помощью сенсоров анализирует сколько воды нужно каждому растению и сам решает вопрос дозировки.

Помимо полива растений Aquarius может также открывать двери и перемещаться между комнатами — это весьма удобно, если растения находятся в разных помещениях.

Рисунок 1.11 Робот для полива тепличных растений «Aquarius»

Компания CNH Industrial NV модель «Case IH Magnum» страна разработки Нидерланды. Прототип колесного роботрактора (концепт — Autonomous Concept Vehicle) для автономной работы на поле. Представлен летом 2016 года. Мощность двигателя составляет 419 л.с., максимальная скорость до 50 км/ч.  Нет кабины, есть камеры, радар и GPS. Решение о серийном производстве пока не принято. Может работать в условиях тумана, автоматически прекращает работу, если пошел дождь. Разработчиком системы «автопилота»  выступают CNH Industrial и Autonomous Solutions, Inc (ASI).

Рисунок 1.12 Колесный роботрактор «Case IH Magnum»

Автономный полевой робот BoniRob для экспериментов по обработке отдельных растений, самостоятельная система навигации, составление карт проведенных работ, подготовка документации, включая создание базы статистики. Разработчики — стартап Deepfield Robotics компании Bosch, Amazonen Werke совместно с Техническим институтом Оснабрюка и другими.

Прицип действия — устройство автоматически находит сорняки на пути следования, отличая их по форме листьев и вдавливает их глубже в землю, примерно на 3 см. Если растение большое, робот продолжит трамбовку. Для вдавливания используется штырь диаметром 1 см.

Проект создания робота финансировало Федеральное министерство сельского хозяйства и продовольствия Германии. В разработке принимали участие Университет Прикладных Наук в городе Оснабрюк, а также производитель сельскохозяйственной техники Amazone.

Рисунок 1.13 Автономный полевой робот BoniRob

Сельскохозяйственный робот Ecorobotics (Швейцария) предназначен для прореживания и прополки. Оснащен системой компьютерного зрения, предназначенной для идентификации сорняков. Опрыскивает выявленный сорняк небольшой дозой гербецида. Такой подход снижает объем использования гербецидов в разы. Аппарат работает около 12 часов в день. Устройство полностью автономно, программировать его можно посредством смартфона. Испытания нового прототипа начались этой весной, коммерческое производство ожидается в 2020 году.

Рисунок 1.14 Сельскохозяйственный робот Ecorobotics

Во Всероссийском НИИ механизации сельского хозяйства (ВИМ, г. Москва) разрабатываются фундаментальные основы создания и применения роботов в сельскохозяйственном производстве, специализированное программное обеспечение, средства автоматизации, инновационные машины и оборудование для получения различной информации об объектах обработки, принятия управленческих решений и реализации высокоточных интеллектуальных технологий производства продукции растениеводства и животноводства. Например, это колесный сельскохозяйственный агрегат, где за основу взят трактор Владимирского тракторного завода, предусматривающий автономное управление и модуль опрыскиватель [8,9].

Рисунок 1.15 Беспилотный сельскохозяйственный агрегат, разработанный специалистами Всероссийского НИИ механизации сельского хозяйства

1.3 Способы электризации частиц жидкости

Один из эффективных способов достижения равномерности покрытия обрабатываемых поверхностей состоит в передаче распыляемым частицам электрических зарядов. Этот способ основан на принципе электронно-ионной технологии [13].

Суть электронно-ионной технологии – во влиянии электрического поля на частицы материалов, взвешенных в жидкой или газообразной среде и имеющих некий заряд. В электростатических устройствах электроды создают электрическое поле, которое воздействует на частицы вещества. Электризация частиц, которая обусловлена свободными электрическими зарядами, вынуждает частицы передвигаться в электрическом поле.

Устройства на этой технологии имеют широкое применение и в быту – различные фильтры, которые очищают воздух от дыма, пыли, а также ионизаторы воздуха. У первых имеются специальные пластины, на которых оседают заряженные пылинки. Действие вторых устройств заключается в выделении отрицательных ионов, благоприятно влияющих на организм человека, их также устанавливают в животноводческих помещениях.

В естественных условиях, ионизация воздуха происходит в результате космического излучения, грозовых разрядов в атмосфере, а также электризации частиц воды в водопадах и т.д.

Помимо вышеуказанных устройств, известны также следующие примеры применения электротехнологий:

• электросепарация (в частности электрообеспыливание, разделение различного минерального сырья, зерна и т.д.);
• электроокраска изделий;
• электропечать.

На производстве, например, для окрашивания кузовов машин или деталей применяют электроокраску: покрываемое краской изделие заземляют, а частицы краски при этом заряжают, добиваясь тем самым целенаправленного движения этих частиц к изделию под действием электрического поля. Таким образом, можно добиться равномерной покраски даже сложноизогнутых поверхностей.

В конструкциях и схемах электроустановок электронно-ионной технологии применяется как традиционное электрооборудование, так и специальные генерирующие приборы, высоковольтные преобразователи и т.д., наличие которых определяется в зависимости от особенностей эксплуатации и назначения.

Классификация распространенных на практике способов зарядки частиц жидкости представлена на рисунке 1.16.

Рисунок 1.16 Классификация способов зарядки частиц

Передача заряда трибоэлектризацией происходит при трении поверхностей жидкости и тела, между ними появляется двойной электрический слой [11], впоследствии после разрыва двух сред возникают заряды, знаки которых зависят от их диэлектрических проницаемостей.

При ионной зарядке, или зарядке в поле короны, ионы возникают в пространстве между потенциальным и заземленным электродами в поле коронного разряда. Проходя через поток униполярных ионов, поверхности частиц жидкости заряжаются.

Согласно исследованию [21], если напряжение, полярность на электроде, а также промежуток между электродами неизменны, то чем большую относительную диэлектрическую проницаемость имеет распыляемая жидкость, тем больший заряд приобретает частица жидкости. Также, по данному исследованию, справедлива следующая зависимость: с наименьшим радиусом кривизны игольчатого электрода капле рабочей жидкости передается наибольший электрический заряд, при условии постоянного значения напряжения.

Таким образом, зарядка в поле коронного разряда отличается своей эффективностью в плане получения высоких зарядов частиц вне зависимости от их физических свойств [19]. Более подробное исследование распыления с ионной зарядкой описано в [38].

Контактная зарядка – это сообщение зарядов при непосредственном соприкосновении частиц с потенциальным электродом.  Частица жидкости при получении одноименного заряда от электрода, будет отталкиваться от него тем сильнее, чем больший по величине заряд она приобретёт.

При индукционной зарядке жидкость контактирует с заземленным электродом, а потенциальный кольцевой электрод находится в отдалении, и в создаваемом электрическом поле индуцируются заряды [19, 9].

Преимущество зарядки в электростатическом поле в том, что применяется относительно низкое напряжение, чем при ионизации в короне. Также не образуются озон и окислы азота, данный способ проще реализовать, совмещая процессы распыления и электризации частиц жидкости [17].

В ходе аналитического обзора выявлено, что наиболее чаще применяемым на практике и исследованным [22] способом является распыление через поле коронного разряда. Подтверждением тому является исследование [16], в котором описываются способ гидравлического распыления с электризацией капель в устройстве внесения консерванта кормоуборочного комбайна, в ходе которого выявлено снижение неравномерности покрытия и потерь при распылении жидких консервантов в поток измельченной растительной массы.

2 РАЗРАБОТКА БЕСПИЛОТНОГО ЭЛЕКТРОАГРЕГАТА С УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЗАРЯДКИ КАПЕЛЬ

2.1 Беспилотный электроагрегат

Беспилотный электроагрегат для обработки пропашных культур, представленный на рисунке 2.1, позволяет дифференцированно и автономно вносить жидкие удобрения посредством холодного тумана. Данная разработка обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами обработки растений и последними разработками в этом направлении. Способность выполнять поставленные задачи беспилотным электроагрегатом с аппаратно-программным комплексом и микропроцессорной системой управления полностью исключает из технологического процесса машинно-тракторный агрегат с оператором, что положительно влияет на сокращение эксплуатационных затрат, а также повышает экологичность за счет применения электроприводов и рационального расхода химикатов.

Рисунок 2.1 Беспилотный электроагрегат для обработки пропашных культур

Рама электроагрегата выполнена шарнирно-сочлененной (подвижная двухсекционная рама, части которой соединены шарниром), что позволит увеличить универсальность применения робота на территориях с различным рельефом опорной поверхности. В передней части рамы электроагрегата установлен корпус, внутри которого располагается вся силовая и управляющая (слаботочная) электроника. На задней части двухсекционной рамы установлена емкость с рабочей жидкостью и ультразвуковым генератором внутри нее. Образуемый ультразвуковым генератором аэрозоль посредством магистралей подается в зону обработки.

Беспилотный электроагрегат автоматически следует заданным курсом посредством системы управления по сигналам навигационных систем GPS/ГЛОНАСС. Поворот электроагрегата осуществляется за счет разности скорости вращения ротора бесколлекторных двигателей постоянного тока (БКДПТ) каждого колеса, алгоритм которых заложен в системе управления.

Следуя заданным курсом, электроагрегат дифференцированно вносит жидкие удобрения посредством системы управления, открывая и закрывая поток аэрозоли по магистралям в зону обработки, а так же регулируя производительность генератора, путем снижения/повышения подачи напряжения. Технические характеристики беспилотного электроагрегата представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 Технические характеристики беспилотного электроагрегата для обработки пропашных культур

2.2 Система автоматического управления электроагрегатом

В наше время на дорогах все чаще появляются электрические виды транспорта. Многие крупные производители уже наладили производство серийных электрокаров. Но, как показывает практика, электротранспорт в АПК менее развит по сравнению с другими отраслями. Использование транспорта на электротяге в сельскохозяйственном производстве скажется на экологичности продуктов питания, снижении эксплуатационных расходов, связанных с ГСМ и обслуживанием МТА [2]. Поэтому внедрение сельскохозяйственных агрегатов на электротяге, является актуальной задачой. Одной из важнейших задач при создании электротяговых систем сельскохозяйственного назначения является разработка управления движением электроагрегата по навигационным сигналам.

Подавляющее большинство современных систем управления электроприводами реализуются на базе цифровых микропроцессоров или микроконтроллеров [17]. Это объясняется значительными вычислительными и логическими возможностями, что позволяет реализовывать сложные алгоритмы управления.

Разработка управляющих систем, обеспечивающих высокую эффективность работы электропровода, процесс постоянного совершенствования: оборудования и способов управления. Чтобы система управления удовлетворяла всем имеющимся требования необходимо учитывать уже имеющиеся научные достижения и решения.

Для наиболее эффективного управления необходимо применять устройства управляемые в режиме реального времени. Количество возможных вариантов по исполнению систем управления весьма велико. Однако для стабильной работы потребуется автоматизированная система, способная анализировать текущее состояние движения агрегата.

В настоящее время, в связи с повышением требований к системам управления растет уровень интеграции микропроцессорных элементов в системах управления электроприводом колес электроагрегата. Ведущие производители промышленной электроники, такие как Siemens, АВВ, OMRON уже выпускают подобные устройства, однако их стоимость очень высока. Поэтому рассмотрели возможность создания подобного типа устройства, которое будет использовать микроконтроллеры фирмы Microchip. С их помощью можно задавать оптимальные параметры вращения колеса и полностью контролировать весь процесс работы системы управления электорагрегата. Целью разработки является создание микропроцессорного устройства, позволяющего на основе информации о положении электроагрегата проводить расчет скорости вращения его колес. Для этого необходима разработка программного обеспечения для расчета скорости вращения управляющего колеса и оценка точности этих расчетов.

Разработанная установка представляет собой беспилотный электроагрегат, предназначенный для обработки пропашных культур. Электроагрегат оснащен четырьмя управляемыми электро-колесами. Каждое колесо приводится в движение посредством бесколлекторного электродвигателя постоянного тока (БКДПТ), типа мотор-колесо, тихнические характеристики которого приведены в таблице 2.2. Мотор-колесо (рисунок 2.2) представляет собой мотор-редуктор [5] с колесом с резиновой шиной и валом для возможной установки диска оптического энкодера.

Рисунок 2.2 Мотор-колесо с редуктором

Таблица 2.2. Характеристика мотор-колеса

Мотор-колеса многофункциональны, так как они выполняют функции распределительных, преобразующих, ходовых и тормозных устройств. Отдельные контроллеры обеспечивают независимое управление каждым мотор-колесом, что является необходимым по причине большой разницы в числе оборотов колес при повороте на небольшой скорости. Проведя анализ различных драйверов было решено, что рационально взять Pololu Dual VNH5019 Motor Driver Shield (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 Плата драйвера двигателя Pololu dual vnh5019

Таблица 2.3 Характеристика Pololu Dual VNH5019 Motor Driver Shield

Для поворота используется угловой датчик положения AVM58, фиксирующий изменение осевого угла между двумя частями шарнирно-сочлененной рамы (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 Угловой датчик положения AVM58

Электроагрегат с мотор-колесами универсален и имеет следующие преимущества:

• возможность индивидуального управления силовым потоком каждого колеса таким образом, что мотор-колеса находящиеся в лучших условиях по сцеплению развивают максимальное тяговое усилие;
• меньшие расходы на обслуживание по сравнению с расходами при механических, и тем более гидромеханических трансмиссиях;
• простота и эффективность автоматизации управления движением.

Электроагрегат снабжается автономным источником электроэнергии – аккумуляторной батареей, заряда которой достаточно для прохождения заданного маршрута, после чего возможна ускоренная зарядка аккумуляторов в течение короткого промежутка времени, либо быстрая замена аккумуляторных батарей.

Разработанная система управления мотор-колесами электроагрегата обеспечивает скалярное управление тяговыми двигателями в функции постоянства мощности [27]. Схематично, требуемая характеристика бесколлекторного двигателя постоянного тока приведена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 Требуемая характеристика бесколлекторного двигателя постоянного тока

Для обеспечения требуемой характеристики электропривод содержит драйвер по одному на каждый тяговый двигатель. Система управления принимает в расчет режим работы электроагрегата (движение вперед, задний ход, нейтраль, динамическое торможение, режим холостого хода системы привода), потребляемую мощность и скорость транспортного средства [16].

Блок управления контролирует и управляет системой тягового привода в целом (скоростю вращения колеса, крутящим моментом двигателей, токами прерывателя, системой защиты от пробуксовки и проскальзывания колес).

Функциональная схема системы управления электроагрегата представлена на рисунке 2.6, которая состоит из двух основных частей: силовой цепи и информационного блока. Силовая цепь включает в себя аккумуляторную батарею, зарядное устройство, драйвер и двигатель (мотор-колесо). Информационный блок соответственно включает в себя навигационную систему и систему управления приводом.

Рисунок 2.6 Функциональная схема системы управления электроагрегатом

В основе системы управления лежит микроконтроллер, позволяющий осуществлять управление контроллером тяговых электродвигателей c использованием обратной связи в функции постоянства мощности, а также реализовывать защиту от перенапряжений и токов, превышающих номинальные значения. Управление осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции напряжения, питающего двигатель. При данном способе управления в отсутствие нагрузки на одном из колес скорость вращения пропорциональна коэффициенту заполнения импульсов. Ядром системы является однокристальный 8-битный RISC микроконтроллер ATmega328 на базе аппаратной платформы Arduino UNO. Arduino — это инструмент для проектирования электронных устройств с возможностью приема сигналов от различных цифровых и аналоговых датчиков и для взаимодействия с окружающей физической средой и управления различными исполнительными устройствами. Эта платформа предназначена для управления процессами с использованием электронно-вычислительных машин с открытым программным кодом, построенная на простой печатной плате с современной средой для написания программного обеспечения. Платы Arduino строятся на основе микроконтроллеров фирмы Microchip, а также элементов обвязки для программирования и интеграции с другими схемами. На платах присутствует линейный стабилизатор напряжения +5 В или +3,3 В. Тактирование осуществляется на частотах 8, 16 или 87 МГц кварцевым резонатором. В микроконтроллер предварительно прошивается загрузчик, поэтому внешний программатор не нужен. На концептуальном уровне все платы программируются через RS-232. Среда разработки основана на языке программирования Processing. Строго говоря, это язык С++, дополненный некоторыми библиотеками.

Arduino Uno — этот программно – аппаратная платформа построенная на микроконтроллере AVR ATmega 328 семейства Mega производства фирмы Microchop. Микроконтроллеры семейства Mega являются 8-разрядными микроконтроллерами, функциональная схема которого приведена на рисунке 2.7. Они изготавливаются по малопотребляющей КМОП — технологии, которая в сочетании с усовершенствованной RISC-архитектурой позволяет достичь наилучшего соотношения быстродействие/энергопотребление. Арифметико-логическое устройство, выполняющее все вычисления, подключено непосредственно к 32-м рабочим регистрам, объединенным в регистровый файл. Благодаря этому арифметико-логическое устройство выполняет одну операцию (чтение содержимого регистров, выполнение операции и запись результата обратно в регистровый файл) за один машинный цикл.

Платформа имеет 14 цифровых вход выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 6 аналоговых входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB, либо подать питание при помощи адаптера AC DC или батареи. На рисунке 2.8 представлен общий вид платы и упрощённая принципиальная схема. В таблице 2.4 приведены технические характеристики [10].

Платформа Arduino по техническому оснащению идеально подходит для проектирования различных мехатронных систем и их комплексной автоматизации, благодаря понятной среде программирования и возможности наблюдения физических процессов в реальном времени.

Также система управления включает акселерометр, датчик угловых скоростей и гироскоп, которые находятся на одной микросхеме MPU6050. Микросхема MPU6050 (рисунок 2.9) содержит на борту как акселерометр (устройство, которое измеряет проекцию кажущегося ускорения, то есть разницы между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением), так и гироскоп (представляет собой устройство, реагирующее на изменение углов ориентации контролируемого тела), а помимо этого еще и температурный сенсор.

Рисунок 2.7 Функциональная схема микроконтроллеров Atmega328

Рисунок 2.8. Общий вид и упрощенная схема

подключения платы Arduino UNO

Таблица 2.4 Технические характеристики платы Arduino UNO

В таблице 2.5 приведены технические характеристики акселерометра MPU6050. Помимо этой микросхемы на плате модуля расположена необходимая обвязка MPU6050, в том числе подтягивающие резисторы интерфейса I2C.

Рисунок 2.9 Гироскоп/акселерометр MPU6050

Таблица 2.5. Характеристика MPU6050

Данные измерений датчиков можно считывать как из регистров хранения, так и пользоваться функциями FIFO. Датчики гироскопа и акселерометра изготовлены как MEMS (микроэлектромеханическая система) – внешнее воздействие на датчик сначала изменяет состояние механической части, затем изменение состояния механической части приводит к изменению сигнала электрической части. Одним словом в одном корпусе собрана не только электроника, но и механика.

Микроконтроллер осуществляет опрос датчиков положения ротора мотор-колеса (датчики Холла), датчиков модуля MPU6050 и формирует управляющие импульсы для котроллера мотор-колеса [5], управляемое драйвером Pololu Dual VNH5019 Motor Driver.

Во многих отраслях науки и техники, и в различных системах управления технологическим оборудованием необходимо точное измерение перемещений при большом быстродействии. В промышленности широко распространены фотоэлектрические цифровые оптические энкодеры [28].

В настоящее время во многих БКДПТ используются датчики Холла обратной связи для управления электродвигателем. Несмотря на простоту датчиков Холла, у них имеется существенный недостаток, связанный с жестким положением датчика. Это приводит к нестабильной работе БКДПТ в режиме переходных процессов. В связи с этим, задача оптимального момента включения двигателя электропривода колес электорагрегата в зависимости от отклонения электроагрегата от курса относится к наиболее сложным процессам.

На процесс управления электроагрегатом влияет множество факторов, в том числе, и сложноформализуемые: надежность элементов, узлов (вследствие различных ресурсов наработки); аварийные ситуации; вероятность интенсивности процессов изнашивания элементов и узлов.

Учитывая это, найти точное значение управляемого ШИМ сигнала для контроллера БКДПТ, оказывающее влияние на рациональное функционирование электроагрегата, крайне затруднительно. Задача управления превращается в сложнорешаемую и многокритериальную. В этих случаях, возможно, использовать в системе управления электорагрегатом, энкодерного датчика положения ротора БКДПТ.

Энкодерный датчик – это электромеханическое устройство, которое генерирует выходной импульсный сигнал пропорциональный перемещению. В электроприводах колес можно использовать оптический инкрементальный растровый энкодер. Принцип работы оптического инкрементального растрового энкодера заключается в следующем. Фотодиоды 1 и 2 расположены на расстоянии равным половине штриха растровой ленты так, что излучение от светодиода 3 при перемещении ленты 4 падает с опозданием на полпериода. (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 Схема оптического энкодера

На выходе энкодерного датчика будет сигнал, который представлен на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 Форма сигналов датчиков 1 и 2

На рисунке 11 видно, что при движении ленты жестко связанной с ротором БКДПТ в одном направлении (состояния 0-1-2-3-4…) в момент перехода сигнала датчика 1 из состояния 0 в 1 (передний фронт) сигнал датчика 2 всегда находится в состоянии 0 (состояния 0, 4, 8). Если же лента движется в обратном направлении (состояния 9-8-7-6-5…), сигнал датчика 2 всегда находится в состоянии 1 (состояния 6, 2). Отсюда вытекает простейшая процедура обработки сигналов декодера: по переднему фронту сигнала датчика 1 проверить состояние сигнала датчика 2; если он равен 0, увеличить счетчик координаты на единицу, в противном случае уменьшить его на единицу.

С помощью энкодерного датчика реализуется обратная связь по положению ротора, которая заводится в систему автоматического управления и используется в алгоритме управления электроагрегатом.

В качестве энкодерного датчика использовали датчик AK4-2 Ver.A-11 (рисунок 2.12), подключенный к Arduino UNO плате по схеме внешнего прерывания. В данном устройстве механическое вращение ротора преобразуется в электрические сигналы, дающие информацию о перемещении и направлении вращения [5,6,7]. Цифровой сигнал с энкодера подается на входы Arduino UNO платы.

Рисунок 2.12 Энкодерный датчик AK4-2 Ver.A-11

Разработка и отладка программы управления электроагрегатом производится с помощью среды разработки программного обеспечения Arduino IDE. Основой среды разработки является язык Processing/Wiring, широко используемый в прикладных разработках. Данная среда обеспечивает полный цикл разработки, начиная от ввода алгоритма, отладку, и заканчивая внутрисхемным программированием микроконтроллера. Интегрированные технологии создания программы раскрывают новые возможности для программистов. Они позволяют вводить программы на плоскости в виде алгоритма с древовидной структурой. В результате вся логическая структура программы становится полностью наглядной. Основным предназначением таких технологий является максимальное приведение интерфейса разработки к природе человеческого восприятия. Освоение такой среды намного проще, чем освоение классического ассемблера. Более удобный интерфейс раскрывает новые возможности для разработки. Среда предназначена для работы под операционную систему Windows и Lunix подобные системы.

Программный код реализации системы управления электроагрегатом представлена на листинге 1:

Листинг 1

В начале программы идет объявление переменных (строка 1-19), с присвоением некоторым переменным начальных значений. В функции setup() (строка 20) реализуется следующие функции:

— происходит инициализация последовательного порта для обмена с персональным компьютером данными на скорости 9600 бод (строка 21);

— настройка цифрового порта 4 как вход для 2-го вывода энкодера (строка 22);

— настройка цифрового порта 7 как выход управления БКДПТ (строка 23);

— функция attachInterrupt(0,x_koord, CHANGE) инициализирует внешние прерывание программы, так называемой нулевое прерывание (первый параметр функции attachInterrupt), которое по умолчанию аппаратно реализуется через цифровой порт 2 (строка 24). Обработчик прерываний выполняется функции x_koord()(строка 64-66).

Каждый раз по сигналу датчика 1 (рисунок 2.9) прерывается выполнение основной программы и управление передается обработчику внешнего прерывания, где проверяется состояние другого датчика 2. В зависимости от состояния датчика 2 увеличивается или уменьшается координаты ротора.

Шаг изменения координаты определили экспериментально, на угол 100 градусов приходится 710 импульсов, т.е. шаг равен 0,141 градусам.

Время t_raboti_LAD (строка 14) работы БКДПТ в момент запуска равно 200 мс и в зависимости от нагрузки время коррекции определяется следующем образом d_t_raboti_LAD=int(k*(15-x)) (строка 44), где x текущие координаты ротора, k коэффициент пропорциональности равный 0,18. Время t_raboti_LAD работы БКДПТ увеличивается или уменьшается на величину d_t_raboti_LAD следующем образом t_raboti_LAD=t_raboti_LAD-d_t_raboti_LAD (строка 45), причем максимальное время работы БКДПТ не превышает 1000 мс, программная реализация которого выглядит следующим образом if (t_raboti_LAD>1000) {t_raboti_LAD=1000;}( строка 48). Коррекция времени работы БКДПТ происходит в момент остановки ротора мотор-колеса (строка 39). Программная реализация момента остановки ротора выглядит следующим образом if (((v==0) and (x>0)) or ((v*v0<0) and (x>0))) (строка 39) , т.е. в момент остановки скорость становиться равным нулю, но вследствие дискретизации координаты возможно, что последовательные значения скорости при изменении направления вращения ротора переходят с положительного значения в отрицательное значение. Поэтому используем универсальный метод представленный выше.

Благодаря высокой вычислительной мощности микроконтроллера Atmega328 программа управления БКДПТ выполняется менее чем за 10 мс, при этом подпрограмма обработки прерывания успевает выполнятся до 400 раз, что соответствует вращению ротора приблизительно на 0,56 градуса, (датчики Холла, расположены через каждый 3.6 электрических градуса) . Поэтому остается достаточно времени на обработку команд и выполнение в фоновом режиме управляющей программы.

Прямое вычисление угловой скорости, как приращение угла за период дискретизации сигнала при разрешении сигнала обратной связи 0,141 град, позволит вычислить за период квантования 10 мс наименьшую скорость 0,141 град / 10 мс = 0,014 град/с и наибольшую скорость 400*0,141 град / 10 мс = 5600 град/с, что явно достаточно для электорагрегата.

Как показано на рисунке 2.13, контроллер содержит силовые мосты для соответствующих фаз мотор-колеса. Каждый силовой каскад работает как широтно-импульсный модулятор с двумя выходными сигналами. Во избежании возникновения короткого замыкания в силовых каскадах поддерживается возможность управления задержкой момента включения с помощью драйвера двигателя для каждой пары силовых ключей.

Рисунок 2.13 Схема подключения котроллера двигателя

Силовой мост, состоящих из 3 полумостов, управляется отдельным драйвером IR2101. Принципиальная схема моста составлена в программе DIP TRACE (рисунок 2.14).

Рисунок 2.14 Принципиальная схема драйвера в программе DIP TRACE

Интерфейс внешнего управления реализован на языке C#, которое базируется на платформе Microsoft .NET Framework. Он обеспечивает лучшую наглядность и простоту моделирования объектно-ориентированных приложений. Программа позволяет эмулировать передачу текстовых команд по com-порту через Bluetooth. Созданное визуальное приложение оператор может использовать для прямого телеуправления, нажимая соответствующие кнопки.

Программа было написана в визуальной среде разработке Visual Studio 2018, которая раскрывает всю мощь платформы Microsoft .NET Framework. Согласно принципу объектно-ориентированного программирования, каждый объект был реализован в виде класса, а именно следующие классы:

— класс для работы с NMEA данными;

— класс Электроагрегат;

— класс Поле;

— класс Кривая;

— класс Связи;

— класс Массивов;

— класс Траектория.

Программа автоматически прокладывает оптимальный маршрут движения по полю, учитывая такие параметры, как габариты электроагрегата. Также, данная программа визуально отображает на дисплее траекторию, текущее положение электроагрегата, обрабатываемое поле с его границами. При определении траектории сначала выбирается наибольшая сторона поля, затем прокладываются параллельные ей линии маршрута с разворотами у противоположных краев поля. Таким образом, организуется рациональный маршрут движения электроагрегата по полю.

2.3 Математическая модель блока управления электроагрегата

Блок управления описывает работу Arduino контроллера, управляющего приводом колес электрагрегата. Данная модель описывает алгоритм управления БКДПТ, а также алгоритмы коррекции по времени работы БКДПТ. Предполагается, что современная электроника, применяемая для управления электроприводами, обладает высоким уровнем быстродействия и точности для решения поставленных задач. В связи с этим, запаздывания, вносимые вычислителем, при моделировании не учитываются. В цифровом электронном блоке осуществляется замыкание позиционной обратной связи привода, обеспечивающее следящий режим его работы и реализуются алгоритмы управления, обеспечивающие регулирование параметров выходного звена. В электронный блок условно перенесены передаточные коэффициенты электрических датчиков. В соответствии с перечисленными функциями модельный блок формирует управляющий сигнал на драйвера в зависимости от положения ротора его выходного звена. Уравнения, описывающие работу электронного блока управления, представлены ниже. Управление драйверами БКДПТ осуществляется исходя из следующего алгоритма:

где U_t — управляющий сигнал на вход драйвера; t_zapuska — время запуска БКДПТ; t_raboti_LAD — время работы БКДПТ; d_t_raboti_LAD — коррекция времени работы БКДПТ. На рисунке 2.15 представлена модель блока управления электроприводом, в котором регулирование момента включения БКДПТ осуществляется в момент остановки ротора в противоположной точке.

Рисунок 2.15 Модель блока управления двигателем

На рисунке 2.16 показан блок коррекции, реализующий коррекцию времени работы БКДПТ с целью улучшения динамических свойств привода при работе под нагрузкой.

Рисунок 2.16 Блок коррекции времени работы БКДПТ

Блок управления двигателем осуществляет стандартную коммутацию обмоток БКДПТ, а также содержит усилитель управляющего сигнала (опторазвязка) и обратную связь по вращению ротора.

2.4 Модель системы управления БКДПТ в среде объектно-визуального моделирования Matlab (Simulink)

Для исследования работы привода колес электроагрегата была составлена его математическая модель, состоящая из функционально законченных блоков:

— БКДПТ в абсолютных единицах;

— модель мотор-колеса;

— блок системы управления.

Математическая модель описывает рабочие процессы БКДПТ на элементном уровне с использованием экспериментальных характеристик отдельных компонентов. Структура математической модели системы управления привода в среде Simulink математического пакета MATLAB [4] показана на рисунке 2.17. Блок БКДПТ имеет два входа (U_Su и U_Sv) — питания обмоток статора (проекция векторов напряжения на действительные и мнимые оси) и три выхода F — электромагнитная сила развиваемое двигателем и проекции токов на действительные и мнимые оси. Блоки Reshetni stan моделируют вращение ротора в зависимости от параметров, представленных на рисунке 2.17.

Рисунок 2.17 Математический модель привода колес электроагрегата

Блок SU (блок управления), учитывает положения ротора, и подбирает время включения и отключения двигателя от питания. На выходе блока SU появляется единичный сигнал в момент включения и нулевой сигнал в момент отключения двигателя, которое записывается в глобальную переменную pusk_LAD.

2.5 Исследование характеристик и рабочих процессов БКДПТ колес электроагрегата

Одной из целей работы является определение взаимосвязей между параметрами настройки блока управления электропривода колес и показателями рабочих процессов, а также улучшение динамических характеристик привода колес, при воздействии переменных нагрузок на ротор БКДПТ. Это является важным фактором при реализации управления привода электорагрегата [24]. Кроме того, при проектировании электроагрегата важна оценка энергетических свойств таких приводов.

В соответствии с параметрами экспериментальной установки электроагрегата на базе БКДПТ (раздел 2.1), проведено моделирование работы электропривода колес электроагрегата и построены следующие зависимости объекта управления:

— координаты ротора (рисунок 2.18);

— интервал времени работы БКДПТ (рисунок 2.19);

— момент включения и выключения БКДПТ (рисунок 2.20);

— фазные токи БКДПТ (рисунок 2.21).

Рисунок 2.18 Зависимость координаты ротора от времени

Рисунок 2.19 Интервал времени работы БКДПТ

Рисунок 2.20 Момент включения и выключения БКДПТ

Рисунок 2.21 Фазные токи БКДПТ

Как видно из рисунка 2.19 длительность работы БКДПТ напрямую зависит от положения ротора в момент его остановки, при этом регулируется время импульсной работы БКДПТ в зависимости от нагрузки на роторе. Включение БКДПТ происходит непосредственно в момент изменения направления вращения ротора, которое невозможно реализовать с датчиками Холла. Следовательно, предложенный метод управления приводом колес на базе БКДПТ является предпочтительным.

Необходимо отметить тот факт, что БКДПТ в приводах практически всегда работают в пусковом режиме, который иллюстрирует график на рисунке 2.21. Это является недостатком в приводах с БКДПТ. Несмотря на этот недостаток, применение энкодерных датчиков в управлении работы БКДПТ позволяет оптимизировать время работы БКДПТ и момент включение обмоток БКДПТ.

2.6 Электростатическое опрыскивание пропашных культур

В последние годы все большее распространение находит электростатический способ опрыскивания сельскохозяйственных культур, при котором повышается прилипаемость заряженных капель к листовой поверхности растений. В физическую сущность прилипания заряженных капель положено явление переноса электрических зарядов между электродами, находящимися под разными потенциалами. Своеобразными электродами являются растения и распыливающий наконечник опрыскивателя. На пути движения частиц от источника формирования аэрозоля к обрабатываемому растению силы внешнего электриче­ского поля оказывают воздействие на заряженные частицы, заставляя их двигать­ся вдоль линий напряженности поля. Такие криволинейные траектории замыка­ются на поверхности растений, вследствие этого заряженные капли проникают вглубь растений и оседают на листовой поверхности со всех сторон, хотя подача жидкости осуществляется с одной стороны. Поэтому сложность конфигурации листовой поверхности не оказывает особенного влияния на проникающую спо­собность аэрозоля.

Известны три способа сообщения электрического заряда частицам:

а) контактный;

б) в коронирующем поле;

в) электродинамический.

Общим для них является наличие высоковольтного генератора постоянного тока, один электрод которого непосредственно (при контактном способе) или че­рез влияние (при коронирующем и электродинамическом способе) сообщается с рабочей жидкостью, другой – с почвой. В процессе электрозарядки распиливае­мой жидкости на электрод опрыскивателя подается напряжение от 1 до 100 кВ.

Известно, что в опрыскивающих средствах с контактным и коронирующим зарядом час­тиц жидкости применяют распылители механического, гидравлического и аку­стического дробления. В установках электродинамического типа сообщение заря­да и формирование частиц рабочей жидкости осуществляется одновременно элек­трическим полем электродов.

Применение электростатического опрыскивания позволяет обеспечить более высокое качество обработки сельскохозяйственных культур по сравнению с обычным опрыскиванием за счет:

— однородности образуемых капель и равномерности их распределения на поверхности листьев;

— увеличения количества осаждаемых на растении химических препаратов;

— уменьшения расхода рабочей жидкости без снижения эффективности обработок;

— лучшего обволакивания растений, в частности на тыльную сторону листьев.

В зарубежных странах лидирующей компанией в области применения электростатических технологий в сельском хозяйстве является ESS. Компания ESS реализует опрыскиватели в десятках различных модификаций, начиная от ручных и заканчивая промышленными установками, реализованными в виде прицепа к трактору. Также существует ряд других компаний, производящих аналогичные установки: Spectrum (США), RittenHouse (Канада), Jaingsu Zhenda Machinary Co Ltd. (Китай), Pogressive AG (США).

2.7 Устройство для электростатического опрыскивания пропашных культур

Известным способом электрозарядки распыляемых капель является прикладывание к электроду постоянного (неизменного) по амплитуде электростатического напряжения. Однако, основными недостатками этого способа являются низкая плотность зарядов на поверхности электрода, требующее большого статического напряжения и времени для зарядки распыляемых капель, высокое потребление электрической энергии существующим устройством. Поэтому для решения вышеотмеченных недостатков предлагается проводить электрозарядку распыляемых капель при амплитудно-модулированном электростатическом напряжении. При этом снижение потребления электрической энергии достигается за счет периодического прерывания цепи питания предлагаемого устройства. В момент прерывания цепи питания предлагаемого устройства в резонансном колебательном контуре затухающие высокочастотные электрические колебания будут присутствовать еще некоторое время. Кроме этого за счет волнообразно изменяющейся со временем амплитуды электростатического напряжения (модулирующий сигнал) происходит увеличение плотности зарядов на поверхности электрода и, соответственно, повышение интенсивности электрозарядки распыляемых капель.

На рисунке 2.22 представлена функциональная схема предлагаемого устройства для электростатического опрыскивания сельскохозяйственных культур.

Рисунок 2.22 Функциональная схема устройства для электростатического опрыскивания пропашных культур:

1 – источник питания; 2 – электронный ключ; 3 – мультивибратор;
4 – резонансный трансформатор; 5 – высоковольтный диод; 6 – электрод;
7 – распылитель

Устройство для электростатического опрыскивания сельско-хозяйственных культур состоит из источника питания 1, электронного ключа 2, обеспечивающего обрыв питающей цепи с низкой частотой, мультивибратора 3 с колебательным контуром L₁C₁ высокой частоты, причем индуктивность L₁ является низковольтной обмоткой резонансного трансформатора 4, индуктивность L₂ является высоковольтной обмоткой резонансного трансформатора 4 и образует с конденсатором C₂ второй колебательный контур L₂C₂, к которому соединяется последовательно диод 5 и электрод 6. Электрод 6 представляет собой цилиндр и устанавливается за распылителем 7.

Сущность работы предлагаемого устройства для электростатического опрыскивания сельскохозяйственных культур заключается в следующем. Мультивибратор 3 с колебательным контуром L₁C₁ формирует несущий (модулируемый) сигнал ω₁, а электронный ключ 2, обрывающий питающую сеть с низкой частотой, формирует моделирующий сигнал ω₂ (рисунок 2.23). Далее полученное амплитудно-модулированное напряжение повышается резонансным трансформатором 4, выпрямляется диодом 5 и подается на электрод 6.

Рисунок 2.23 Временная зависимость электростатического напряжения на поверхности электрода:
ω₁ – несущий (модулируемый) сигнал; ω₂ – моделирующий сигнал

Принцип электростатического опрыскивания сельскохозяйственных культур с применением предлагаемого устройства на беспилотном электроагрегате можно описать следующим образом: внутрь емкости с рабочей жидкостью нагнетается воздух при помощи вихревого вентилятора, ультразвуковой генератор генерирует мелкодисперсный аэрозоль из рабочей жидкости; затем под воздействием вихревых потоков аэрозоль направляется к соплам, на концах которых установлен электрод, приобретает заряд и попадает в зону обработки сельскохозяйственных культур (рисунок 2.24).

Рисунок 2.24 Структурная схема процесса электростатической
обработки пропашных культур

2.7.1 Принципиальная схема устройства для электростатического опрыскивания пропашных культур

В беспилотном электроагрегате для питания силовой электроники используется литий-ионная аккумуляторная батарея, являющаяся источником постоянного тока. Поэтому для преобразования постоянного тока в переменный (синусоидальный) ток и получения высокого напряжения используется преобразователь push-pull. Преобразователь push-pull – классический пример двухтактных схем и является, по сути, мультивибратором. Двухтактные схемы преобразователей имеют меньшие габариты по сравнению с однотактными, меньшие габариты выходного фильтра, большую мощность. Однако они в базовой схеме содержат большее число элементов. Свое название преобразователь получил от сочетания слов «push» — толкать и «pull» — тянуть. То есть «тяни-толкай», что отражает концепцию работы схемы – одна обмотка тянет, а другая толкает. Другие названия преобразователя с топологией push-pull – «тяни-толкай», двухтактный преобразователь с выводом от средней точки.

При работе преобразователя энергия передается в нагрузку в течение обоих полупериодов работы. Преобразователь push-pull используется при низком входном напряжении питания (до 50 В) и выходной мощности 50-1000 Вт.

Принципиальная электрическая схема устройства для электростатического опрыскивания пропашных культур представлена на рисунке (рисунок 2.25). Схема содержит два ключевых транзистора VT₂, VT₃. Первичная обмотка трансформатора Tr₁ содержит две полуобмотки с одинаковым числом витков. Средняя точка обмотки подключена к источнику питания, а противофазные выходы обмоток соединены с ключевыми транзисторами VT₂, VT₃. Оба ключевых транзистора соединены с общей «земляной» шиной питания и управление транзисторами осуществляется относительно уровня «земли». В процессе работы к полуобмоткам прикладываются импульсы напряжения амплитудой равной напряжению источника питания. За счет противофазного включения полуобмоток осуществляется симметричное перемагничивание магнитопровода повышающего трансформатора Tr₁. В преобразователе push-pull как и в любом другом двухтактном преобразователе необходимо в выходной части использовать двухполупериодную схему выпрямления VD₂, VD₃. Используемые компоненты в устройстве представлены в таблице 2.6.

Рисунок 2.24 Схема устройства для электростатической
обработки пропашных культур

Таблица 2.6. Компоненты устройства для электростатической
обработки пропашных культур

Собранный преобразователь напряжения (с низкого напряжения постоянного тока в высокое напряжение переменного тока) представлен на рисунке 2.25.

Рисунок 2.25 Преобразователь напряжения

Между аккумулятором и преобразователем напряжения устанавливается, как показано на схеме (рисунок 2.24), транзистор VT₁, работающий ключевом режиме. Транзистором VT₁ управляет микроконтроллер. При подаче импульсов микроконтроллером на вход транзистора (рисунок 2.26), имеющих частоту 50 Гц, на выходе преобразователя напряжения формируется модулированный сигнал в виде рыбок, показанный на рисунке 2.27.

Рисунок 2.26 Импульсный сигнал

Импульсный сигнал характеризуется такими параметрами, как скважность S и коэффициент заполнения D

(2.1)

где T – период импульса, с;

τ – длительность импульса, с.

Установив заполнение 50%, получим скважность импульсов

Рисунок 2.27 Модулированный сигнал U – потенциал (напряжение), В, Т — время, с.

Как мы видим из рисунка 2.27, после подачи импульса на вход транзистора (включение преобразователя напряжения), вначале возникает небольшой потенциал на выходе преобразователя. Затем, в процессе работы преобразователя напряжения происходит резкое повышение переменного потенциала (в 3 раза) и далее этот потенциал продолжает медленно повышаться. После отключения преобразователя напряжения (снижение напряжения на входе транзистора до нуля) потенциал продолжает присутствовать на выходе преобразователя напряжения, медленно снижая свое значение. То есть, даже при отключенном состоянии преобразователя напряжения (потребление электроэнергии отсутствует) резонансном контуре продолжаются колебательные процессы.

При подаче на вход транзистора постоянного сигнала преобразователь напряжения работает в непрерывном режиме (рисунок 2.28).

Рисунок 2.28 Осциллограмма на выходе преобразователя напряжения:
U – потенциал (напряжение), В, Т — время, с.

Для выпрямления переменного высоковольтного сигнала используется диод MCW422UN, показанный на рисунке 2.29.

На рисунке 2.30 представлен электрод, устанавливаемый непосредственно на выходе сопла. Электрод представляет собой медную проволоку, намотанную в катушку (тороид). Один из концов соединяется с проводкой, идущего от источника высокого напряжения (преобразователь напряжения), второй конец выведен по центру тороидального электрода. В

Рисунок 2.29 Высоковольтный диод MCW422UN

Рисунок 2.30 Электрод беспилотного электроагрегата

3 ПРОВЕДЕНИЕ ПОЛЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ

3.1 Подготовительный этап

3.1.1 Место проведения полевых испытаний

Испытания проводились в период с июня по август 2020 г.на полях:

— Глава крестьянского (фермерского) хозяйства Исламгулов И.Р., Кармаскалинский район РБ.

— Учебно-научном центре ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ, Уфимский район РБ.

Основными видами деятельности данного КФХ Исламгулов И.Р., является выращивание зернобобовых культур (более 90 Га), сахарной свеклы (более 50 Га), разведение молочного крупного рогатого скота (более 40 голов КРС).

Данное хозяйство является передовым по производственно-экономическим показателям, использует прогрессивные технологии, имеет высококвалифицированные кадры и достаточно развитую материально-техническую базу. Причина этого заключается в широком использование современной техники, сельскохозяйственной науки, в прогрессивных ресурсосберегающих, экологически безопасных технологиях и передовом опыте, в высокой культуре производства, отвечающей требованиям современной научной организации труда и управления.

На базе крестьянского (фермерского) хозяйства проводятся научные исследования по совершенствованию систем земледелия, разработке ресурсосберегающих технологий возделывания пропашных культур и другим актуальным вопросам земледелия, агрохимии, растениеводства, защиты растений, экономики, механизации, ресурсосбережения.

Крестьянское (фермерское) хозяйство Исламгулова И. Р. в своей деятельности осуществляют сбалансированные стратегии двух экономических процессов:

создание и развитие эффективного агробизнеса;

создание условий для устойчивого развития сельских территорий.

Учебно-научный центр ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ является структурным подразделением, где проводятся учебные практики и научно-исследовательская и научно-производственная деятельности. Имеется 595 га пашни, где ведется селекционно-семеноводческая деятельность по озимым и яровым культурам, в т.ч. озимая рожь и пшеница, яровая пшеница, горох полевой, соя и кормовым травам.

3.1.2 Сборка беспилотного электроагрегата

Беспилотный электроагрегат (БПЭА) для аэрозольной дифференцированной обработки сельскохозяйственных культур в электростатическом поле сконструирован таким образом, чтобы занимать как можно меньше пространства при транспортировке. Габариты беспилотного электроагрегата позволяют перевозить его в легковом автомобиле либо в кузове небольшого пикапа.

Электроагрегат спроектирован по принципу модульной (сборно-разборной) конструкции состоящей из 3 блоков и 6 основных элементов (рисунок 3.1). Сборка/разборка электроагрегата осуществляется за 20 минут (таблица 3.1).

Рисунок 3.1 Быстросъемные блоки беспилотного электроагрегата

Таблица 3.1 Модули беспилотного электроагрегата

• обслуживанию;
• правила техники безопасности при проверке технического состояния БПЭА, приемы устранения неисправностей и выполнения работ по техническому обслуживанию, правила обращения с эксплуатационными материалами.

3.1.3 Ознакомление с аппаратно-программным комплексом

Аппаратно-программный комплекс предназначен для автоматического вождения БПЭА и выполнения технологических сельскохозяйственных операций в автоматическом и ручном режимах. Комплекс способствует точно и без огрехов управлять БПЭА, при любой видимости – днем и ночью, в туман, при сильной запыленности. В результате применения данного комплекса сокращаются сроки и стоимость выполнения сельскохозяйственных работ.

Моноблок представляет собой электронный блок управления с современным сенсорным монитором в прочном компактном моноблочном форм-факторе (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 Внешний вид моноблока

Одним из преимуществ данной разработки является интуитивно понятное программное обеспечение (Рисунок 3.3). Функционал позволяет запись и обработку информации (запись границ поля, передача и сохранение данных, корректировку работы).

Рисунок 3.3 Интерфейс программного обеспечения

Интерфейс отображает набор необходимых данных, таких как:

• отклонение от курса
• обработанная площадь
• производительность
• скорость движения
• угол поворота колес
• поворот влево
• поворот вправо
• движение вперед
• движение назад
• СТОП…………………… …

Для расширения базовых функций моноблока возможно подключение следующих опций:

— подключение GSM/GPRS модема для передачи данных c прибора в режиме реального времени;

— активация режима RTK для работы с базовыми станциями.

Многофункциональный програмнный комплекс позволяет:

— параллельное вождение по курсоуказателю вдоль рядов в условиях любой видимости в ручном режиме

— автоматическое движение (беспилотное управление)

— управлять секциями опрыскивателей.

Технический потенциал навигационной системы:

— встроенный GPS-приемник;

— возможность приема поправок RTK (2–3 см);

— порты USB для загрузки обновлений и выгрузки данных;

— разъёмы карт памяти для загрузки обновлений и выгрузки данных;

— встроенная аккумуляторная батарея;

— возможность измерения площади по контуру;

— встроенный фильтр Gl1de.

ВОЗМОЖНОСТИ СИСТЕМЫ

Прием различных видов коррекционных сигналов GPS/ГЛОНАСС в том числе Novatelcorrect);

Точность 0-20 см (с коррекционным сигналом RTK 0-3 см);

Интуитивно понятное ПО;

Запись и обработка полученной информации;

Гироскопические датчики горизонта обеспечивают работу системы на неровных участках местности (холмы, спуски, подъемы);

Мониторинг результатов работы;

ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА

• Отсутствие перекрытий, пропусков– равномерность обработки полей;

• Точное внесение удобрений и химикатов;

• Возможность работы в дневное и ночное время, а также в условиях плохой видимости;

• Снижение затрат на семена, удобрения, химикаты;

• Контроль качества операций и увеличение урожайности.

Программный комплекс беспилотного электроагрегата позволяет уменьшить расход химикатов и удобрений за счет равномерного внесения по всей площади обработки (дифференцированное внесение), увеличить производительность труда (возможность работы в ночное время, а также в условиях плохой видимости).

3.2 Практическое управление беспилотным электроагрегатом

3.2.1 В ручном режиме управления БПЭА

Ручной режим управления — все технологические операции обработки пропашных культур (посевов) управляются или осуществляются оператором дистанционно без использования заранее введенной программы. Все автоматические последовательности выполняются по команде оператора, которые он задает посредством кнопок, расположенных на дисплее моноблока.

Данный режим необходим при движении БПЭА по дорогам общего пользования, а также когда затруднено движение в автоматическом режиме.

В данном режиме реализованы следующие функции:

– Прокладка линий движения А В в качестве маркеров;

– Режим работы в качестве курсоуказателя;

– Отображение и запись данных;

Прямая AB – самая простая форма линии. Используйся прямая линия AB, когда нет необходимости определять поворотные полосы, и требуется вести БПЭА по параллельным прямым линиям. Для создания прямой линии АВ определяется стартовую точку (A) и конечную точку (B). Затем появляется прямая линия АВ, соединяющая две точки.

Для создания курсовой линии АВ необходимо выбрать способ движения ПО ПРЯМОЙ
или же ПО КРИВОЙ, для движения по изогнутым контурам.

Затем проехать по планируемой траектории движения, задав начальную (точка A) и конечную точки (точка B). Когда координаты точек А и В заданы, будет построена прямая линия, проходящая через них (рисунок 3.4). Так же можно наблюдать на дисплее положение БПЭА в поле, курсовую линию и расстояние смещения от нее. На дисплее оператор может узнать, на какую величину необходимо скорректировать свое положение.

Когда система начинает описывать линию, оператор определяет ширину захвата. Эта ширина используется для расчета расстояния между курсовыми линиями. Если требуется, чтобы курсовые линии были расположены в точном соответствии ширине, то можно задать наложение или пропуск.

Остальные линии будут построены параллельно курсовой линии АВ, тем самым можно будет осуществлять параллельное движение в режиме курсоуказателя.

Рисунок 3.4 Пример построения курсовой линии АВ

Курсоуказатель показывает положение БПЭА на поле, линию направления и расстояние смещения от линии направления, так, что оператор может определить расстояние, необходимое для коррекции положения.

Визуализация отклонений показывает местоположение БПЭА относительно заданной линии направления. Если БПЭА меняет положение относительно линии направления, светодиоды смещаются влево или вправо (Таблица 3.2). Курсоуказатель необходим для получения точного направления и корректировки курса БПЭА и для обеспечения точного вождения по прямым линиям.

Возможность запоминать не только конечные и начальные точки ряда, но и любую кривую в качестве опорной линии, позволяет реализовать самые разные варианты обработки, в том числе режим «ПО КРИВОЙ».

Таблица 3.2 Визуализация отклонений БПЭА и его корректировка относительно заданной линии направления движения

Отклонение от курса
Визуализация отклонений
Поворот влево/вправо
Движение вперед
Движение назад
СТОП

Ниже приведен пример выполнения работ в режиме вождения «по прямой» (рисунок 3.5). Программное обеспечение автоматически выполняет разбивку обрабатываемой площади на параллельные направляющие согласно заданной ширине обработки (ширина заданная пользователем в настройках программы). Система ориентируясь на первую линию между точками «А» и «В» выдает пользователю визуальные подсказки в случае отклонения от правильной траектории движения, тем самым позволяет упростить работу.

Рисунок 3.5 Пример выполнения работ в режиме вождения «ПО ПРЯМОЙ»

3.2.2 В автоматическом режиме управления БПЭА

Автоматический режим — режим работы, при котором оператор БПЭА дает только команду на начало процесса обработки, а все последующие технологические операции выполняются автоматически.

В данном режиме реализованы следующие функции:

– Прокладка линий движения А В в качестве маркеров;

– Режим работы в качестве автопилота;

– Отображение и запись данных.

Для передачи управления системе оператору необходимо вывести БПЭА на прямой курс или
изогнутый путь (проделать все то же самое, что и в ручном режиме управления) и нажать кнопку, и система
приступит к автоматическому управлению и маневрированию.
Если оператору необходимо взять управление на себя, то достаточно нажать кнопку

Ниже приведен пример выполнения работ в автоматическом режиме вождения (рисунок 3.6). Программное обеспечение автоматически выполняет разбивку обрабатываемой площади на параллельные направляющие согласно заданной ширине обработки (ширина обработки, заданная пользователем в настройках программы). Система, ориентируясь на первую линию между точками «А» и «В», продолжает параллельное им движение, тем самым происходит вождение в автоматическом режиме, БПЭА сам корректирует курс движения.

Для разворота в конце загона нажать кнопку «разворот по часовой стрелке»,
или «против часовой стрелки», и БПЭА сам осуществит разворот по выбронной траектории
Так же есть возможность увеличить масштаб либо
уменьшить, для более детального рассмотрения какой-либо области

Рисунок 3.6 Пример выполнения работ в автоматическом режиме вождения

После нескольких минут использования системы в автоматическом режиме можно будет убедиться, что система адекватно управляет БПЭА и точно ведет его по выбранному маршруту. Таким образом, исключаются ошибки оператора, вызванные усталостью или невнимательностью.

3.3 Экспериментальные исследования БПЭА

3.3.1 Картографический обзор места проведения полевых испытаний

Одним из важных этапов для проведения полевых испытаний является подготовка цифровой картографической основы, что обеспечивает автоматизированное отображение пространственно-координированных данных по отдельным полям, а также реализацию оптимальных агротехнических решений.

При картографическом обеспечении точного земледелия использовалась космическая съемка. Космоснимки или материалы дистанционного зондирования получают с космических спутников. Они могут быть как платные, так и бесплатные. Платные заказываются в специальных организациях (например, в России поставщиком космоснимков является компания Сканекс и другие), указывается место съемки и разрешение. Съемки производятся такими спутниками как Landsat 7, SPOT 5 и т.д. Обрисовывать контура в этом случае можно не используя планы, так как изображение настолько четкое, что можно разглядеть дренажные каналы, элементы растительности, дороги, которые обычно являются границами полей, и точность при этом будет достаточно высокой (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 Космоснимок места проведения полевых испытаний (Яндекс карты)

После анализа местности можно реализовать различные агротехнические решения, в нашем случае определить начало и способ движения БПЭА на заданном участке поля.

3.3.2 Этапы проведения полевых испытаний

Испытания проводились на полях крестьянского (фермерского) хозяйства Исламгулов И. Р. (Кармаскалинский район) и Учебно-научном центре Башкирского ГАУ (Уфимский район).

Лабораторные и полевые опыты закладывались на яровой пшенице, конопле, озимой пшенице и ржи.

Опыты выполнялись в несколько этапов (при различной влажности воздуха и температуры окружающей среды), состоящих из нескольких режимов работы (таблица 3.3).

Таблица 3.3 Режимы работы и этапы проведения полевых испытаний

Благодаря такому подходу стало возможно объективно оценить работоспособность БПЭА. Сравнить различные способы внесения на разных участках поля, проверить теоретические и лабораторные исследования в полевых условиях, приближенных к естественной среде работы БПЭА на сельскохозяйственных работах (рисунок 3.8). Маршрут движения БПЭА отмечался сигнальной лентой (рисунок 3.9).

Рисунок 3.8 БПЭА на полевых испытаниях

Рисунок 3.9 Маршрут движения БПЭА отмечался сигнальной лентой

В конце пройденного пути были произведены замеры отклонений от идеальной траектории движения БПЭА. Таким образом были произведены все 4 этапа полевых испытаний. Получены зависимости количества капель (густота покрытия, капель/см²) на обрабатываемой поверхности листа от влажности воздуха и температуры окружающей среды при аэрозольной обработке сельскохозяйственных культур с применением электротехнологии и без нее.

3.4 Результаты проведенных испытаний

Одним из наиболее распространенных способов внесения жидких препаратов сегодня является полнообъемное опрыскивание. Основные его недостатоки – низкая производительность агрегатов, высокие эксплуатационные затраты и загрязнение почвы препаратами, которые стекают с растений в результате излишнего смачивания. С целью устранения данных недостатков, предлагается дифференцированная обработка мелкодисперсной аэрозолью (малообъемное опрыскивание) в электростатическом поле. Размер капель зависит от вязкости, плотности раствора, поверхностного натяжения и параметров процесса опрыскивания. Размер формируемых капель определяется по стандарту ISO 25358 (таблица 3.4). К малообъемному опрыскиванию относятся капли-аэрозоли медианным диаметром менее 210 мкм.

Таблица 3.4 Медианные диаметры капли по стандарту ISO 25358

При таком опрыскивании все капли приземляются преимущественно под действием силы тяжести, одновременно с этим происходит их испарение, интенсивность которого зависит от влажности и температуры окружающей среды, что негативно сказывается на обработке сельскохозяйственных культур.

Данный недостаток исключается посредством придания частицам аэрозоли электрического заряда. В электрически заряженной мелкодисперсной аэрозоли возникают дополнительные силы взаимодействия частиц – электростатическое рассеяние и зеркальное отображение, что способствует выравниванию концентрации по объему при одновременном увеличении скорости осаждения. Данный способ зависит от влажности и температуры окружающей среды.

Физическая сущность осаждения (прилипания) заряженных капель аэрозоля заключается в явлении переноса электрических зарядов между электродами, находящимися под разными потенциалами, которые в свою очередь зависят от температуры и влажности окружающей среды. Своеобразным электродом является обрабатываемое растение, имеющее отрицательный потенциал. Электрод для электрозарядки аэрозоли соответственно имеет положительный потенциал.

Испытания проводились на протяжении 3 дней на яровой пшенице. С целью определения количества капель (густота покрытия, капель/см²) на обрабатываемой поверхности листа от влажности воздуха и температуры окружающей среды при аэрозольной обработке сельскохозяйственных культур с применением электротехнологии и без нее. Было произведено 8 проходов при различной влажности и температуры окружающей среды, так же были произведены замеры точности движения БПЭА (таблица 3.5). Результаты проходов представлены в таблице 3.11

Таблица 3.5 Результаты проходов в различных режимах работы

Исследования, проведенные на яровой и озимой пшенице с применением жидких удобрений показали положительную динамику внесения их беспилотным электроагрегатом (БПЭА) через электростатическое поле в сравнении с традиционным опрыскиванием (Рис. 3.10).

Площадь делянок – 50 м², повторность трехкратная, размещение систематическое. В качестве удобрения использовали Бионекс-Кеми жидкий (NPK 10:10:10) производства НВП «Башинком», который смешивали в разных дозах с водой и вносили в качестве подкормки. Полевые экспериментальные исследования проводились в 2020 году на опытном поле учебно-научного центра Башкирского государственного аграрного университета. Почва опытного участка – чернозем выщелоченный.

Схема опыта следующая:

1. Контроль (традиционная технология) NPK 5л/га+200 л. воды

2. Электростатическое опрыскивание – NPK 5л/га +200 л. воды

3. Электростатическое опрыскивание – NPK 5л/га +150 л. воды

4. Электростатическое опрыскивание – NPK 5л/га +100 л. воды

Рис. 3.10 Варианты опытов на яровой и озимой пшенице

Проведенные исследования на опытных участках показали высокую эффективность внесения жидких удобрений ультразвуковым генератором через электростатическое поле (Рис. 3.11).

Рис. 3.11 Варианты опытов на яровой и озимой пшенице

Исследуемый агрохимический прием позволил повысить количество продуктивных стеблей, длину колоса, массу 1000 зерен, и соответственно увеличить урожайность пшеницы сорта Ватан. Максимальная урожайность яровая пшеница сформировала на варианте с электростатическим опрыскиванием с дозой NPK 5л/га +200 л. воды, и она составила 2,6 т/га, что больше на 0,2 т/га, чем при внесении удобрений традиционным способом. По всей видимости, результат обеспечен благодаря равномерному распределению распыляемых капель на поверхности и усиленного прилипания рабочего раствора. С уменьшением дозы рабочего раствора эффективность не наблюдалась, решающую роль здесь мог сыграть снос или дрейф капель за счет малого объема рабочей жидкости. Также поведение капель зависит от многих факторов, как размеры, инерция и сила тяжести.

Таблица 3.6 Влияние дозы жидких удобрений на урожайность

яровой пшеницы

На конопле заложен опыт по изучению эффективности применения изучаемого метода при внесении гербицидов (рисунок 3.12).

Рисунок 3.12. Размещение делянок и опрыскивание гербицидами опытов

Засоренность посевов была выше средней, т.к. предшественником был занятый пар (Таблица 3.7). Опрыскивание проводилось в фазе третьей пары настоящих листьев гербицидом Хилер (1 л/га).

Таблица 3.7. Засоренность конопли посевной до опрыскивания

Таблица 3.8. Засоренность конопли посевной через 2 недели

после опрыскивания

Как видно из таблицы 3.8, опрыскивание гербицидом Хилер в целом дало заметное уменьшение количества сорняков через 2 недели после опрыскивания. В варианте Эталон количество сорняков стало в 4 раза больше (в воздушно-сухой массе). Использование холодного тумана и его сочетание с электростатическим полем было эффективнее в сравнении со стандартным опрыскиванием. Наибольшая эффективность была в варианте холодный туман в сочетании с электростатическим полем. Внесение гербицидов электростатическим полем позволило сократить расход воды, уменьшить эксплуатационные затраты работы электроагрегата на поле.

Таким образом, первые результаты полевых исследований показывают высокое качество обработки сельскохозяйственных культур через электростатическое поле посредством беспилотного электроагрегата. Качество обеспечивается за счет однородности образуемых капель и равномерности их распределения на поверхности листьев сельскохозяйственных культур, увеличения количества осаждаемых на растении рабочего раствора и обволакивания листьев.

3.4.1 Анализ полученных результатов

На рисунках показаны зависимости количества капель (густоты покрытия, капель/см²) на обрабатываемой поверхности листа от влажности воздуха и температуры окружающей среды при аэрозольной обработке сельскохозяйственных культур без применения электротехнологии (рисунок 3.13) и с применением электротехнологии (рисунок 3.14).

Из графика видно, что наибольшая густота покрытия листа происходит на 3 этапе (Температура 16-22⁰ С, влажность 30-50%). Это обусловлено тем, что такие параметры соответствуют агротехнологическим требованиям [00]. Так же можно заметить снижение густоты покрытия листа на 1 и 4 этапах. Это связано с тем, что медианные диаметры капли менее 210 мкм и они подвержены сносу вихревыми потоками (ветром), и при высоких температурах окружающей среды — испарению. Данный способ обработки сельскохозяйственных культур из-за маленького размера капель имеет недостатки, по сравнению с полнообъемной обработкой (опрыскиванием).

Рисунок 3.13 Зависимости количества капель (густоты покрытия) на обрабатываемой поверхности листа от влажности воздуха и температуры окружающей среды при аэрозольной обработке сельскохозяйственных культур без применения электротехнологии

Рисунок 3.14 Зависимости количества капель (густоты покрытия) на обрабатываемой поверхности листа от влажности воздуха и температуры окружающей среды при аэрозольной обработке сельскохозяйственных культур с применением электротехнологии

Из графика видно, что наибольшая густота покрытия листа происходит на 3 этапе (Температура 16-22⁰ С, влажность 30-50%). Это обусловлено тем, что такие параметры соответствуют агротехнологическим требованиям. Так же можно заметить снижение густоты покрытия листа на 1этапе. Это связано с тем, что медианные диаметры капли менее 210 мкм и они подвержены сносу вихревыми потоками (ветром), и при высоких температурах окружающей среды – испарению. Благодаря электротехнологии густота покрытия листа более равномерна и может конкурировать с полнообъемной обработкой (опрыскиванием).

При проведении испытаний было выявлено, что наибольшее количество капель (густота покрытия, капель/см²) было достигнуто с применением электротехнологии при температуре воздуха 16-22⁰ С и влажности 30-50%. Наименьшее количество капель (густота покрытия, капель/см²) при температуре воздуха 0-7⁰ С и влажность более 70% без применения электротехнологии. Результаты представлены в таблице 3.9

Таблица 3.9 Средние значения густоты покрытия листа в зависимости от температуры и влажности.

Зависимость густоты покрытия (среднее значение) на обрабатываемой поверхности листа от влажности воздуха и температуры окружающей среды при аэрозольной обработке сельскохозяйственных культур на различных этапах показана на рисунке 3.15.

Рисунок 3.15 Зависимость густоты покрытия (среднее значение) на обрабатываемой поверхности листа от влажности воздуха и температуры окружающей среды при аэрозольной обработке сельскохозяйственных культур

Густота покрытия капель зависит от температуры и влажности окружающей среды. Наименьшее количество капель выявлено на 1 этапе (температура 0-7⁰ С, влажность >70%), это связано с тем, что высокая влажность воздуха и низкая температура приводит к замедленному испарению и мелкодисперсную аэрозоль сносит вихревыми потоками за периметр обработки, что в свою очередь сказывается на эффективности обработки. Применение электротехнологии дает прирост количества капель всего на 6%, что является недостаточным как с агротехнической точкой зрения, так и с экономической. На 4 этапе (Температура 23-30⁰ С, влажность <30%) видно, что чем выше температура и ниже влажность, тем быстрее капли улетучиваются и могут полностью высыхать, т.е. эффективность препарата, приземлившегося на растение в виде такой «сухой» капли снижается Применение электротехнологии дает прирост в 14%.

Обработка же с применением электротехнологии позволяет увеличить количество капель, осаждаемых на растение при относительной влажности воздуха 30%- 70% и температуре 8-22⁰С до 28%. Такие параметры влажности воздуха и температуры окружающей среды наиболее благоприятны для стекания электрических зарядов. Следовательно осаждение (прилипание) заряженных капель аэрозоля при таком способе обработки является более эффективным способом внесения по сравнению с обычной аэрозольной обработкой (без применения электротехнологии).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан беспилотный электороагрегат, который позволяет дифференцированно и автономно обрабатывать мелкодисперсной аэрозолью сельскохозяйственные культуры. Способность выполнять поставленные задачи беспилотным электроагрегатом с аппаратно-программным комплексом и микропроцессорной системой управления полностью исключает из технологического процесса машинно-тракторный агрегат с оператором

Проведенные полевые испытания показали, что отклонения беспилотного агрегата от курса в среднем составляют 14 см (Протокол испытаний №5 от 12.09.2020).

Разработано и исследовано устройство для электрозарядки холодного тумана, предназначенное для опрыскивания сельскохозяйственных культур, которое наряду с известными аналогами позволяет снизить потребление электрической энергии за счет периодического прерывания цепи питания устройства.

Полевые исследования показывают высокое качество обработки сельскохозяйственных культур через электростатическое поле посредством беспилотного электроагрегата. Использование холодного тумана и его сочетание с электростатическим полем было эффективным в сравнении со стандартным внесением жидких удобрении и гербицидов. Максимальная урожайность яровая пшеница сформировала на варианте с электростатическим опрыскиванием с дозой NPK 5л/га +200 л. воды, и она составила 2,6 т/га, что больше на 0,2 т/га, чем при внесении удобрений традиционным способом. Опрыскивание гербицидом Хилер дало уменьшение количества сорняков через 2 недели после опрыскивания. В варианте Эталон количество сорняков стало в 4 раза больше (в воздушно-сухой массе).

Качество внесения обеспечивалось за счет однородности образуемых капель и равномерности их распределения на поверхности листьев сельскохозяйственных культур, увеличения количества осаждаемых на растении рабочего раствора и обволакивания листьев.

Система была разработана на кафедре «Электрические машины и электрооборудование» Башкирского государственного аграрного университета, на которую получен патент Российской Федерации (№190594 от 04.06.2019).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Перечень публикаций в журналах ВАК и Scopus

1. Aipov R. Research of the work of the sieve mill of a grain-cleaning machine with a linear asynchronous drive / Linenko A., Badretdinov I., Tuktarov M., Akchurin S.// Mathematical Biosciences and Engineering. 2020. Т. 17. № 4. С. 4348-4363.
2. Asylbaev I. Composition, properties, and use of secondary re-sources as organic soil ferti-lizers / Asylbaev I., Nigmatzyanov A., Khabirov I., Sergeev V., Kurmasheva N. // Periodico Tche Quimica. 2020. Т. 17. № 35. С. 259-268.
3. Asylbaev I.G. Temporal change of soil chemical properties in the southern forest-steppe of the ufa region of the republic of Bashkortostan, Russia / Khabirov I.K., Khasanov A.N., Gabbasova I.M., Garipov T.T.// Journal of Water and Land Development. 2020. Т. 44. № 1-3.
4. Исламгулов, Д.Р. Состояние и перспективы развития коноплеводства / Д.Р. Исламгулов, Г.Г. Бикбаева // Вестник БГАУ. – 2020. – № 4. – С.36-39.
5. Линенко А.В. Беспилотный электроагрегат для обработки сельскохозяйственных культур холодным туманом / А.И. Азнагулов, Т.И. Камалов, В.В. Лукьянов // Известия ОГАУ. – 2020. — №5 (85). С.136-139.

Участие в конференциях, круглых столах, публикации в сборниках

1. Асылбаев И.Г. Урожайность яровой пшеницы при внесении жидких удобрений через электростатическое поле беспилотного электроагрегата / И.Г.Асылбаев, Д.Р.Исламгулов, В.В.Лукьянов // Материалы международной научно-практической конференции: Устойчивое развитие территорий: теория и практика. Сибай. 2020. – С. 81-83.
2. Линенко А.В. Аппаратно-программный комплекс в системе точного земледелия /А.В. Линенко // Конференция в рамках всероссийской агропромышленной выставки «Золотая осень 2020», октябрь 2020.
3. Байназаров В.Г. Устройство для электростатического опрыскивания сельскохозяйственных культур / В.Г.Байназаров, В.В.Лукьянов // Конференция «Актуальные проблемы в электроэнергетике» в рамках Российского энергетического форумы, октябрь 2020.
4. Линенко А.В. Внесение жидких веществ с помощью электрически заряженного холодного тумана / А.В.Линенко, В.Г.Байназаров, В.В.Лукьянов // Конференция в рамках международной агропромышленной выставки «Агрокомплекс 2020», март 2020.
5. Лукьянов В.В. Система автоматического управления беспилотным электроагрегатом / В.В.Лукьянов, Ш.Ф. Сираев // Конференция «Актуальные проблемы в электроэнергетике» в рамках Российского энергетического форумы, октябрь 2020.
6. Линенко А.В. Цифровизация и автоматизация АПК. Круглый стол «Высококвалифицированные инженерные кадры залог энергоэффективности предприятия» в рамках Российского энергетического форумы, 28 октября 2020 г.
7. Асылбаев И.Г. Оцифровка и создание электронных почвенных карт на основе агрохимических обследований сельскохозяйственных угодий / И.Г.Асылбаев, И.Р.Юлдыбаев // Материалы международной научно-практической конференции: Инновации и технологический прорыв в АПК, Брянский ГАУ, 2020.  – С. 123-127.
8. Исламгулов, Д.Р. История, состояние и перспективы возделывания конопли посевной / Исламгулов Д.Р., Бикбаева Г.Г. // В сборнике: Развитие научной, творческой и инновационной деятельности молодежи. Сборник статей по материалам XII Всероссийской (национальной) научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 125-летию Т.С. Мальцева. Под общей редакцией И.Н. Миколайчика. Курская ГСХА, 2020. – С. 120-124.
9. Исламгулов, Д.Р. Современные методы внесения минеральных удобрений при возделывании конопли посевной /Исламгулов Д.Р., Бикбаева Г.Г., Асылбаев И.Г., Линенко А.В., Лукьянов В.В. // Материалы международной научно-практической конференции: Инновации и технологический прорыв в АПК, Брянский ГАУ, – С. 118-121.
10. Исламгулов, Д.Р. Конопля посевная – важнейшая техническая культура /Исламгулов Д.Р., Бикбаева Г.Г. // В сборнике: Научно-образовательные и прикладные аспекты производства и переработки сельскохозяйственной продукции. Сборник материалов Международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию А.И. Кузнецова. Чувашский ГАУ, 2020. – С. 154-159.

Приложения

РЕФЕРАТ

Отчет 140 с., 1 кн., 58 рис., 13 табл., 80источн., 2 прил.

АЛЬТЕРНАТИВНОЕ ТОПЛИВО; ГАЗОМОТОРНОЕ ТОПЛИВО; МЕТАН; БИОТОПЛИВО; ГАЗОДИЗЕЛЬ; УПРАВЛЕНИЕ ЗАПАЛЬНОЙ ДОЗОЙ ТОПЛИВА; СМЕСИТЕЛЬ БИОТОПЛИВА.

Объектом исследования является система питания дизельных двигателей автотракторной и сельскохозяйственной техники.

Цель работы — разработка ресурсосберегающих технологий механизации производственных процессов в АПК обеспечивающих снижение себестоимости сельскохозяйственной продукции и повышение экологического класса машинно-тракторного парка за счет рационального применения газомоторного и альтернативных видов топлива.

В ходе проведения НИР проводились теоретические и экспериментальные исследования тракторов и автомобилей и их отдельных агрегатов.

Итогом исследования являются разработанные новые доступные схемы и технологии модернизации системы питания дизеля для использования компримированного природного газа (метана) и биотоплива на основе рапсового масла, позволяющие без каких-либо существенных конструктивных изменений рационально перевести технику на альтернативное топливо. В результате исследования были созданыоригинальные конструкции механизма управления запальной дозой топлива и смесителя-дозатора дизтоплива и рапсового масла.

Предложенная технология перевода дизельного двигателя на газодизельный цикл работы реализована для трактора МТЗ-82 и автомобиля КамАЗ-45115 и внедрена в 3-х предприятиях республики. Методика использования биотоплива реализована на тракторе МТЗ-82.Технологии перевода техники на альтернативные виды топлива изложены в виде практических рекомендаций утвержденных Научно-техническим советом Министерства сельского хозяйства РБ.

Все предложенные разработки прошли производственную проверку и доказали экономическую эффективность соразмерную с расчетными значениями.

ВВЕДЕНИЕ

Современные технологические процессы сельскохозяйственного производства требуют высокого уровня механизации проводимых работ, основой которой являются автомобили и машинно-тракторные агрегаты (МТА). Важней­шим направлением повышения эффективности их работы является улучшение технико-экономических показателей и снижение себестоимости эксплуатации. Основным источником энергии для МТА является дизельный двигатель и значительная доля затрат (25%…30%)приходится на потребляемое им топливо, поэтому снижение доли этой составляющей переводом дизельных двигателей на более дешевые альтернативные виды топлива является перспективной задачей.Кроме того, современные требования к качеству сельскохозяйственной продукции направлены на ограничение влияния техники на экологию окружающей среды при ее работе, что способствует поиску новых экологичных и безопасных видов топлива.

В этой связи большой интерес представляет изыскание альтернативных видов топлив, основными из которых сегодня являются природный газ (метан) и биотопливо, полученное на основе масличных культур. Их применение может снизить затраты на эксплуатацию техники, повысить рентабельность производства, особенно в растениеводстве, и снизить экологический ущерб, наносимый окружающей среде отработавшими газами дизелей.

Учитывая государственную политику в отношении цен и развития сети заправок компримированный природный газ (метан) становится реальным конкурентом дизельному топливу, несмотря на необходимость переоборудования автомобиля и обязательную регистрацию внесенных изменений. Газомоторное топливо хорошо подходит в качестве заменителя жидких нефтяных топлив для двигателей внутреннего сгорания благодаря своей экономичности, экологичности и доступности, при этом не требуя кардинальных изменений конструкции автотракторной техники [1].

Модернизация автотракторной техникиуже находящейся в эксплуатации непосредственно в предприятиях АПК позволит в более короткий срок перевести на альтернативное топливо большое количество машин, не дожидаясь замены дизельной техники по мере выработки ей своего ресурса.

При этом нужно принимать во внимание, что формирование оптимальных показателей рабочего процесса через конструктивные и регулировочные параметры двигателя с целью достижения наилучшей топливной экономичности при смене вида топлива является одной из основных текущих проблем двигателестроения и требует глубоких научных исследований. Разработка современных методов и оригинальных устройств для перевода двигателей внутреннего сгорания на альтернативные виды топлива с учетом региональных особенностей Республики Башкортостан позволит значительно снизить прямые затраты на топливо и выбросы вредных веществ с отработавшими газамипри проведении сельскохозяйственных работ.

В этой связи перевод машинно-тракторного парка на более дешевые и экологически чистые альтернативные виды топлива рассматривается как актуальная и экономически обоснованная задача, направленная на получение высококачественной сельскохозяйственной продукции при сопоставимых с зарубежными производителями величинах ее себестоимости.

Тематика выполненных НИР согласуется с приоритетным направлением развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Транспортные и космические системы» в области увеличения экономичности перевозок за счет снижения расхода топлива и создания новых экологичных видов транспорта; федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (мероприятие 1.4) и с подпрограммой «Переход к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, разработку и внедрение систем рационального применения средств химической и биологической защиты сельскохозяйственных растений и животных, хранение и эффективную переработку сельскохозяйственной продукции, создание безопасных и качественных, в том числе функциональных, продуктов питания» Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации (утверждена Указом Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 года №642).

1 Анализ использования альтернативных видов топлива в двигателях внутреннего сгорания.

1.1 Использование метана для дизельных двигателей.

Выбор альтернативных видов топлива для дизельных двигателей сель­скохозяйственной техники имеет свои особенности и приоритет выбора должен быть основан на детальной оценке преимуществ и недостатков их использования различными типами двигателей внутреннего сгорания. Поэтому целесообразно выбрать наиболее экономичное альтернативное топливо и сосредоточиться на более широком применении его в энергетических устройствах. В связи с этим появляется необходимость проведения теоретических исследований эффективности использования альтернативных видов топлива в различных отраслях народного хозяйства, в частности, в агропромышленном секторе.

Одной из движущих сил развития ДВС, начиная с 1990 года и по настоящеевремя, являются стандарты, ограничивающие вредные выбросы с отработавшими газами. Экологические требования к уровню максимально допустимых выбросов твёрдых и газовых токсичных компонентов с отработавшими газами (ОГ), стано­вятся всё более жёсткими, предопределяя использование, в том числе альтерна­тивных топлив. Другим, еще более мощным фактором, становятся в последние годы стандарты на уменьшение выбросов транспортными средствами парниковых газов, особенно углекислого газа (СО₂), ответственных за глобальное потепление климата.

Сгорание нефтяных топлив в автомобиле является одним из главных источников выбросов СО₂, пропорциональных расходу топлива. Современные международные соглашения и национальные стандарты требуют почти 50% сокращения выбросов СО₂ к 2020…2025 гг. по сравнению с уровнем 2005…2010 гг. Существующая стратегия решения этой проблемы предус­матривает постепенный переход на альтернативные источники энергии с низким содержанием углерода (электричество, природный газ, биотопливо, водород).

С учетом того, что в себестоимости сельскохозяйственной продукции расходы на топливо составляют 30…40% [3], стабильный рост цен на дизельное топливо за последние 5 лет привел к увеличению себестоимости производства сельскохозяйственной продукции в 3,7…4,7 раза [14]. При этом КПГ не образует нагар на поршнях, клапанах и камере сгорания, не смывает масляную плёнку со стенок цилиндров, не разжижает масло в картере, благодаря чему межремонтныйпробег техники увеличивается в 1,5 раза, срок службы моторного масла и цилинд­ропоршневой группы в 1,5…2 раза. Текущая ситуация делает актуальными работы по использованию КПГ в сельском хозяйстве в качестве ГМТ, что позволит существенно повысить коммерческую эффективность сельскохозяйст­венного производства.

Природный газ метан как моторное топливо имеет ряд свойств, которые позволяют повысить эффективность рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания, значительно повысить экономичность и радикально уменьшить токсич­ность отработавших газов [8,12]. Природный газ представляет собой смесь метана, этана, пропана, ряда других более тяжелых углеводородных и инертных газов (N₂ и СО₂) [8]. Он добывается в мире в большом количестве и многие годы используется в домашнем и коммунальном хозяйстве, а также для промышленных целей и на транспорте. Основную часть природного газа составляет метан (CH₄) – от 70 до 98 %.

На начало 2019 г. зарегистрированный парк газовых и битопливных транс­портных средств в РФ составлял примерно 245 тыс. единиц. Возможно парк газомоторной техники еще больше, но активный учет переоборудованных автомо­билей ведется лишь с 2017 г. В свою очередь, газомоторная техника производится сразу под несколькими марками: KAMAЗ, УАЗ, Волгабус, Лотос, ЛиАЗ, НефАЗ, Урал, ЛАДА и др. Однако машин, реализующих газодизельный цикл работы, среди них очень малое количество.

Одним из основных сдерживающих факторов широкого применения метана в ДВС является низкая инфраструктура газовых заправочных станций и сложная организация выездных заправок. Другой проблемой является необходи­мость достаточно дорогостоящей модернизации системы питания автомобиля, которая требует вложения денег, а не их экономии. Поэтому сегодня нет возможности перевести весь машино-тракторный парк и автотранс­порт на метан. Однако возможность конвертации транспортных средств под работу при газодизельном цикле позволяет более гибко подходить к выбору топлива и не зависеть от наличия АГНКС.

Для развития рынка газомоторного топлива правительством Российской Федерации была принята государственная программа «Расширение использо­вания природного газа в качестве моторного топлива на транспорте и техникой специального назначения» в рамках которой действуют несколько вариантов субсидирования части затрат на переоборудование действующей и закуп новой техники, работающей на метане. Транспортной стратегией Российской Федерации на период до 2030 года, утвержденной распоряжением Правительства РФ от 22.11.2008 № 1734-р предусматривается масштабная модернизация всей транспортной отрасли, в том числе за счет опережающего инновационного развития научной, технической и технологической базы транспортного комплекса на основе передовых мировых достижений и технологий.

Компримированный природный газ (метан) имеет более высокое октановое число и удельную теплоту сгорания, чем нефтяное топливо или сжиженные углеводородные газы и не меняет свои физико-химические свойства при низких температурах. Транспортные средства, использующие компримированный природный газ, имеют меньшие эксплуатационные расходы (рис. 1). Так стоимость 100 километров пробега легковых автомобилей, грузовиков и автобусов на КПГ в 1,5—2,5 раза ниже аналогичного показателя для транспорта на бензине, дизельном топливе или метане [3].

Рисунок 1.1 Экономическая эффективность применения метана [3]

Метан отличается повышенным содержанием водорода и пониженным содержанием углерода, что обеспечивает возможность снижения выбросов СО₂ автомобиля в полном жизненном цикле на 20–25% по сравнению с обычными углеводородными топливами (бензином, дизельным топливом) [4]. Метан не образует нагар на поршнях и клапанах, не смывает масляную плёнку со стенок цилиндров, не разжижает масло в картере, благодаря чему межремонтный пробег автомобиля увеличивается в 1,5 раза, срок службы моторного масла и цилиндропоршневой группы — в 1,5…2 раза [5].

Из других преимуществ применения природного газа в автомобиле следует отметить: нулевые выбросы паров топлива, пониженную фотохимическую реактивность продуктов сгорания, возможное уменьшение вредных выбросов при холодном пуске и низких температурах благодаря более широким пределам обеднения смеси и устранению компенсационного 2–18 обогащения. Кроме того, природный газ не отравляет каталитический нейтрализатор и обычно рассматривается как безопасное топливо.

В этой связи использование природного газа в качестве моторного топлива для автомобильного транспорта является актуальной задачей благодаря его низкой стоимости, низкой токсичности и большим запасам. Стимулирующими причинами использования газомоторного топлива (ГМТ) на автотракторной технике являются снижение затрат на топливо и возможность улучшения экологических показателей для удовлетворения перспективных норм выбросов вредных веществ [13].

В совместной лаборатории ГНУ ВИМ Россельхозакадемии и ООО «Газпром ВНИИГАЗ», функционировавшей в 1994…2008 гг., разработана конст­рукторская документация, изготовлены образцы основных моделей тракторов К-701, Т-150К, МТЗ-82, ЮМЗ-6, ДТ-75 (рис.1.2) и автомобилей ЗИЛ, работающих на комприми­рованном природном газе [20]. Эксплуатационные испытания тракторов, работающих на ГМТ, проводились в Ставропольском крае, Рязанской, Саратовской и Свердловской областях. Для заправ­ки тракторов КПГ разработаны и изготовлены передвижные газозаправщики (ПАГЗ) на базе полуприцепа к автомобилю КАМАЗ и автомобиля ЗИЛ с прицепом. Последние используются для заправки газом в поле, а при сложных дорожных условиях ПАГЗ на базе прицепа может транспортироваться трактором.

Рисунок 1.2 Работающие на КПГ газодизельные тракторы К-701, МТЗ-82, ДТ-75 на пахоте в Ставропольском крае

Газодизельные тракторы отличаются от базовых увеличенной эксплуатаци­онной массой за счет установки газобаллонной аппаратуры и длительностью работы на одной заправке топливом. Увеличение эксплуатационной массы при установке стальных баллонов из легированной стали у различных тракторов составляет 7…9 %, при металлопластиковых баллонах – 4,6…6,2 %.

Одной из главных проблем перевода тракторов на КПГ является размещение необходимого числа баллонов при соблюдении следующих условий [20]: сохра­нение всережимного регулирования частоты вращения коленчатого вала двигателя, работающего на ГМТ; возможность агрегатируемости трактора с основным комп­лексом сельхозмашин и транспортными средствами; соответствие требованиям стандартов по нормам воздействия движителей на почву и безо­пасности труда; удобство проведения технического обслуживания; распределение массы тракторов по осям без ухудшения тягово-динамических показателей и навесоспособности сельхозмашин; обеспечение габаритов трактора в пределах нормируемых показа­телей (при установке баллонов они не должны по ширине выходить за транс­портный габарит 2,5 м или габариты базового трактора); сохранение возмож­ности использования аварийных мобилизационных люков и открывания окон кабины; возможность использования у трактора вала отбора мощности для привода активных рабочих органов мобильных и стационарных сельхозмашин.

При установке баллонов над кабиной газодизельного трактора МТЗ-82 умень­шается угол поперечной статической устойчивости в пределах допустимого на 2° (до 33°) и затрудняется открытие люка на крыше для очистки воздушного фильтра системы нормализации микроклимата. При установке баллонов в виде двух кассет на задних полурамах тракторов «Кировец» и Т-150К с просветом по продольной оси отмечается частичное уменьшение обзорности позади трактора, при этом видимость навесного устройства и агрегатируемых с трактором сельхозмашин сохраняется (рис.1.3).

Рисунок 1.3. Тракторы К-701 и МТЗ-82, работающие на КПГ.

По результатам приемочных испытаний газобаллонного трактора К-701 в РосНИИТиМ дано заключение, что элементы бортовой газотопливной системы не затрудняют доступ в кабину и к местам обслуживания трактора, оборудование газобаллонной аппаратурой тракторов «Кировец» и Т-150К не влияет на их агрегатируемость с основным комплексом навесных, полунавесных, прицепных сельхозмашин и транспортными средствами. Догрузка заднего моста трактора К-701 при установке баллонов на заднюю полураму трактора улучшает развесовку по осям. По данным испытаний, при работе этого трактора на полях с неровным рельефом за счет снижения вертикальных колебаний на рабочем месте механизатора повышается производительность, улучшаются условия его труда. При установке баллонов на сельскохозяйственных тракторах и грузовой техники не увеличиваются их габариты.

Летом 2020 года Гомельский завод сельскохозяйственного машиностроения (Гомсельмаш) поставил потребителям 20 новейших зерноуборочных комбайнов «Палессе» КЗС-4118К, работающих на метане (рис.1.4). Система питания двигателя имеет двойную фильтрацию газового топлива, мультизаправочная система обеспе­чивает заправку 1816 литров топлива в пределах 7…20 минут, в зависимости от тер­минала. Преимуществом нового зерноуборочного комбайна является повышенная экономичность (до 50%) – в силу низкой себестоимости газового топлива, а также высокая экологичность – в результате снижения выбросов токсичных веществ.

Рисунок 1.4 Комбайн, работающий на метане «Палессе» КЗС-4118К.

На практике перевод автомобильной техники на газомоторное топливо возможен четырьмя способами:

— закупка новой техники с двигателем на газомоторном топливе;

— замена дизельного силового агрегата на газовый двигатель;

— конвертация дизельного двигателя в газовый двигатель с искровым зажиганием;

— реализация на штатном дизеле газодизельного цикла работы.

Закупка новой техники с двигателем, изначально спроектированным для работы на газомоторном топливе является оптимальным вариантом перевода автотракторного парка на газомоторное топлива. При этом варианте необходимо ввести корректировки в план пополнения и списания техники так чтобы постепенно списать всю старую технику и заменить ее на новую. Так же необходимо будет дополнить оснащение ремонтных мастерских для эксплуатации и ТО новых газовых транспортных средств, нанять или переобучить персонал для работы с новой техникой.

Достоинством данного варианта перехода на газомоторное топливо является простота, так как никаких работ с имеющейся техникой проводить не нужно. Дан­ный вариант будет относительно экономичным, так как все затраты будут заранее просчитаны и учтены при составлении плана на обновление техники. Недостатком данного варианта является его долгая реализация: данным способом полное заме­щение старой техники на новую в лучшем случае может занять от 10 до 20 лет.

Замена силового агрегата на двигатель внутреннего сгорания с газомотор­ным питанием схож с вариантом закупки новой техники, с той лишь разницей, что вместо новой техники на новый заменяется истративший свой ресурс силовой агрегат. При таком переходе так же необходимо будет дополнить оснащение ремонтных мастерских для эксплуатации и ТО новых транспортных средств, нанять или переобучить персонал для работы с новой техникой. Так же данный вариант будет относительно экономичным по сравнению с закупкой новой техники. Недостатком данного варианта является его долгая реализация, вероятность невозможности интеграции новых двигателей со старой техникой. Возможная нерентабельность из-за устаревания техники.

Конвертация дизельного двигателя в газовый двигатель с искровым зажиганием является самым распространенным и подразумевает под собой конструктивное изменение двигателя, отказ от дизельного топлива в пользу газового. Однако по сумме технических, экономических и экологических показателей газовые двигатели уступают газодизельным двигателям. У данного направления имеются как свои достоинства, так и недостатки.

К преимуществам следует отнести следующее: без создания нового произ­водства, и при относительно небольших затратах средств и времени можно получить двигатель с необходимой степенью сжатия, что означает более эко­номичный рабочий цикл; доступность переоборудования двигателя в условиях предприятия. К недостаткам данного направления газификации автотранспорта следует отнести то, что после конвертации дизельного двигателя в газовый дви­гатель с искровым зажиганием он становится однотопливным, что повышает влияние достаточного количества заправок АГНС и усложняет его эксплуатацию в условияхотрицательных температур [13].

Конвертация двигателя под газодизельный процесс подразумевает создание двухтопливного двигателя. Это достигается установкой на транспортные средства газовой аппаратуры, которая работает совместно с жидкостной топливной системой. В таких системах дизельное топливо является запалом для воспламе­нения газового топлива, так как температура воспламенения метана (680 °С) значительно превосходит температуру, при которой самостоятельно воспламе­няется дизельное топливо в конце такта сжатия (280 °С).

К преимуществам газодизельных двигателей относят минимальные изменения конструкции двигателя, возможность его работы как на жидком дизельном, так и в смеси с газовым топливом, за счет чего значительно увеличивается запас хода, уменьшаются вредные выбросы в атмосферу и увеличивается ресурс двигателя [27]. Другими преимущества газодизельных систем:

1) Экономика и экология. Замещение части дизтоплива газом позволяет до 20% снизить стоимость эксплуатации автомобиля по отношению к стоимости эксплуатации его только на дизельном топливе. А изменение состава и существенное снижение объема отработавших газов улучшает экологические показатели двигателей, уменьшает токсичность и дымностьотработавших газов и содержание в нем твердых частиц (сажи), что позволяет отказаться от использования раствора мочевины на агрегатах, отвечающих нормам Евро-4 и Евро-5.

2) Увеличение КПД и ресурса. Добавка дозы газа повышает мощность и крутящий момент двигателя — с турбонаддувом рост показателей может достигать 30%. При этом двигатель работает заметно тише и эластичнее, а благодаря снижению нагрузки на систему подачи дизельного топлива увеличивается срок службы ее элементов, особенно в случае с непосредственным впрыском.

3) Простота монтажа. Комплекты оборудования универсальны, подходят для всех типов дизельных двигателей и не требуют модернизации силового агрегата, а переход на штатный дизельный режим возможен в любой момент времени простым нажатием на кнопку переключателя в кабине водителя.

Также следует обратить внимание на высокую экономичность газодизельных двигателей, применяемых на тракторах. Расход газа в номинальном режиме составляет около 10 куб.м/ч, а дизельного топлива 6 л/ч. При работе на дизельном режиме работы расход составляет 15 л/ч. Следует отметить, что для новых тракторов среднее соотношение потребляемых топлив составляет 40% дизельного топлива и 60 % метана. В процессе эксплуатации доля дизельного топливапостоянно меняется в диапазоне от 100% на холостом ходу до 20% при полной нагрузке.

Правила эксплуатации газодизеля не отличаются от обычной техники, переоборудованной на газомоторное топливо. Заводится трактор в дизельном режиме, переход между режимами осуществляется при помощи тумблера. У газодизельного оборудования простая конструкция, что обеспечивает надежность и простоту эксплуатации, минимальные затраты на техническое обслуживание и увеличение запаса хода без дозаправки практически в два раза.

Исходя из выше указанных характеристик четырех возможных вариантов переоборудования дизельного двигателя под использование газового топлива, для конвертации уже эксплуатируемой техники наиболее оптимальным будет выбрать конвертацию двигателя под газодизельный процесс работы. При данной модернизации транспортное средство не утратит способность использовать дизельное топливо, что может оказаться важным при дальних рейсах с учетом малой рас­пространенности газовых автозаправочных станций. Вторым аргументом является скорость, с которой можно переоборудовать двигатель. Процесс переоборудования дизельного двигателя под газодизельный процесс менее трудоемок и не требует серьезного вмешательства в конструкцию двигателя [11].

В Республике Башкортостан имеется опыт эксплуатации автотракторной и комбайновой техники на газомоторном топливе. Так, в ООО «Маяк-авто» на газодизельный цикл работы переведен сельскохозяйственный грузовой автомобиль КАМАЗ-45413, который в настоящее время проходит эксплуатационные испытания в ГУСП с-з «Алексеевский». Там же, на базе ГУСП совхоз «Алексеевский», в период с 4 по 24 августа 2019г. проведены эксплуатационные испытания зерноуборочного комбайна Полесье-4118К на газо­моторном топливе метан, производства ОАО «Гомсельмаш».

Средний удельный расход газа на 1 га убранной площади составил 15,5 м³, на 1 тонну обмолоченного зерна – 4,8 м³. Для сравнения удельные показатели расхода топлива комбайна на дизельном топливе составили 12,1 и 4,0 л. При этом затраты на обмолот 1 тонны зерна комбайном на газомоторном топливе составили 65,4 рубля, на дизельном топливе — 166,7 рублей, что меньше в 2,5 раза. Эффективность применения природного газа в качестве альтернативного топлива не вызывает сомнения.

Отсутствие серийного выпуска тракторов и самоходных комбайнов с моторными установками, адаптированными для работы на альтернативных видах топлива – метане и биотопливе, является ключевым сдерживающим фактором приобретения техники на газомоторном топливе. В целях успешной реализации проектов по использованию газомоторной техники в Республике Башкортостан разработаны меры дополнительной государственной поддержки в размере до 50%при приобретении и переводе тракторов и комбайнов на альтернативные виды топлива, а также возмещения части затрат на приобретение блочно-модульных АГНКС, подключаемых к трубопроводам низкого давления (сетевой газопровод).

1.2 Использование биотоплива для дизельных двигателей.

Биотопливо – это топливо из биологического сырья, полу­чаемое, как правило, в результате переработки растительных масел или животного сырья, а также продуктов их этерификации. Сырьём для него может служить рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло или любое другое масло-сырец, а также отходы пищевой промышленности. Еще один перспективный источник сырья, который набирает популярность из-за развития системы фастфудов — отработанные пищевые масла [3].Разрабатываются технологии производства биотоплива из водорослей. Наиболее предпочтительным сырьём для производствабиотопливаявляются: в Европе – рапс; в США – соя; в Канаде – канола (разновидность рапса); в Индонезии, Филиппинах – пальмовое и кокосовое масло; в Индии – ятрофа (Jatropha); в Африке – соя, ятрофа; в Бразилии – касторовое масло. По выходным характеристикам для производства растительного масла, пригодного для использования в двигателях внутреннего сгорания наиболее рационально, с точки зрения объема выхода продукта с гектара, использовать такие культуры, как сальное дерево или масличная пальма (табл.1.1).

Таблица 1.1 Выход масла при производстве из различного сырья.

Биотопливо применяется в автотракторной технике в чистом виде и в виде различных смесей с дизельным топливом. В США смесь дизельного топлива с биодизелем обозначается буквой B; цифра при букве означает процентное содержание биодизеля: В2 – 2% биодизеля, 98% дизельного топлива; В100 – 100% биодизеля. Применение смесей не требует внесения значительных изменений в двигатель и их регистрации [6], поэтому достаточно распространено в различных отраслях деятельности, но прежде всего в сельском хозяйстве, где можно производить биотопливо по себестоимости производства. Особенно выгодно производство рапсового масла у фермеров, где небольшая установка позволяет полностью отказаться от нефтепродуктов. Государство всячески поощряет такие инициативы разными льготами и даже премиями.

В ряде европейских стран, в частности в Австрии, Германии, Франции и Италии, доля биотоплива из рапса уже составляет около пяти процентов от всего рынка дизельного топлива. В целом Западная Европа намерена увеличить этот вклад в несколько раз. Планы США еще масштабней — там хотят пятую часть дизелей заправлять биотопливом [1].

Производство биотоплива позволяет ввести в оборот не используемые с/х земли, создать новые рабочие места в сельском хозяйстве, машиностроении, строительстве и т. д. Например, в России с 1995 г. по 2005 г. посевные площади сократились на 25,06 млн. гектаров. Под производство сырья для биотоплива отчуждаются большие земельные площади, на которых нередко используют повышенные дозы средств защиты растений. Это приводит к биодеградации грунтов и снижению качества почв. С другой стороны, жмых, получаемый в процессе производства растительного масла, используется в качестве корма для скота, что позволяет более полно использовать биомассу растения.

Можно отметить такое достоинствобиотоплива как хорошие смазочные характеристики. Срок службы двигателя увеличивается при использовании биотоплива. Минеральное дизтопливо при устранении из него сернистых соединений теряет свои смазочные способности, а биотопливо, несмотря на значительно меньшее содержание серы, характеризуется хорошими смазочными свойствами, что продлевает срок жизни двигателя, особенно для современных акку­муляторных топливоподающих систем, где детали ТНВД смазываются топливом. При работе двигателя на биотопливе одновременно производится смазка его подвижных частей, в результате которой, как показывают испытания, достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60%.

Биотопливо имеет высокое цетановое число и температуру воспламенения. Для дизельного топлива цетановое число нередко опускается до 42…45 единиц; для биотоплива (метиловый эфир) этот показатель более стабилен — не менее 51. Это вызвано химическим составом биотоплива и содержанием в нем кислорода, но при этом точка воспламенения для биотоплива превышает 150°С, что делает биотопливо сравнительно безопасным веществом.

Большинство исследований показывают, что биотопливо несколько выигрывает у дизельного по содержанию вредных выбросов и, в частности, обеспечивают снижение выбросов моноксида углерода и углеводородов. Кроме того, биотоп­лива практически не содержат серы. Принято считать, что биотоплива меньше загрязняют атмосферу, так как при сгорании биотоплива в атмосферу возвращается углерод, который ранее поглотили растения, поэтому углеродный баланс планеты остаётся неизменным. При сгорании дизельного топлива углерод увеличивает содержание СО₂в атмосфере и концентрация углекислого газа повышается. Вместе с тем, несколько увеличивается выброс оксидов азота, а из-за неполного сгорания многих биотоплив в атмосферу попадают альдегиды. Но, в целом, по уровню вредных выбросов в отработавших газах биотоплива выглядят предпочтительнее, чем традиционное дизельное топливо.

Биотопливо, как показали опыты, при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99% биотоплива, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озёр.

При производстве биотоплива возникает побочный продукт производства — глицерин, имеющий широкое применение в промышленности. Очищенный глицерин используют для производства технических моющих средств (например, мыла). После глубокой очистки получают фармакологический глицерин, тонна которого на рынке стоит порядка 1 тыс. евро. При добавлении фосфорной кислоты к глицерину можно получить фосфорные удобрения.

В тоже время необходимо отметить и ряд недостатков использования биотоплива. Так в холодное время года необходимо подогревать топливо, идущее из бака в топливный насос, или снижать долю биологического масла в смеси до 20%. Можно отметить небольшой срок хранения смесевого биотоплива (около 3 месяцев). При работе на биотопливе теряется около 5-10% мощности и примерно настолько же увеличивается расход топлива, что, конечно, зависит от качества продукта.

В России применение биотопливарегламентируется стандартом EN14214 разработанным Европейской организацией стандартов. Кроме него существуют стандарты EN590 (или EN590:2000) и DIN 51606, которые описывают физические свойства всех видов дизельного топлива, реализуемого в Евроие. Этот стандарт допускает содержание 5% биотоплива в минеральном дизеле; в некоторых странах (например, во Франции) всё дизтопливо содержит 5% биотоплива. DIN 51606 – германский стандарт, разработанный с учетом совместимости с двигателями почти всех ведущих автопроизводителей, поэтому он является самым строгим. Большинство видов биотоплива, производимого для коммерческих целей на Западе, соответствует ему или даже превосходит.

В Европе и Америке из-за программ сохранения окружающей среды и борьбы с глобальным потеплением, активно поддерживают инвесторов, вклады­вающих средства в возобновляемые источники энергии, и принимают специальные госпрограммы. В Бразилии, которая вообще стала пионером в производстве топливного биоэтанола, весь бензин продают только с его добавлением. В Европе приняты законы о доведении доли топлива, выпущенного с использованием возобновляемых источников сырья, с 2% в 2015-м до 5,75% к 2020 году. Действие этих законов приведет к тому, что спрос на биотопливо в Европе в 2020 году вырос в три раза: с 5 млн. до 14 млн. тонн в год (табл.1.2).

Таблица 1.2. Производство биотоплива

В Европе активно производство экологически чистого топлива субсидируют, что делает этот бизнес более чем выгодным. Так же поддерживают производителей биотоплива в США, где при себестоимости этанола 0,2…0,25 долл. за литр производителю возвращают в качестве субсидий почти половину этой суммы. Акцизы на бензин, в котором содержится 10% этанола, снижены на треть. В США в 2019 году в топливный спирт было переработано 14% урожая — около 40 млн. тонн зерна.

В России не существует единой государственной программы развития био­топлива, но создаются региональные программы, например Алтайская краевая целевая программа «Рапс-биодизель». Планируется строительство заводов по производству биотоплива: в Липецкой, Ростовской, Омской, Волгоградской, Орловскойобластях, Алтайском и Краснодарском крае, Татарстане и др.

В России уже в ближайшие годы, как ожидается, объем производства рапса достигнет рубежа в 1 млн. тонн, который предполагается к переработке на альтернативное топливо, то есть для налаживания производства биотоплива в стране.Отечественное производство не выпускает в промышленных масштабах ни топливный биоэтанол, ни само биотопливо. Однако из-за простоты его производства некоторые фермерские хозяйства практикуют проведение химических реакций между растительным маслом, которое они сами делают из выращиваемого на своих полях подсолнечника и метилового спирта, при этом цена биотоплива у них получается около 28 руб. за 1 кг (при текущей цене на дизтопливо не менее 46 руб. за литр). Однако метиловый спиртили топливный этанол, необходимые для производства смесевого топлива, являются акцизным товаром, что затрудняет их приобретение и существенно повышает стоимость биотоплива. Министерство сельского хозяйства планирует изменить законодательство по акцизам на топливный биоэтанол, исходя из того, что его производство даст толчок и развитию сельского хозяйства.

Компания «WestfaliaSeparator AG», оснастившая Магдебургский завод, уже предложила инвестировать до 70% стоимости строительства аналогичного предприятия у нас в России, в частности в Волгоградской области. Строительство завода с мощностью перера­ботки около 160 тысяч тонн ежегодно рассчитано на 1,5 года. Кроме Волгограда возможностью выпускать биотопливо из рапса заинтересовались и в Нижнем Новгороде, и в Калининградской области, и в Подмосковье. В условиях развивающейся промышленности при рыночной экономике – производство биотоплива в стране можно поставить на должный циви­лизованный уровень, тем более что спрос на перспективное биотопливо будет возрастать в мировом масштабе, что выгодно для производителей данного топлива.

Таким образом, изучение проблематики современного состояния рынка альтернативных видов топлива показало, что в настоящее время в России и в мире существует высокая потребность в экологичных и недорогих топливах, каким является природный газ (метан) ибиотопливо. Широкое их применение сдерживается отсутствием доступных технологий и методов перевода техники на такие виды топлива.

2 Перевод дизельного двигателя на газомоторное топливо (метан)

2.1. Подбор комплектации и компоновки газобаллонного оборудования.

Газобаллонное оборудование для газодизельных систем мало отличаются от бензинового оборудования (рис.2.1). Принцип работы двигателя основан на воспламенении от запальной дозы дизельного топлива газовоздушной смеси, поданной в цилиндр из впускного коллектора. Подача газа во впускной коллектор выполняется многоточечной системой впрыска. Форсунки расположены рядом с впускными каналами цилиндров, что обеспечивает однородность смеси и позволяет снизить токсичность выхлопа. Управление подачей топлива и воспламенением ведется электронным контроллером.

Рисунок 2.1 Компоненты ГБО для двигателей с электронным управлением.

Современные системы газобаллонного оборудования оснащены блоками электронного управления, которые по принципу работы идентичны штатным электронным блока самого автомобиля. Для сoвpeмeнной гpyзoвой и ceльxoз­тexники c элeктpoннo-yпpaвляeмыми THBД и фopcyнкaми пpeднaзнaчeна cиcтeмa, yпpaвляeмaя элeктpoнным блoкoм yпpaвлeния, который oгpaничивaeт пoдaчy дизельного тoпливa, эмyлиpyя cигнaлы ocнoвныx дaтчикoв двигaтeля и oднoвpeмeннo yпpaвляeт фaзиpoвaнным впpыcкoм гaзa.

Оборудование для хранения и подачи природного газа (метана) выпус­кается в базовом исполнении, предназначенном для установки на дизели с электронным управлением (рис.2.2).

Рисунок 2.2 Компоненты ГБО для двигателей с механическим ТНВД.

Он включает баллоны, форсунки, фильтр, редуктор, мано­метр, электронный блок управления, комплект проводки, датчик положения коленвала, датчик положения распредвала, датчик положения педалигаза, датчик температуры выхлопных газов, датчик температуры охлаждающей жидкости и систему управления ограничением подачидизельного топлива.

При переводе дизельных двигателей с механическим ТНВД на газодизельный режим работы блок управления не может управлять подачей запальной дозы топлива без специальных приспособлений, воздействующих на рейку ТНВД. Поэтому комплект ГБО отличается от комплекта, предназначенного для топливо­подающих систем с электронным управлением. Для перевода машины сдизельным двигателемc механическим THBД и форсунками на газодизельный цикл работы применяются системы питания, в состав которых входят 2 подсистемы:система распределённого впрыска газа (аналогичная бензиновой) и система, ограничивающая подачу топлива через топливный насос высокого давления (THBД).Для тexники c мexaничecким THBД и фopcyнкaми пpeднaзнaчeна cиcтeмa, ocнoвy кoтopoй cocтaвляeт пpeцизиoнный шaгoвый двигaтeль, yпpaвляeмый элeктpoнным мoдyлeм, oтвeчaющимтaкжeзaпoдaчyгaзa в цилиндpыпoпpинципyфaзиpoвaннoгoвпpыcкaтoпливa.

В рекомендуемом нами варианте модернизации дизельного двигателямеханизм управления запальной дозой монтируется на рычаг управления регулятором ТНВД и позволяет ограничивать подачу дизельного топлива на уровне запальной дозы при работе в газодизельном режиме. наличием механизма перемещения рейки ТНВД. Сам насос высокого давления, в отличии от других подобных систем при этом не требует доработки, так как отсутствует необходимость прямого воздействия на рейку ТНВД. Так же, вследствие отсутствия штатных датчиков, комплект дооснащается датчиками температуры, синхронизации коленчатого вала, положения педали газа и др.

Для обоснования выбора комплектации и производителя газобаллонного оборудования рассмотрим показатели оборудования основных производителей ГБО представленных на территории России (табл.2.1).

Таблица 2.1 Сравнительная таблица оборудования основных производителей ГБО представленных на территории России.

* — мощность с одним редуктором-испарителем

Сравнив предложенные варианты принято решениерекомендовать для уста­новки комплект ГБО производимый компанией Tamona«Tegas».При относительнонизкой стоимости данная комплектация имеет преи­мущество перед конкурентами которое проявляется в обеспечении максимальной производительности при одном редукторе-испарителе, что важно для газодизеля, высоким ресурсом форсунок в 50-70 тыс. км. и хорошим быстродействием работы форсунок от 2мс.

Установка ГБО на тракторы Беларусь имеет ряд особенностей. Трактор с ГБО является объектом повышенной опасности (наличие сжатого газа в баллонахдавлением до 20 МПа) поэтому для при эксплуатации вводятся дополнительные требования к технике безопасности. При работе в газодизельном режиме приемистость двигателя снижается, а установка газовых баллонов в различных вариантах изменяет конструкционные параметры трактора. В числе прочего последнее приводит к увеличению массы тракторапримерно на 130 кг (добавляется вес оборудования), увеличение габарита трактора по высоте или по длине приблизительно на 0,5 м в зависимости от положения установки баллонов, соответственно изменяется высота расположения центра тяжести при установке баллонов на крыше кабины и крыльях колес трактора, что, соответственно, уменьшает углыпродольной и поперечной статической устойчивости. Например, угол поперечной статической устойчивости при установке газовых баллонов на крышу кабины может соответствовать нормативу (35˚) только при увеличении колеи трактора задних колес до 1870мм.

В этой связи при установке на тракторе газобаллонного оборудования, имеющего значительную массу и габаритные размеры, встаёт вопрос оптимального расположения газовых баллонов на тракторе (рисунок 2.3). Баллоны, установленные на крыше, создают дополнительную нагрузку на защитные конструкции кабины, затрудняют техническое обслуживание фильтра системы вентиляции и отопления. Кроме того, в этом случае затруднен и небезопасен доступ к баллонам, установленным на крыше кабины трактора. А газовые баллоны, установленные сзади кабины и в передней нижней части трактора, снижают параметры обзорности и затрудняют проведение технического обслуживания двигателя (проверка масла в картере двигателя и др.). Таким образом, рекомендуется производить выбор места установки баллонов на трактор в зависимости от его назначения и вида выполняемых работ.

Все баллоны, установленные на трактор, снабжены раздельным вентилем, который содержит электромагнитный запорный клапан, скоростной клапан перекрывающий выход газа с случае повреждения трубопровода и разрывную (предохранительную) мембрану по температуре. Это предотвращает возможность разрыва. Вентиль имеет дренажные каналы, по которым газ в случае утечки выводится через гибкие дренажные гофрированные шланги за пределы автомобиля. В шланг вмонтирован датчик, сигнализирующий об утечке газа.

сзади кабины вверху сзади кабины внизу

на крыше кабины поперек на крыше кабины вдоль

сбоку кабины сзади сбоку кабины за подножкой

перед кабиной вдоль капота перед кабиной перед капотом

Рисунок 2.3 Варианты установки баллонов для метана на трактор МТЗ-82.1.

Баллоны для метана изготавливаются из металла или композитных материалов и соединяются в газовую магистраль трубопроводами высокого давлениявыполненными из нержавеющей стали с развальцовкой.Металлические баллоны для метана считаются самыми доступными. Они выполнены из прочной стали и обладают высоким уровнем стойкости к механическим повреждениям. Такие баллоны хорошо подходят для грузовых, а также коммерческих авто, которые предназначены для перевозки больших и средних грузов. При многочисленных достоинствахметаллических баллонов под метан: невысокая стоимость; высокая степень прочности и стойкость к механическим повреждениям, они имеют существенные минусы:большой вес, малый срок эксплуатации, они подвержены коррозии и имеют высокую степеньтравмирования случае взрыва (повреждения наносят металлические осколки).

Метановые баллоны из композитных составов (таблица 2.2) таких минусов не имеют, но их стоимость на данный момент очень высокая (примерно 40 000-50 000 рублей за один баллон). Такие баллоны производятся с использованием композитных материалов (пластик, синтетические волокна и т.д.) и весят намного меньше металлических, при этом имеют такую же прочность, но абсолютно не стойки к механическим повреждениям, особенно в случае наружной установки. Средний коэффициент совершенства (отношение массы к объему) газовых метановых баллонов III типа различного объема равен 0,65, т.е. баллон объемом 100 литров весит примерно 65 кг.

Таблица 2.2 технические характеристики газовых метановых баллонов тип III

Заправка баллонов осуществляется одновременно через внешнее заправочное устройство,которое также имеет дренажные каналы для отвода газа при возникновении утечки. В корпусе внешнего заправочного устройства размещены фильтр на 20 МПа и устройство блокировки запуска двигателя,при подключенном к ВЗУ заправочном шланге автомобильной газонаполнительной компрес­сорной станции.

В результате исследования для модернизации системы питания дизеля Д-245 трактора МТЗ-82 рекомендован комплект оборудования «Tegas»производимый компаниейTamona. Комплект имеет бюджетную стоимость и перед конкурентами имеет преимущество в дополнительном настраиваемом канале управления, который необходим для адаптации и настройки механизма управления запальной дозой топлива., что важно для газодизеля, высоким ресурсом форсунок в 50…70 тыс. км. и хорошей скоростью работы форсунок от 2мс. При выборе вида разме­щения баллонов на тракторе необходимо руководствоваться его назначением и видом выполняемых работ.

2.2. Технология монтажа ГБО на трактор МТЗ-82

Для установки предложенного комплекта ГБО определен метод перевода двигателя универсального трактора МТЗ-82,изложенный в виде пошаговой инст­рукции для исполнения квалифицированным слесарем автоэлектриком. Данная инструкция определяет перечень, последовательность и содержание технологи­ческих операций, связанных с монтажом и пуско-наладкой газобаллон­ного оборудования на трактор МТЗ-82.

Переоборудование автомобилей для работы на газообразном топливе заключается в установке на базовом автомобиле газобал­лонного оборудования, проверке герметичности соединений (опрессовке) газовой системы питания, регулировочных работах по системам зажигания и питания, а также оформлении соответству­ющих документов.

Работы по установке газобаллонного оборудования на трактор произво­дятся сертифицированными предприятиями в соответствии с требованиями нормативных документов. Производственный персонал, связанный с производ­ством работ, должен знать правила техники безопасности при обращении с сосудами, работающими под давлением, их ремонте и обслуживании.

Переоборудование производится на специализированных участках, которые располагаются в производственном помещениии имеет все необходимое оборудование, позволяющее производить монтаж ГБО. Монтаж газобаллонной аппаратуры, производят официально аттестованные специалисты. ГБО устанавливаемое на автомобиль должно соответствовать требованиям ТУ, ГОСТ, ОСТ и подтверждено соответствующими документами. Перед началом установки проверяется комплектность газобаллонной аппаратуры, его исправностьи отсутствие повреждений отдельных элементовгазового оборудования.

Монтаж оборудования должен производиться в соответствии с Техни­ческим Регламентом Таможенного Союза, ТР ТС 018/2011 «О безопасности колесных транспортных средств», Правил ЕЭК ООН №115 и Правил ЕЭК ООН №67,ГОСТ 31972-2013 «Порядок и процедура методов контроля установки газобаллонного оборудования», РД03112184-1095-03 «Руководство по органи­зации эксплуатации газобаллонных автомобилей, работающих на КПГ», «Мето­дическими рекомендациями по установке газобаллонного оборудования на колесные транспортные средства, находящиеся в эксплуатации в РФ» утверж­денные распоряжением Министерства транспорта РФ от 30.06.12 г. № НА-96-р.

Переоборудование производится строго в соответствии с технической документацией, прилагаемой к комплектуГБО. Расположение всех элементовГБО строго соответствует прилагаемым чертежам и схемам.

Для монтажа трубопроводов по днищу автомобиля используем канаву. Для опрессовки баллонов используем компрессор высокого давления фирмы FROSP КВД 60/300, опрессовку баллонов производим при давлении 19.8 МПа. При регулировке газотопливной аппаратуры и двигателя используем двухкомпонентный газоанализатор, специализированные стенды или манометры.

Перед модернизацией трактора необходимо проверить техническое состояние всех его систем и пройти очередное техническое обслуживание системыохлаждения, питанияи смазки в объеме ТО-2согласно Руководства по обслуживанию.

Монтаж оборудования. Установка ГБО включает в себя выполнение раз­борочно-сборочных работ на остове трактора, в кабине, двигателе в соответствии с разработанной технологией переоборудования трактора МТЗ-82 (рис.2.4). ­

Перед началом работ отключают клеммы аккумуляторной батареи или снимают батарею. Производится мойка трактора и в подкапотном простран­стве. Проверяется комплектность автомобиля. Проводитя визуальный осмотр и оценка состояния кузова, рамы, кабины и салона (если трактор некомплектный или не соответствует требованиям безопасности, то его переоборудование не проводится). В приемо-сдаточный акт заносятсяидентификационные данные, номера шин и имеющиеся повреждения остова и кабины.

Далее проводится подготовка комплекта, проверяется комплектность по упаковочному листу и отсутствие механических повреждении элементов, сверяют с паспортом маркировку на баллонах и дату выпуска баллона. Далее производится сборка баллона, установка на нем запорной арматуры. Ввертывание переходников и вентилей в баллоны выполняется на специальном приспособлении для фиксации баллона. При ввертывании вентилей в баллон в качестве герметика используется фиксатор.

Установка баллонов. На первом рабочем месте выполняются работы по установке баллонов, которые крепят на специальные кронштейны. Баллоны могут располагаться на раме или на крыше в специальной кассете. Для закрепления баллонов на раме либо в кронштейне кабины сверлятся отверстия для крепления ложементов. Края отверстий покрывают антикоррозионным составом. Основным условием крепления баллона является то, чтобы он соприкасался с трактором только через ложемент или кронштейн.Затем при помощи болтовых соединений устанавливаются крон¬штейны или ложементы, в которые хомутами из стальной ленты крепятся баллоны.Баллоны КПГ крепятся так, чтобы входные отверстия вентилей были развернуты навстречу подводимым трубопроводам.

Рисунок 2.4. Технологическая схема установки ГБО на трактор

Прокладку трубопроводов начинают с протаскивания магистральной трубки по днищу над штатными деталями согласно монтажной схеме. При изгибе трубки не допускается образование изломов. Если трубопроводы прокладываются по раме, прокладку начинают от баллона.После прокладки трубопроводы неподвижно фиксируются через каждые 30…50 см скобами, крепящимися на днищесамо-нарезающимися винтами, а на раме – болтами.

Монтаж редуктора газа.При установке редуктора газа необходимо обес­печить жесткое его крепление к раме или лонжеронам кабины в вертикальном положении, при этомштуцер слива конденсата должен находиться в нижней точке, а сам редуктор установлен ниже верхнего уровня радиатора и как можно ближе к смесителю. Важно сориентировать его параллельно движению автомо­биля. При размещении редуктора учитывайте возможность свободного доступа к регулировочному винту и сливному штуцеру.После установки редуктор подключается к системе охлаждения двигателя посредствомспециальных переходников/тройников. Подключение может производитьсяпоследовательно или параллельно в первый круг рециркуляции охлаждающей жидкости, например: параллельно радиатору отопителя салона.

Монтаж электромагнитного клапана газа.На третьем рабочем месте в строгом соответствии с чертежами инструкции в подкапотном пространстве мотор­ного отсека для крепления агрегатов ГБО просверливаем отверстия.Предварительно редуктор устанавливаем на кронштейн, который крепится к элементу, связанному с кабиной трактора. Газовый редуктор устанавливаем рядом с двигателем, чтобы ограничить длину газовых труб между редуктором и форсунками, в месте, где исключена возможность их нагревания.Редуктор подключаем к системе охлаждения с помощью металлических тройников, которые подключаются параллельно радиатору отопителякабины.Для этого необходимо слить 10л охлаждающей жидкости.Хомутами крепимшланги. После завершения монтажа шлангов редуктора, заливаем охлаждающую жидкость до нормативного уровня. Часть жидкости заливаем через входной шланг редуктора,чтобы не образовывалась паровая пробка.

Установка рампы форсунок и газовых врезок. Перед установкой рампы форсунок рассверлите имеющиеся жиклеры диаметром 1.5 мм до диаметра 2.5 мм.Используя крепеж имеющийся в комплекте, изготовьте кронштейн для крепления рампы форсунок на впускном коллекторе. Закрепите рампу с левой стороны двигателя на впускном коллекторе с помощью изготовленного крепежного элемента используя штатное отверстие М6х1 (рис.2.5). Просверлите 4 отверстия во впускном коллекторе головки блока цилиндров как можно ближе к воздушному фильтру. Нарежьте в отверстиях резьбу М6х1 и заверните туда газовые врезки М6х1, предварительно нанеся на резьбовую часть фиксатор резьбы (например, Loctite 542).

Рисунок 2.5 Установка рампы форсунок.

Подключение электрических и газовых соединений компонентов ГБО. Провода устанавливаем параллельно штатным линиям электропроводки в защитных трубах пешель и прокладываем по корпусным деталям. Применяем крепежные окончания, прошедшие омологацию вместе с проводкой. Минимальное расстояние от горячих элементов составляет 30 см. Максимальное допустимое расстояние крепления составляет 40 см. Провода управления рабо-той клапанов и электронного блока не должны касаться двигателя. Жгут проводов выводим в кабину через технологическое отверстие в стенке моторного отсека. При прокладке шлангов, трубопроводов нужно следить за тем, чтобы они не пережимались, не затрудняли доступ к деталям двигателя, не касались его вращающихся деталей и по возможности были короткими. Схема подключения электрических и газовых соединений между компонентами ГБО приведена на рис.2.6.

Рисунок 2.6. Схема подключенияэлектрических и газовых соединений.

1.Редуктор, 2.Фильтр грубой очистки, 3.Регулятор подачи газа, 4.Датчик положения коленчатого вала, 5.Заправочное устройство, 6.Манометр, 7.Электро­магнитный газовый клапан, 8.Фильтр тонкой очистки, 9.Кабель к электронному блоку управления, 10.МАП-датчик давления газа, 11.Датчик температуры охлаж­дающей жидкости, 12.Переключатель топливаи блок индикации, 13.Электронный блок управления, 14.Инжектор, 15,16. Трубопровод газа, 17,18. Трубопровод охлаждающей жидкости, 19.Монтажный комплект, 20.датчик температуры выхлопных газов, 21.Преобразователь напряжения.

Фильтр газовой фазы устанавливаем к раме трактора, на расстоянии 40 см от источников тепла.Между фильтром газовой фазы и газовыми форсунками устанавливаем на газопроводе датчик давления.В коллектор выхлопной системы устанавливаем датчик температуры выхлопных газов, в месте, общем для всех цилиндров, как можно ближе к головке двигателя. Датчик нужно ввести на 3/4 диаметра выхлопного коллектора и зафиксировать во втулке с помощью резьбового соединения. К соответствующим проводам жгута электрических проводов припаиваем выводы датчика, и аккуратно изолируем.

Следуя заводским указаниям монтируем непосредственно на блок двигателя в предназначенном для этого месте датчик детонации, обычно это резьбовое отверстие диаметром 10 мм в блоке двигателя.Соединительный элемент датчика подключаем к соответствующему соединению жгута электри­ческих проводов. В выхлопном коллекторе в месте общем для всех цилиндров, как можно ближе к головке двигателя, устанавливаем широкополосный лямбда-зонд (рис.2.7), для этого ввариваем втулку с внутренней резьбой M18x1,5. Втулку устанавливаем под 90 градусов вверх. Запрещается устанав­ливать лямбда-зонд по направлению к земле.

Рисунок 2.7 Место установки широкополосного лямбда-зонда.

Электронный блок управления устанавливаем на кронштейне и крепим в отсеке двигателя. На панели приборов трактора слева от рулевого колеса устанавливаем кнопка включения и отключения газодизельного режима работы двигателя.

Завершаются работы установкой всех демонтированных элемен­тов, подключаемклеммы батареи, доливают до нормы охлаждающую жидкость. По окончании монтажных работ по установки ГБО трактор заводим на жидком топливе, прогреваем двигатель, контролируем утечки охлаждающей жидкости и топлива, нагрев редуктора, а также проверяем, чтобы все шланги и электро­проводка не касались двигателя и его вращающихся частей: вентилятора, шкивов и их ремней.

Далее производим контроль герметичности (опрессовка) и прочности соеди­нений с использованием сжатого воздуха. Давление для опрессовки системКПГ составляет 19,8МПа. Открываетем наполнительный вентиль. При закрытом магистральном вентиле через заправочное устройство баллоны нака­чиваем сжатым воздухом. Давление для опрессовки систем КПГ сжатым возду­хом подаем ступенчато. Сначала проверяем герметичность и работоспособ­ность клапанов при давлении 1,0 МПа, затем – при последовательном его повышении до 2,5; 4,9; 9,8 и 19,8 МПа.

Для контроля герметичности после электромагнитного клапана включаем зажигание, и переключатель ставим в положение «Газ».Внешнюю герметич­ность проверяем нанесением мыльного раствора на все соединения газопро­вода и вентили. Утечки устраняют, предварительно выпустив воздух из восста­навливаемого участка магистрали.Внутреннюю герметичность редуктора проверяем нанесением мыльного раствора на выходной патрубок при выклю­ченном зажигании. Не допускается увеличение объема мыльных пузырьков.

По окончании опрессовки выпускаем воздух из баллонов КПГ, открыв заправочный вентиль, и проводим их вакуумирование.Далее заправляем баллоны метаном и подключаем компьютер с установленной программой для настройки блока управления с помощью интерфейса RS, USB или Bluetooth. Перед тем, как запустить программу, необходимо включить переключатель «массы»трактора, чтобы подать напряжение «после замка зажигания» и активировать контроллер для обеспечения коммуникации. После запуска программа автоматически предпримет попытку установить соединение с помощью последовательного COM-порта, к которому подключен интерфейс. О правильном подключении сообщит окно статуса (рис.2.8).Далее прописываем топливную карту и производим проверку работо­способности автомобиля на разных режимах работы двигателя.

Работы по переоборудованию завершаются сдачей автомобиля заказчику и подписанием акта приемки-сдачи и свидетельства о соответствии транспорт­ного средства требованиям безопасности.

Рисунок 2.8 Настройка топливной карты

Важным элементом модернизации топливной системы является механизм управления запальной дозой (МУЗД), который монтируется на рычаг управ­ления регуляторомштатного топливного насоса высокого давления трактора (рис.2.9). МУЗД предназначен для гибкой регулировки запальной дозы дизельного топлива при работе в газодизельном режиме. Усовершенствована также система защиты и управления режимами работы двигателя.

Рисунок 2.9. Механизм управления запальной дозой.

Газодизельная установка трактора МТЗ состоит из двух основных компо­нентов: система, обеспечивающая ограничение поступления дизельного топлива от ТНВД и система, отвечающая за распределение подачи газа. Правила эксплуатации практически не отличаются от правил эксплуатации штатного трактора: запуск производится в обычном режиме, а потом при помощи специаль­ного тумблера осуществляется переход на газодизельный режим работы.

Рекомендованное в данной реботе газодизельное оборудование достаточно простое, но надежное в эксплуатации, требует минимальных затрат на техни­ческое обслуживание и способно увеличитьпрактически в два разавозмож­ности использования трактора в рабочем технологическом цикле без дозаправки.

При этом значительно улучшаются экологические характелистики работы двигателя, возрастает ресурс, а затраты на топливо для трактора МТЗ-82 сокращаются на 28…35% в зависимости от условий его работы.

2.3. Патентный поиск способов управления запальной дозой топлива

Механизм управления запальной дозой топлива (МУЗДТ) является важнейшим элементом газодизельной системы питания и во многом определяет работоспособность и эффективность работы двигателя в газодизельном цикле. Для разработки конструкции МУЗДТ был проведен полномасштабный патентный поиск в данной области и на основе его анализа сформулировано решение поставленной задачи.

Рассмотрим более подробно наиболее интересные патенты.

2.3.1. Способ коррекции запальной дозы топлива в дизелях, работающих по газодизельному процессу (патент № 2 182 249).

Устройство (рис.2.10) содержит центробежный измеритель скорости 4 и связанный с ним основной 5 и промежуточный 6 рычаги, причем основной рычаг соединен с пружиной регулятора 2, а промежуточный — с рейкой топливного насоса высокого давления. На промежуточном рычаге закреплен пружинный корректор 7, шток которого соприкасается с основным рычагом.

Рисунок 2.10Кинематическая схема устройства для подачи запальной дозы

Работа устройства происходит следующим образом. При переходе на газодизельный режим включается дистанционный сервопривод 9, регулируемый упор 8 входит в соприкосновение с основным рычагом 5 и ограничивает его перемещение в сторону увеличения подачи дизельного топлива на заданном уровне. Регулирование частоты вращения при изменении нагрузки осуществляется за счет газового топлива, которое подается в цилиндры из газовой части топливной системы и управляется специальной системой управления, например электронной, а корректор 7 производит коррекцию запальной дозы дизтоплива по предложенному способу.

Реализация заявляемого способа коррекции запальной дозы дизтоплива позволяет улучшить процесс смесеобразования двухтопливной рабочей смеси, стабилизировать работу двигателя на холостом ходу и на частотных режимах по регуляторным характеристикам и снизить расход дизельного топлива.

Недостатком данного устройства является невозможность его использования в центробежных регуляторах других типов и трудность, связанная с конвертацией регулятора для работы на газовом топливе, что требует значительного изменения конструкции регулятора.

2.3.2. Система регулирования газодизеля патент №2 257482

Система регулирования (рис. 2.11) содержит рычаг управления 2 соединенный с педалью управления,центробежный датчик с подвижной муфтой 3,

Рисунок 2.11Схема системы регулирования газодизеля. 1 – регулятор; 2 – рычаг управления; 3 – подвижная муфта; 4 – главный рычаг регулятора; 5 –рычаг; 6 – пружина; 7 – штифт; 8 –орган дозирования; 9 – штифт; 10 – двуплечий рычаг; 11 – тяга ; 12 – рычаг; 13 – пружина; 14 – заслонка; 15 – газовый смеситель; 16 – смеситель-дозатор; 17 – электромагнитный клапан;18 — электромагнитный клапан.

воздействующей на главный рычаг регулятора 4 в зависимости от режимов работы газодизеля, штифт 7, жестко закрепленный на главном рычаге регулятора 4 и связанный с тягой органа дозирования 5 топливного насоса посредством пружины 6, обеспечивающей движение органа дозирования 8 на увеличение подачи топлива, электромагнитный клапан 17 фиксации рычага 5 органа дозирования 8, имеющего управление совместно с клапаном 18 посредством электрического проводника 19, двуплечий рычаг 10, прижимаемый к штифту 9 под действием пружины 13, установленной на оси заслонки 14 газового смесителя 15 посредством рычага 12 и тяги 11. Двуплечий рычаг 10 и заслонка 14 газового смесителя 15 соединена со смесителем-дозатором 16. Рычаг 12 газовой заслонки через тягу 11 и двуплечий рычаг 10 и штифт 9 воздействует на основной рычаг регулятора 4.

Регулятор работает следующим образом.Воздействие на педаль управления вызывает перемещение рычага управления регулятором 2 и задает скоростной режим работы регулятора 1. Центробежный датчик с подвижной муфтой 3 вызывает перемещение главного рычага регулятора 4. При работе по дизельному процессу для уменьшения подачи топлива рычаг 4 всережимного регулятора 1 перемешается и штифтом 7, смещающимся в прорези тяги органа дозирования 5, отводит рейку 8 на уменьшение подачи топлива.

При увеличении подачи топлива рычаг 4 регулятора 1 перемещается и посредством пружины 6, упирающейся одним концом в главный рычаг регулятора 4, а другим — в тягу органа дозирования 5, перемещает рейку топливного насоса на увеличение подачи топлива.

При работе по газодизельному процессу тяга органа дозирования 5 фиксируется электромагнитным клапаном 17. В то же время электромагнитный клапан 18 открывает подачу газа. Для увеличения подачи газа главный рычаг 4 регулятора перемещается и воздействует посредством штифта 9 на двуплечий рычаг 10, который через тягу управления 11 и рычаг 12 открывает газовую заслонку 14, увеличивая частоту вращения коленчатого вала газодизеля. При уменьшении подачи газа основной рычаг 4 регулятора 1 перемещается, а заслонка 14 под действием пружины 13 закрывается, уменьшая количество газа, осуществляя регулирование частоты вращения коленчатого вала газодизеля.

Система регулирования газодизеля по сравнению с прототипом упрощает конструкцию регулятора, снижает материалоемкость и позволяет использовать газовое топливо совместно с дизельным.Недостатками этой системы регулирования газодизеля являются:

1) жесткость дополнительных пружин 6 и 13 приводятся к жесткости главной пружины, в результате возрастает суммарная жесткость приведенной пружины и увеличиваетсяобщаястепеньнеравномерностистатическойхарактеристики регулятора (наклон), что нарушает параметры настройки регулятора;

2) присоединение к регулятору дополнительных элементов привода заслонок увеличивает силы сухого трения и соответственно степень нечувствительности системы, что делает нереальным использование регуляторов прямого действия с их невысокой работоспособностью;

3) фиксирование минимальной запальной подачи топлива с помощью устройства 17 в связи с наличием ограничительной статической характеристики холостого хода регулятора при возрастании нагрузки и соответствующем снижении частоты вращения по статической характеристике приведет к снижению минимальной запальной подачи топлива, что вызовет неустойчивую работу ТНВД и последующиепропускисгораниягазовоздушнойсмеси(вплотьдоостановкигазодизеля), как минимум будет нарушено качество работы двигателя и безопасность эксплуатации;

2.3.3 Устройство регулирования и управления топливоподачей газодизеля(патент № 2 572 494).

Устройство (рис.2.12) содержит регулятор частоты вращения 1 с координатой задания режима (координатой настройки) 3 и выходным рычагом регулятора 14, усилитель мощности 2 без обратной связи, вход которого связан с выходным рычагом регулятора 14 через свободно подвешенный рычаг 4, а выход УМ связан с возвратной пружиной6 и заслонкой газа 7, которая, в свою очередь, кинематически связана через настроечное устройство соотношения газ-воздух 8 с воздушной заслонкой 11 с регулируемым ограничителем 10 и возвратной пружиной 12, а разобщительная тяга 15 соединена с входом управляющего устройства 13 и выходным рычагом регулятора 14 и обеспечивает зазор h в соединении с воздушной заслонкой 11.

Рисунок 2.12. Схема устройства регулирования и управления газодизелем.

1 — регулятор частоты вращения;2- усилитель мощности;3- координата задания режима;4-свободно подвешенный рычаг; 5- исполнительный механизм; 6- возвратная пружина ;7-привод заслонки по газу;8- настроечное устройство;9- рычаг;10- регулируемым ограничителем;11- воздушная заслонка;12- дополнительной пружины;13- управляющее устройство; 14- выходной рычаг регулятора;15- разобщительная тяга;16- рейку;17- устройства подачи топлива;

Устройствоработаетследующимобразом.Обеспечиваетсяраздельноерегулирование и управление подачи запального топлива и подвода к смесителю газа и воздуха.Регулятор скорости 1 после запуска двигателя обеспечивает положение рейки 16 ТНВД 17 в позиции минимальной запальной подачи. При этом УМ 2, получив значение входной координаты на УУ 13, обеспечивает крайнюю левую позицию выходной координаты, заслонка газа 7 закрыта, а микровыключатель19 через клапан 21 отключает подачу газа.

При увеличении нагрузки в соответствии со статической характеристикой регулятора 1 начинается перемещение выходного рычага регулятора 14 и УУ 13 усилителя мощности 2 через свободно подвешенный рычаг 4. Исполнительный механизм ИМ 5 УМ 2 начинает перемещать заслонку газа 7 в сторону увеличения открытия, при этом электромагнитный клапаноткрыт с помощью микровыключателя 19 через схему включения клапана 21.

Открытие заслонки газа 7 пропорционально нагрузке, а так как нагрузка компенсируется газовой составляющей топлива, то регулятор 1 возвращает рейку 16 в исходное положение минимальной запальнойподачи.Такимобразом,тенденцииотклонениявыходногорычагарегулятора14 вызывают перемещение выхода УМ с обеспечением добавленной нагрузки за счет газовой части топлива. При этом восстанавливается заданный скоростной режим двигателя и тем самым выполняется функция управления регулятором по обеспечению минимальнойзапальнойподачидо величины порядка 10% от номинальной независимоотнагрузки.

Устройство регулирования и управления обеспечивает точное регулирование частоты вращения при работе на газодизельном цикле, а при переходена жидкое топливо система имеет статическую характеристику, определяемую регулятором частоты вращения. Управление обеспечивается «одной ручкой».

Недостатком данного устройства является сложность конструкции регулятора, так как система регулирования создана путем добавления большого количества дополнительных рычагов, кинематически соединенных между собой.

2.4.4 Газодизельная система трактора патент № 55 881

Газодизельная система трактора с автоматическим переключением режимов работы (рис.2.13) состоит из воздушного фильтра 1 с рукавом 2 подачи воздуха, к которому присоединен смеситель 3, к смесителю 3 присоединен рукав 4 подачи смеси, а к последнему — двигатель 5, газобаллонной установки 6 (показана упрощенно), к которой присоединены трубопровод 7 и расходный вентиль 8, при этом к расходному вентилю 8 присоединены последовательно: трубопровод 9, газовый фильтр 10, трубопровод 11, газовый редуктор 12 высокого давления, трубопровод 13, электромагнитный газовый клапан 14, трубопровод 15, газовый редуктор 16 низкого давления, шланг 17, дозатор 18 газа, шланг 19, а смеситель 3 и газовый редуктор 16 соединены между собой шлангами 20 и 21, к газобаллонной установке 6 последовательно присоединены наполнительный вентиль 22 и заправочное устройство 23, а на двигателе 5 установлен топливный насос 24 высокого давления (ТНВД) с регулятором 25.

Рисунок 2.13 Функциональная схема газодизельной системы трактора

К регулятору 25 присоединен дозатор 18 газа, при этом к топливному насосу 24 высокого давления присоединен механизм 26 ограничения запальной дозы, который состоит из планки 27 ограничения запальной дозы, датчика 28 положения механизма 26ограничения запальной дозы и электромагнита 29.

Газодизельная система трактора работает следующим образом.После очистки воздух из фильтра 1 по рукаву 2 поступает в смеситель 3, где образуется газовоздушная смесь. Смесь поступает из смесителя 3 по рукаву 4 во впускную трубу двигателя 5.Газ из редуктора 16 поступает по шлангу 17 в механический дозатор 18 с приводом от регулятора 25. Отрегулированное дозатором 18 количество газа поступает по шлангу 19 в смеситель 3. Шланг 20 подает разрежение из смесителя 3 в редуктор 16. При включении газодизельной системы включателем 31 двигатель 5 начнет работать в газодизельном режиме до тех пор, пока частота вращения коленчатого вала двигателя 5 вследствие нажатия на педаль акселератора или недостаточной механической нагрузки превышает 1200 об/мин. Если же частота вращения коленчатого вала двигателя 5 снизится менее 1100 об/мин вследствие увеличения нагрузки на двигатель 5 или уменьшения нажатия педали акселератора, то подача газа прекратится и двигатель 5 начнет работать в дизельном режиме, а элементы блока БПР 52: 45, 46, 47, 48, 39, 50 будут находиться в готовности включения газодизельного режима, если увеличится частота вращения коленчатого вала двигателя 5 до 1200 об/мин и более. Далее данные процессы будут повторяться.

Достоинства данной схемы -устойчивая работа на дизельном и газодизельном топливе, высокая производительность, сниженные затраты и повышенное качество работы.

Недостатки:введение упругой связи на рейку ТНВД с ее последующей фиксацией при переводе дизеля на газ не обеспечивает снижение запальной подачи до величины порядка 10% от номинальной, что способствует появлению пропусков и неустойчивой работе газодизеля, необходимость ручной коррекции качества газовоздушной смеси для предотвращения пропусков вспышек и обратных выбросов;

2.4.5 Способ подачи горючего газа в рабочие цилиндры газодизеля(патент № 2 319 846).

Система (рис.2.14) содержит отсечной клапан 1, к которому подведен трубопровод газа от емкости газа, редуктор 2 давления газа и разделитель 3 газовых потоков, от которого отходят два газопровода: газопровод 4 подачи газа в компрессор 5 наддува и газопровод 6 подачи газа с коллектором газовым 7 в рабочие цилиндры 8 газодизеля 9.

Рисунок 2.14 Схема газодизельной системы.

Способ подачи газа в цилиндры газодизеля осуществляется следующим образом.Запускают газодизель 9 для работы по дизельному циклу с подачей жидкого топлива к форсункам 26 по трубопроводу 27 жидкого топлива.Для перехода на газодизельный цикл работы горючий газ под давлением подводят от газовой емкости через отсечной клапан 1 и редуктор 2 давления газа к разделителю 3 газовых потоков, в котором общее количество подаваемого газа разделяют на две части.

Одну часть газа в количестве от 20 до 50% общего количества подаваемого газа подают по газопроводу 4 через впускной патрубок 13 в компрессор 5 наддува, где перемешивают с наддувочным воздухом. Остальную часть газа в количестве 80%-50% общего количества подаваемого газа направляют от разделителя 3 потоков газа по газопроводу 6 подачи газа к регулятору 19 подачи газа в цилиндры 8, через подогреватель газа 20, в котором газ может быть нагрет за счет тепла выпускных газов газодизеля 9 и далее направляют через отсечной клапан 21, коллектор газовый 7 и газовые клапаны 23 в рабочие цилиндры 8 газодизеля 9. Газовые клапаны 23 открывают периодически в соответствии с порядком работы рабочих цилиндров 8 с помощью электромагнитного привода (на чертеже не показано) под воздействием управляющих сигналов от блока управления 24 или механизма газораспределения газодизеля 9 (на чертеже не показано).

Для оптимизации процессов смесеобразования и сгорания на разных режимах работы газодизеля целесообразно изменять в заявленных пределах соотношение количеств горючего газа, подаваемых по газопроводу 6 через газовые клапаны 23 и по газопроводу 4 через компрессор 5 наддува, и впускные клапаны в рабочие цилиндры. В частности, на режимах малых нагрузок (до 50% полной мощности) по газопроводу 6 в рабочие цилиндры подают от 80 до 65%, а на режимах, близких к полной мощности (свыше 50% полной мощности), подают от 65 до 50% общего количества подаваемого газа, при подаче остальных количеств газа по газопроводу 4 через компрессор 5 наддува и впускные клапаны.

Способ двухпоточной подачи горючего газа в рабочие цилиндры газодизеля обеспечивает повышение экономичности, приемистости и взрывобезопасности газодизелей. Системапозволяет подавать в рабочие цилиндры через газовые клапаны 80-50% общего количества подаваемого газа, благодаря чему улучшаются условия и сокращается время перемешивания газовых струй с воздушным зарядом в рабочих цилиндрах. Ускорению гомогенизации газовоздушной смеси в рабочих цилиндрах способствует также подогрев этой части газового заряда до температуры 150-250°С.

Уменьшение количества газа, вводимого во всасывающий патрубок компрессора наддува сокращает от 5 до 2 раз потери газа при продувке и уменьшает загрязнение углеводородами окружающей среды, а также исключает возможность образования взрывоопасной концентрации газа в наддувочном ресивере газодизеля.

Недостатком данного устройства является сложность конструкции регулятора, так как система регулирования создана путем добавления большого количества дополнительных рычагов, кинематически соединенных между собой. Кроме того, недостатком является также отсутствие возможности использования системы регулирования при использовании газового топлива совместно с дизельным в соответствующих пропорциях в зависимости от режимов работы двигателя.

2.4 Разработка механизма управления запальной дозой топливадля ТНВД с механическим регулятором.

Выполненный анализ патентных решений по совершенствованию способов управления топливоподачей при работе двигателя в газодизельном цикле позволил установить, что наиболее оптимальным решением для управления запальной дозой топлива является установка дополнительного механизма, изменяющего кинематику привода управления рычагом регулятора. Исходя из конструктивных особенностей подкапотного пространства трактора МТЗ-82 наиболее эффективным представляется расположение механизма управления запальной дозой топлива сбоку ТНВД. Данная конструкция позволяет надежно управлять пода­чей топлива без вмешательства в конструкцию ТНВД, что позволяет при отклю­чении газодизельного цикла вернуться к штатной работе дизельного двигателя.

Для реализации данной схемы в рамках настоящего проекта нами была разработана конструкция механизма управления запальной дозой топлива (рис.2.15), которое состоит из корпуса 1 закрепленного на рычаге регулятора, шагового двигателя 2, закрепленного к корпусу с помощью четырех болтов М6, подвижного плунжера 3, находящегося внутри корпуса и винта 4, соединяющего ползунок с валом шагового двигателя через резьбовое соединение. Подвижный плунжер 3 имеет палец с проушиной 5, выступающий через прорезь корпуса 6 для крепления тяги привода, идущей от педали газа к рычагу регулятора ТНВД.

Рисунок 2.15 Общий вид механизма управления запальной дозой топлива.

1-корпус, 2-шаговый двигатель, 3-подвижный плунжер, 4-вал, 5-палец с проушиной, 6-продольный паз.

МУЗДТ состоит из устанавливаемого на рычаг регулятора ТНВДкорпуса 1, шагового двигателя 2, закрепленного к корпусу 1 с помощью четырех болтов М6, подвижного плунжера 3, находящегося внутри корпуса 1 и винт 4, соединяющий плунжер с валом шагового двигателя через резьбовое соединение. Подвижный плунжер 3 имеет палец с проушиной 5, выступающий через прорезь6корпуса, предназначенный для крепления тяги привода, идущей от педали газа к рычагу регулятора ТНВД. Минимальное положение подвижного плунжера соответствует стандартному расстоянию от оси рычага до центра отверстия для соединения с тягой. На данном положении обеспечивается стандартная работа дизельной системы. При перемещении ползунка уменьшается угол поворотарычага, что позволяет уменьшить количество подаваемого топлива. Такое расположение уменьшает нагрузку на шаговый двигатель, что увеличивает надежность и срок службы устройства формирования запальной дозы.

МУЗДТ работает следующим образом. При переключении режима работы переключателем на электронный блок управления подается сигнал о переходе топливной системы c дизельного на газодизельный режим работы. От ЭБУ на шаговый двигатель поступает сигнал и якорь начинает вращение винта, перемещая навернутую на него цилиндрическую гайку с проушиной и шарнирно закрепленную приводную тягу в положение соответствующее выбранному режиму работы. Для работы в дизельном режиме палец с проушиной устанавливается в положение короткого плеча рычага управления цикловой подачи, а в газодизельном в положении длинного плеча. Регулировка запальной дозы топлива достигается путем изменения длины плеча рычага управления цикловой подачи топлива, то есть изменяется кинематика привода управления и изменяя угол его поворота. В рабочем режиме поддержание оптимального соотношения содержания запальной дозы дизельного топлива на различных режимах работы, контролируется сигналами от датчика положения акселератора, которые считывает ЭБУ и в соответствии с заданной программой корректирует длину плеча рычага управления цикловой подачи.

Механизм устанавливается непосредственно на рычаг регулятора ТНВД с помощью болтов. Начальное положение подвижного плунжера соответствует стандартному расстоянию от оси рычага до центра отверстия для соединения с тягой и соответствует работе двигателя на дизельном топливе. При перемещении подвижного плунжера по валу вдоль корпуса длина рычага изменяется.

Для расчета конструкции МУЗДТ составлена его кинематическая схема, имитирующая движение от акселератора, системы тяг и рычага управления регулятором рисунок 2.16.

Стоит учесть, что узлы ТЕ, НG и FD не изменяются, так же тяги НG и FD равны OA, из-за чего данные участки в ходе расчетов остаются неизменными и поэтому для расчетов возьмем участок OAABBC. По результатам измерений определим исходные данные для выбранного участка: ОА=57 мм., ВС=52 мм., АВ=300 мм., α=const=30°, β =36°.

а)

б)

Рисунок 2.16 Кинематическая схема привода управления ТНВД:

а) от педали до рычага управления; б) от МУЗДТ до регулятора ТНВД.ОА – тяга, АВ – тяга к рычагу, ВС – рычаг управления регулятором ТНВД, α – угол перемещения тяги ОА, β — угол перемещения рычага управления регулятором ВС.

Зная длину тяги ОА и угол α мы можем найти длину дуги А такое же расстояние будет проходить точка B на рычаге СВ то есть длинна дуги В=А длину дуги находим по следующей формуле.

АА₁=α·ОА (2.1)

Где угол необходимо перевести в радианы =30°=0,52 рад.

Подставим значения в формулу (2.1)

АА₁=0,52·57=29,64 мм

Получаем длину дуги АА₁на 29,64 мм

Теперь зная длину дуги ВВ₁ найдем угол β по следующей формуле.

(2.2)

Переведем полученный ответ в радианах в градусы получим угол поворота β=33°

Мы определили на какой угол β поворачивается рычаг управления ТНВД β=33°. Согласно регуляторной характеристики ТНВД для обеспечения заданной запальной дозы топлива в заданном газодизельном режиме работы рычаг управления необходимо повернуть на 16°. Необходимо определить перемещение подвижного ползунка так чтобы при длине дуги В=Dугол поворота φ был равен 16° или переведем в радианы φ=0,27. Новую длину СD найдем по следующей формуле

(2.3)

Таким образом получаем, что для получения угла поворота φ=16° необходимо передвинуть подвижный ползун на 58 мм.

Произведем расчет основных параметров для корпуса регулятора. Перед началом инженерных теоретических расчетов в программных средах, необходима твердотельная 3D модель устройства. В качестве CAD системы был выбран APMStructure 3D. После построения 3D модели в КОМПАС v17 сохраняем его в формате STEP. После определения конструктивного исполнения корпуса для регулятора цикловой подачи запальной дозы дизельного топлива нами были проведены расчеты на прочность в программном комплексе APM.

Так как в узле присутствует напряжение от давления цилиндрической гайки, имеется необходимость рассчитать, чтобы проектируемый узел смог выдержать это напряжение от давления. Расчет производим для стенок корпуса.В программе Компас 3D создаем 3D модель корпуса для расчетов. При построении был выбран опорный неизменяющиеся параметр детали длина L=130мм, внутренний диаметр d=20мм. В данной модели толщина стенки S=10 мм, внешний диаметр детали D=30мм. В последующих расчетах будет изменятся толщина стенки с целью нахождения оптимального размера соответствующего воздействующим на корпус нагрузкам.При разработке адаптера был выбран материал Сталь 40х, который имеет предел прочности σ = 300…980 МПа.

Для расчета корпуса необходимо разбиение детали в конечно-элемент­ную сетку для этого загружаем 3D модель в программу APMStudio(рис.2.17).и разбиваем 3D модель корпуса на конечно-элементную сетку.С определенными параметрами: максимальная длина стороны элемента 2мм, максимальный коэффициент сгущения на поверхности возьмем равным 1.

Рисунок 2.173D-модель корпуса МУЗДТс конечно-элементной сеткой.

После создания КА сетки импортируем ее в APMStructure 3D, где устанавливаем закрепление и прикладываем давление на внутреннюю сторону корпуса. После постановки всех опор и сил, действующих на корпус проводим статический расчет детали, результаты которого можно наблюдать на карте результатов на рисунках ниже.

Рисунок 2.18 Результаты расчета корпуса на перемещение, напряжение, коэффициент запаса по пределу текучести и коэффициент запаса по усталости.

Далее произвели расчет на перемещение: максимальное перемещение составляет 0 мм, минимальное и максимальное 0.067 мм. Расчет детали на напряжения: минимальное значение напряжений равно 0,1 МПа, максимальное 507 МПа.После чего мы провели расчет на нагрузки, получили минимальные нагрузки равные 0 и максимальные нагрузки равные 192.7 Н.Рассчитали коэффициент запаса по текучести, коэффициент запаса по усталости.

Для определения оптимальной толщины стенки корпуса проведем еще два расчета с изменением толщины стенки на 20 мм и 30 мм соответственно. Изменив толщину стенки, провели повторно все расчеты. Для сравнения полученные результаты внесем в таблицу(таблица2.3).

Таблица 2.3 Сравнительные данные прочностных расчетов

Исходя из данных таблицы 2.3 принимаем толщину стенок корпуса 20 мм. так как данный параметр будет оптимальными для выбранного нами материала сталь 40Х.

С учетом проведенных расчетов была подготовлена конструкторская документация на изготовление деталей МУЗДТ, представленная в Приложении.

2.5 Экспериментальное исследование механизма управления запальной дозой топлива.

Устройство устанавливается непосредственно на рычаг регулятора ТНВД с помощью 2-х болтов М10. Крайнее положение, при котором подвижный плунжер находится ближе к шаговому двигателю, является «нулевым» положением, соответствующим работе двигателя на дизельном топливе. Таким образом, при перемещении подвижного плунжера по валу вдоль корпуса длина рычага изменяется. Для проверки работоспособности были проведены безмоторные испытания по замеру величины подачи топлива в различных режимах и положениях рычага цикловой подачи топлива.

Безмоторные испытания проводились по ГОСТ 8670-82 и ISO 9002 согласно тест-планам с использованием специализированного стенда 12PSDW150с мензурочной измерительной системой для регулировки и испытаний топливных насосов высокого давления рядных, V-образных и распределительных ТНВД отечественного и импортного производства. Характеристики стенда приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 Характеристики стенда 12PSDW150.

Стенд 12PSDW150 позволяет производить следующие испытания и регулировки:

• Проверка гидравлической плотности ТНВД.
• Проверка и регулировка цикловой подачи каждой секции и неравномерность цикловых подач ТНВД с возможностью изменения количества циклов измерения в зависимости от необходимой точности измерения.
• Проверка и регулировка начала подачи топлива каждой секцией ТНВД.
• Проверка и регулировка регуляторов частоты вращения ТНВД.
• Измерение давления питающего насоса ТНВД.
• Проверка и регулировка работы пневматического корректора наддува ТНВД.
• Измерение внутреннего давления в корпусе ТНВД распределительного типа.

Испытания проводились на калибровочной жидкости ShellCalibrationFluidS.9365 DINISO 4113 (таблица 2.5), предназначенной для калибровки дизельной топливной аппаратуры.

Таблица 2.5 Основные параметры жидкости ShellCalibrationFluidS.9365.

Испытание форсунок производилось на приборе BoschEPS100(рис.2.19). Он состоит из корпуса, в котором находится плунжерная пара с нагнетательным клапаном, манометра, трубопровода со штуцером для крепления форсунок, топливного бака, рычага привода плунжера и маховика для прекращения подачи топлива к манометру. Прибор устанавливается на поддони крепится болтами к столу.

Рисунок 2.19.Прибор для проверки форсунок BoschEPS100.

Результаты испытаний форсунок занесены в таблицу 2.6.

Таблица 2.6. Результаты проверки форсунок.

В ходе эксперимента использован ТНВД семейства 337-20 — это топливные насосы высокого давления с V-образным расположением секций и межсекционным расстоянием 36 мм. Насосы данного семейства позволяют обеспечить давление впрыска топлива 1200 бар. Комплектуются механическим всережимным регулятором с прямым, обратным корректорами и корректором по наддуву. ТНВД 337-20 сертифицированы в составе двигателей ОАО «КамАЗ» на соответствие Правил ЕЭК ООН № 49-02В(EURO-2).

Проверка насоса на производительность проводилась при температуре топлива 32°С наустановленных тест-планом режимах(рис.2.20). Все показатели работы испытуемого ТНВД приведены в соответствие контрольным значениям тест-плана.

Рисунок 2.20 Проверка ТНВД на стенде.

После проверки и настройки ТНВД с целью согласования работы блока управления газовыми форсунками и механизма управления запальной дозой топлива произведены контрольные замеры цикловой подачи при различных положениях рычага управления и построена карта подач топлива.

Методика испытаний была разработана самостоятельно. Для этого рычаг управления регулятором устанавлива­ется в максимальное положение, частота вращения привода ТНВД — 100 мин^-1, продолжительность замеров 1000 циклов. После каждого измерения частоту вращения привода увеличиваем на 100 мин^-1 до тех пор, пока топливо не прекратит поступать в измерительные мензурки. Затем перемещаем рычаг управления регулятором на 1 мм от максимального положения и повторяем измерение. Перемещение рычага на 1 мм повторяем до минимального его положения.

Результаты измерений представлены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 Результаты цикловой подачи ТНВД

На основании данных таблицы 2.7 построен график зависимости цикловой подачи дизельного топлива от положения рычага регулировки дизельным топливом во всем диапазоне частоты вращения кулачкового вала. График представлен на рисунке 2.21. На данном графике ось Х определяет частоту вращения кулачкового вала ТНВД, на оси Y отмечено количество подаваемого топлива и по оси Z — положение рычага управления регулятором.

Рисунок 2.21 Зависимость цикловой подачи топлива от положения рычага управления регулятором ТНВД в рабочем диапазоне частоты вращения.

Видно, что собранный нами МУЗДТ способен регулировать количество подаваемого дизельного топлива во всем диапазоне цикловых подач. Так, при перемещении рычага управления из выдвинутого в крайнее положение подвижного плунжера до противоположного цикловая подача топлива сокращается в 10 раз.

Для экспериментальной проверки работоспособности собранного устройства был изготовлена имитационная система, имитирующая работу привода педали акселератора, полностью соответствующая приводу управления подачи топлива автомобиля КамАЗ 45143. Имитационная система вместе с ТНВД была установлена на стенд для испытания топливных насосов высокого давления, а изготовленное устройство смонтирована на рычаг управления ТНВД (рис2.22). С помощью подключенного блока управления и компьютера была проверена работоспособность данного устройства, проведена его тарировка, и внешние и частичные регуляторные характеристики ТНВД.

Рисунок 2.22 Имитационная система.

Имитационная система представляет собой ТНВД с установленной на него системой тяг, имитирующих работу привода от педали акселератора до рычага управления регулятора ТНВД. Данная система позволяет определить количество подаваемого топлива в зависимости от положения педали акселератора во всем диапазоне рабочих подач. В начальном замере все рычаги установлены в максимальное положение, частота вращения привода ТНВД — от 100 мин^-1, палец с проушиной — в крайнем положении. В ходе последующих замеров рычагиперемещаись в минимальное положение, соответствующее работе на дизельном топливе. Результаты представлены в виде в таблице 2.8.

Таблица 2.8Поле подач топлива ТНВД модели 335-20 с МУЗДТ при разных положениях подвижного плунжера.

Как видно из таблицы при перемещении подвижного плунжера в крайнее положение на L₁=58мм. соответственно L₂=47 мм, L₃=36мм, L₄=25мм, L₅=0, что соответствует штатной работе на дизельном топливе, и различных частот вращения мы можем изменять в широком диапазоне количество подаваемого топлива значительно меньше, чем при стандартных настройках. Таким образом, на основании полученной матрицы значений подачи топлива ТНВД в рабочем диапазоне частоты вращения при различном положении подвижного плунжера МУЗДТ, нами был сформирован алгоритм управления запальной дозой топлива при любом положении педали акселератора на любом скоростном режиме работы двигателя.

2.6. Дорожные испытания автомобиля КАМАЗ-45115 на газодизельном цикле работы.

После полного монтажа газобаллонного оборудования и установки настроек контроллера управления работой двигателя в газодизельном цикле двигатель был запущен ипрогрет до рабочей температуры. После достижения заданной температуры ОЖ (30°С) блок управления подает напряжение на открытие запорных клапанов газовых баллонов. Газ заполняет магистраль и поступает в редуктор. Редуктор понижает давление газа до заданной величины, при этом он подогревается охлаждающей жидкостью. Далее по магистрали газ через фильтр поступает в МАП сенсор, где считываются его давление и температурами накапливается в газовой рампе для подачи дозированного количества газачерез форсунки непосредственно за воздушный фильтр для качественного перемешивания с воздухом в турбокомпрессоре и интеркулере. Дозирование количества газа происходит путем открытия форсунок на определенный период, величины которого программно вводятся в топливную карту электронного блока в зависимости от мощностных показателей и режимов работы ДВС. Абсолютное давление газо-воздушной смеси во впускном коллекторе также фиксируется блоком управления ГБО. Г

Начало работы ДВС по газодизельному циклу начинается с частоты вращения 1000 мин^-1, это обосновано тем, что при малых нагрузках и низкой частоте вращения коэффициент избытка воздуха в цилиндрах двигателя слишком большой и горение газо-воздушной смеси невозможно. Это снижает эффективность работы газодизельного двигателя.

При увеличении нагрузки водитель нажимает педаль газа, блок управления считывает положение и настройки топливной карты. По заданным параметрам топливной карты происходит подача газа в зависимости от положения педали и частоты вращения коленчатого вала. При этом увеличивается количество топлива подаваемого в камеру сгорания. В целях сохранения заданной частоты вращения и режима работы двигателя в газодизельном цикле работы МУЗДТ на ТНВД уменьшает подачу дизельного топлива, но не прекращает подачу совсем, обеспечивая воспламенение газо-воздушной смеси и, при необходимости, кратковременное увеличение мощности.

Далее был запущен процесс сбора информации о параметрах двигателя на холостых оборотах. Данный процесс не требует вмешательства и проходит полностью в автоматическом режиме. По завершению сбора данных на холостых оборотах была сформирована характеристика работы двигателя на дизельном топливе путем проведения эталонного пробега. Эталонным считается пробег с постепенно изменяемой нагрузкой. Собрав характеристику двигателя на всех скоростных режимах, на которых работает двигатель, была начата прописка топливной карты для механизма управления запальной дозой топлива. Данную операцию можно провести одним из трех способов:

Автоматический режим — после переключения на газодизельный режим работы нужно проехать, сохраняя условия наиболее приближенных к тем, в которых был проведен эталонный пробег. В данном режиме газовый ЭБУ будет автоматически подбирать дозировку газового топлива с постепенным уменьшением доли дизельного топлива, результат будет в режиме реального времени записываться на топливной карте.

Полуавтоматический режим — после переключения на газодизельный режим работы нужно проехать, сохраняя условия наиболее приближенные к тем, в которых был проведен эталонный пробег. В данном режиме возможно ввести вручную только значения времени впрыска газового топлива в точках, в которых двигатель работает в данный момент, газовый ЭБУ будет автоматически пропорционально уменьшать долю дизельного топлива. Результат будет записываться в режиме реального времени на топливной карте.

Ручной режим — после переключения на газодизельный режим работы нужно проехать, сохраняя условия наиболее приближенные к тем, в которых был проведен эталонный пробег. В данном режиме значения времени впрыска газового топлива вводятся вручную для уменьшения доли дизельного топлива.

После проведения калибровки двигателя автомобиля КАМАЗ-45143 одним из трех способов получаем предварительную топливную карту, представленную на рисунке 2.23. Данная карта может быть как окончательной, так и промежуточной, так как не все условия могут соответствовать рабочим. В случае избыточного расхода как газомоторного, так и дизельного топлива следует провести коррекцию топливной карты.

Рисунок 2.23 Начальная топливная карта для газодизельного цикла работы

Приведенная выше топливная карта позволяет в дальнейшем произвольнорегулировать основное время впрыска газа в зависимости положения педали акселератора (ось x) и частоты вращения коленчатого вала двигателя (ось y). С помощью карты можно установить время впрыска газа с точностью до 0,1 мс. Реальное время впрыска газа можно откорректировать в соответствии со временем открытия и закрытия газовой форсунки, температурой и давлением газа.

Для проверки эффективности газодизельного режима работы были проведены испытания модернизированного автомобиля КАМАЗ-45115 на мерном участке по асфальтированному полотну с небольшими подъемами и спусками. Топливная карта подачи газа была скорректирована исходя из заданных режимов работы двигателя (рис.2.24). Испытания проводились без грузаи с балластом. Температура окружающей среды составляла 0°С, влажность 70%, условия не менялись. Протяженность мерного участка составляла 22 км с остановками в конечных точках, средняя скорость движения при этом была 60…70 км/ч. Замеры расхода дизельного топлива производили с помощью мерного сосуда, а метана – по показателям датчика давления газа в баллоне.

Рисунок 2.24.Скорректированная топливная карта.

В ходе проведения испытаний по асфальтированной дороге с небольшими подъемами и спусками, топливная карта подачи газа была скорректирована исходя из заданных режимов работы двигателя. Испытания проводились под нагрузкой и без. Температура окружающей среды составлял 0۫С, влажность 70%, давление 757 мм. рт.ст. В ходе испытаний были получены различные показатели.

При движении порожнего автомобиля в штатном дизельном режиме работы расход топливана мерном участке составил 7 литров дизельного топлива. После перехода в газодизельный режим работы при тех же условиях движения, расход дизельного топлива составил 4,5 литра, расход метана — 2,5 м³. Далее была произведена загрузка автомобиля балластом массой 4,8 тонн и измерения повторены на том же мерном участке дороги (рис. 2.25).

Рисунок 2.25Автомобиль КАМАЗ-45115 загруженный балластом.

Результаты испытания показаны в таблице 2.9.

Талица 2.9 Испытание автомобиля КАМАЗ-45115.

Под нагрузкой при работе двигателя в дизельном режиме расход дизельного топлива составил 9,2 литра, в газодизельном режиме работы двигателя расход дизельного топлива составляет 6,3 литра, расход природного газа — порядка 2,9 м³.

В результате дорожных испытаний автомобиля КАМАЗ-45115 установлено, чтов газодизельном цикле работы порожнего автомобиля на скорости 60-70 км/ч доля замещения дизельного топлива составляет 39%. После загрузки балласта массой 4,8 тонн, при тех же условиях движения, эффективность замещения составила 32%. Необходимо отметить, что двигатель в газодизельном цикле работает стабильнее по сравнению с дизельным режимом работы, тяга двигателя улучшается, адымность снижается.

Дальнейшее увеличение эффективности газобаллонного оборудования путем увеличения доли замещения дизельного топлива природным газом метаном возможно путем точной настройки топливной карты и ее синхронизации с механизмом управления запальной дозой топлива.

3. Перевод дизельного двигателя на биотопливо

3.1 Анализ конструкций топливных систем на смесевом биотопливе

В настоящее время для использования растительных масел в качестве топлива для дизельной техники, рассматривают три пути: использование чистых масел, использование смесей масел с нефтяным дизтопливом, переработка масел в эфиры. Первый путь использования растительных масел в качестве топлива для ДВС предполагает изменение конструкции дизеля таким образом, чтобы в нём можно было эффективно сжигать чистое масло. Из-за того, что температура кипения у растительных масел выше, чем у традиционного дизельного топлива, для их полного испарения в процессе смесеобразования необходима более высокая температура внутри цилиндра двигателя. Более высокая вязкость растительных масел предполагает либо мероприятия по их разжижению, либо изменение топливоподающей аппаратуры таким образом, чтобы можно было использовать вязкое топливо.

Второй путь использования растительных масел в дизеле предполагает получение смесей нефтяного дизтоплива с маслом и, в зависимости от кон­центрации масла в смеси, для двигателя необходимы или регулировочные, или конструктивные изменения в двигателе.

Третий путь предполагает производство методом этерификации метилового или этилового эфира масла, также называемого биодизелем. Этот процесс можно осуществить только в специальных этерификационных установках, что усложняет процесс получения топлива и удорожает его, хотя и является более предпочтительным с той точки зрения, что не требуется существенных изменений конструкции двигателя.

Для каждого региона характерен свой вид масличных культур наиболее выгодный для выращивания. Для климатических условий Европы и России наибольшее распространение получило рапсовое масло, и, соответственно, наиболее широко применяются топлива на его основе. По проведённым исследованиям для использования этого вида топлива в дизеле требуется провести лишь регулировочные работы, направленные на оптимизацию угла опережения впрыска и цикловой подачи топлива, что дает возможность применения таких топлив для любого типа дизеля без каких-либо существен­ных конструктивных изменений последнего.

В этой связи, пр оан ализир уем н екотор ые топливн ые системы и дози­рующие устройства, позволяющие пр имен ять смесевое топливо. Классифи­цировать применение биотоплива по способу его приготовления можно непосредственно на автомобиле (тракторе) или путем приготовления смеси с фиксированном соотношении на заправочных станциях. При приготовлении смеси на заправочной станции будет использоваться емкость для хранения топлива большого объема. В этом случае смесь дизельного топлива и рапсо­вого масла будет одинакова для всех машин, режимов и условий работы двигателя. Однако, для повышения эффективности применения биотоплива при различных нагрузках и климатических условиях целесообразнее гото­вить биотопливо непосредственно на машине перед поступлением в двигатель, с возможностью изменения его качественного состава.

Стоит отметить, что приготовление смеси на тракторе или автомобиле возможно так же с постоянным и с непостоянным соотношением. Для этого необходимо наличие двух баков: для дизельного топлива и растительного масла. Преимущество такого способа заключается в том, что раздельное хранение топлива позволяет устранить недостатки смесевого топлива в баке, которое при хранении теряет свои свойства, делится на фракции и мутнеет.

Для выявления преимуществ и недостатков были рассмотрены некото­рые топливные системы последних версий. На рисунке 3.1 представлена схема топливной системы №1. Данная система работает по следующему принципу: сначала двигатель запускают на дизельном топливе, а затем переводят на рапсовое масло. Два электромагнитных клапана 1, 7 служат для переключения топливных линий. Они срабатывают одновременно, переклю­чая направления основной и обратной линий. Основная линия содержит, кроме клапана 1, следующие последовательно расположенные составля­ющие: фильтр грубой очистки 2, топливоподкачивающий насос 3, фильтр тонкой очистки 4, жидкостный теплообменник 5, электрический подогреватель 6.

Рисунок 3.1 Схема топливной системы №1: 1 – трехходовой электромаг­нитный клапан основной линии; 2 – фильтр грубой очистки; 3 – подкачива­ющий насос; 4 – фильтр тонкой очистки; 5 – жидкостный теплообменник; 6 – электрический подогреватель; 7 – 3-ходовой клапан обратной линии.

Данная последовательность является не совсем правильной, так как оба подогревателя расположены за фильтрами. Это создает большие нагрузки на подка­чивающий насос, а также способствует выходу из строя фильтрующих элементов. В теплообменнике 5 теплоносителем является охлаждаю­щая жидкость двигателя, температура которой доходит максимум до 95°С. Но как мы знаем вязкость масла при такой температуре не доходит до нормы дизельного топлива, причем часть теплоты теря­ется, пока топливо дойдет по топливопроводам через ТНВД к фор­сункам. Поэтому непосредственно перед ТНВД дополнительно установлен еще и электрический подогреватель 6.

Принцип работы системы №2 (рис.3.2) несколько отличается от предыдущей версии. В данном случае иначе работает основная линия.

Рисунок 3.2 – Схема топливной системы №2: 1 – фильтр грубой очистки РМ; 2 – подкачивающий насос РМ; 3 – фильтр тонкой очистки РМ; 4 – жидкостный теплообменник; 5 – электрический подогреватель; 6 – фильтр грубой очистки ДТ; 7 – подкачивающий насос ДТ; 8 – фильтр тонкой очистки ДТ; 9 – перекрывающие клапаны; 10 – 3-ходовой клапан обратной линии.

Можно сказать, что она состоит из двух параллельных независимых линий. В качестве механизма, переключающего дизельное топливо на рапсовое масло, служат два клапана 9 и подкачивающие насосы 2, 7. Во время пуска двигателя работает насос 7, затем, после того как масло прогрелось, включают насос 2 с одновременным отключением насоса 7. В этой системе также наблюдается не совсем корректная последовательность элементов в линии подачи рапсового масла, это касается фильтров и теплообменников.

По сравнению с предыдущей версией, здесь дизельное топливо не подвергается нагреву. Но данная система будет обходиться дороже, так как больше составляющих элементов. Причем вероятней всего, что эта система требует внесения некоторых изменений в конструкции самого двигателя для того, чтобы осуществить независимый привод двум подкачивающим насосам. Обратная линия абсолютно идентична с предыдущей версией.

Рассмотрим систему №3, которая изображена на рисунке 3.3. Работает эта система следующим образом: двигатель запускают на дизельном топливе, ждут примерно пять минут, пока он прогреется, затем переключают на рапсовое масло. Процесс переключения с одного вида топлива на другое осуществляется в кабине машины. В кабине установлена небольшая панель управления, состоящая из двух переключателей и индикаторной лампочки, которая оповещает оператора о том, что двигатель прогрелся до необходимой температуры, после чего оператор нажимает на переключатель.

Рисунок 3.3 — Схема топливной системы №3: 1 – вспомогательный подкачивающий насос РМ; 2 – жидкостный теплообменник; 3 – фильтр тонкой очистки РМ; 4 – 3-ходовой электромагнитный клапан основной линии; 5 — основной подкачивающий насос; 6 – общий фильтр тонкой очистки; 7 — электрический подогреватель; 8 – фильтр грубой очистки ДТ; 9 – 3-ходовой электромагнитный клапан обратной линии; 10 – фильтр грубой очистки РМ.

Расположение и последовательность составляющих элементов в данном случае выполнено наиболее рационально, так фильтр тонкой очистки рапсового масла расположен после жидкостного теплообменника. Но здесь есть дополни­тельная электрическая помпа, которая постоянно питается от сети машины.

На рисунке 3.4 представлена схема топливной системы дизельного двигателя, работающего на рапсовом масле (патент №58624).

Рисунок3.4 – Топливная система дизельного двигателя: 1 и 7- топливные баки дизельного топлива и биотоплива; 2 и 4 — фильтры грубой и тонкой очистки; 3 и 5 — насосы низкого и высокого давления; 6- фор­сунки; 8 и 9- краны переключения дизельного топлива и биотоплива.

Топлив­ная система дизельного двигателя работает следующим образом. Для запуска двигателя используется дизельное топливо из топливного бака 1, из него топливо поступает через открытый кран переключения дизтоплива 8, фильтр грубой очистки 2, фильтр тонкой очистки 4, насосы низкого 3 и высокого 5 давлений на форсунки 6.

При работе двигателя выхлопные газы, проходя через соединенный с системой выпуска выхлопных газов теплообменник 10, нагревают рапсовое масло в дополнительном топливном баке для биотоплива 7. После прогрева рапсового масла до температуры не ниже 70°С производится отключение подачи дизельного топлива посредством крана переключения дизтоплива 8 и включение подачи в двигатель подогретого рапсового масла посредством крана переключения биотоплива 9. При завершении работы машины, для последующего запуска двигателя, необходимо выполнить в обратной последовательности переключение с одного вида топлива на другой до заполнения топливной системы дизельным топливом.

Предлагаемая топливная система дизельного двигателя позволяет использовать рапсовое масло в качестве биотоплива при работе дизельного двигателя без конструктивных изменений топливной аппа­ратуры, применяя предварительный нагрев. Предлагаемая топливная система позволяет снизить энергозатраты при запуске дизельного двигателя, работающего на рапсовом масле, и расширить технологи­ческие возможности за счет осуществления запуска двигателя на дизельном топливе для предварительного прогрева рапсового масло, находящегося в дополнительном топливном баке с целью дальнейшего использования его в качестве топлива.

На рисунке 3.5 представлена конструктивная схема системы питания многотопливного двигателя внутреннего сгорания (патент №2035612). Двигатель 1 содержит систему питания, включающую расходный бак 2 основного топлива с трубопроводом основного топлива, расходный бак 3 дополнитель­ного топлива с трубопроводом дополнительного топлива, топливные фильтры 4 и 5 соответственно основного и дополнитель­ного топлива, управляющий клапан 6 с двумя входами, первый из которых сообщен с трубопроводом основного топлива, а второй с трубопроводом дополнительного топлива, и одним выходом, ТНВД 7.

Рисунок 3.5 Система питания многотоп­ливного двигателя: 1- двигатель; 2 и 3- расходные баки основного и дополни­тель­ного топлив; 4 и 5- топливные фильтра основного и дополнительного топлив; 6- управляющий клапан; 7- ТНВД; 8- топ­ливные форсунки; 9- топливоподкачи­вающий насос; 10- нейтрализатор; 11- датчик температуры; 12- блок контроля температуры.

Топливные форсунки 8, сообщенные с ТНВД 7, подкачивающий насос 9, установленный между ТНВД и выходом управляющего клапана 6, снабженного электромагнитным приводом, каталитический нейтрализатор 10, установленный в газовыпускном тракте двигателя и снабженный датчиком темпера¬туры 11 на входе в нейтрализатор, блок 12 контроля температуры отработавших газов, соединенный с датчиком 11 и приводом управляющего клапана 6.Для двигателей автомобилей электромагнитный блок 12 дополнительно имеет реле задержки времени формирования сигнала переключения управляющего клапана 6, что позволяет учитывать тепловую инерционность каталитического нейт­рализатора и высокую частоту изменений эксплуатационных режимов работы.

Работа двигателя осуществляется следующим образом: пуск дизеля, работа его на холостом ходу и малых нагрузках осуществляются на основном топливе. При этом управляющий клапан 6 находится в крайнем нижнем положении и подкачивающий насос 9 из бака 2, через фильтр 4 и соответствующую полость клапана 6 подает основное топливо к ТНВД 7, а далее через форсунки 8 в цилиндры двигателя 1.

При увеличении нагрузки на двигатель и соответствующем повышении температуры отработавших газов на входе в каталитический нейтрализатор 10 до температуры начала активной работы нейтрализатора датчик 11 подает сигнал на электромагнитный блок 12, который с заданной задержкой воздействует на клапан 6, обеспечивая подъем штока золотника вверх, перекрывая доступ основного топлива и открывая доступ дополнительного топлива из бака 3 через фильтр 5 к насосу 9, а затем к насосу 7 и через форсунки 8 в цилиндры двигателя.

При дальнейшем изменении режима работы двигателя, например при снижении нагрузки и соответствующем понижении температурыотработав­ших газов до температуры, при которой каталитический нейтрализатор прекращает свою активную работу, датчик 11 подает сигнал на электромагнитный блок 12, который с определенной временной задержкой воздействует на шток золот­ника клапана 6, перекрывая доступ дополнительного топлива и открывая доступ­основного топлива из бака 2 к двигателю. Двигатель продолжает работу на основном топливе.

Таким образом, описанная многотопливная система питания дви­гателя за счет рационального использования основного и дополни­тельного топлив в зависимости от температурного режима работы, а также использования ката­литического нейтрализатора позволяет снизить токсичность отработавших газов дизелей, в частности, транспортного назначения.

На рисунке 3.6 показана функциональная схема системы питания дизеля для работы на смесевом биоминеральном топливе (патент №2452864).

Рисунок 3.6 – Система питания дизеля для работы на смесевом биомине­ральном топливе: 1 и 2- баки с биологическим и минеральным топливами; 3 и 7- линии забора биологического и минерального топлив; 4- фильтр-отстойник; 5- электрический насос; 6- обратный клапан; 8 и 9- фильтра грубой и тонкойочистки; 10- подкачивающий насос; 11- смеситель; 12 и 13- дроссельные заслонки; 14- ТНВД; 15- форсунки; 16- орган управления; 17- рычаг; 18- центробежный регулятор; 19- регулировочная тяга.

Система питания дизеля для работы на смесевом биоминеральном топливе, содержащая бак 1 биологического топлива, бак 2 минерального топлива, линию 3 забора биологического топлива, состоящую из фильтра-отстойника 4 и электронасоса 5 с обратным клапаном 6, линию 7 забора минерального топлива, состоящую из фильтров 8 и 9 грубой и тонкой очистки, топливоподкачивающего насоса 10, смеситель 11биологического и минераль­ного топлива, ТНВД 14, форсунки 15 и орган управлениятопливоподачей дизеля 16, выполненного, например, в виде наружного рычага 17 центробеж­ного регулятора частоты вращения 18 коленча­того вала дизеля, при этом во входных каналах смесителя 11 размещены дроссельные заслонки 12 и 13, оси которых кинематически соединены регулировочной тягой 19 с рычагом 17 регулятора 18, причем таким образом, что при открытии на определенный угол дроссельной заслонки 12,регулиру­ющей подачу биологического топлива, дроссельная заслонка 13, регулирующая подачу минерального топлива, закрывается соответственно на такой же угол.

Работает система питания дизеля следующим образом. Пуск дизеля и его прогрев осуществляется на минеральном топливе. При этом электрический насос 5 отключен и биотопливо не подается, а минеральное топливо из бака 2, пройдя через фильтры 8 и 9, подается топливоподкачивающим насосом 10 в смеситель 11, установленный для перемешивания и соблюдения за данных процентных соотношений биологического и минерального топлив с помощью размещенных в нем дроссельных заслонок 12 и 13, и далее минеральное топ­ливо посредством ТНВД 14 и форсунок 15 впрыскивается в цилиндры дизеля.

После прогрева дизеля на минеральном топливе включают элект­рический насос 5, обеспечивающий подачу биологического топлива из бака 1 через фильтр-отстойник 4 в смеситель 11, где биологическое и минеральное топлива перемешиваются. Требуемое соотношение обоих видов топлива в зависимости от нагрузочно-скоростных режимов дизеля обеспечивается авто­матически за счет поворота дроссельных заслонок 12 и 13, кинематическисоединенных регулировочной тягой 19 с наружным рычагом 17 регулятора ТНВД 18. Полученное смесевое биотопливо подается в ТНВД и форсунками 15 впрыскивается в цилиндры дизеля. Изменение соотношения в смесевом топливе биологического и минерального компонентов осуществляется путем изменения длины регулировочной тяги 19.

Система питания дизеля на смесевом биоминеральном топливе (патент № 2580965) обеспечивающая работу дизеля на смесевом биоминеральном топливе, содержащая бак рапсового масла, бак минерального топлива, линию забора биологического топлива, линию забора минерального топлива, смеситель рапсового масла и минерального топлива, имеющий два входных и один выходной каналы, линию слива смесевого биотоплива, ТНВД, форсунки и орган управления топливоподачей (рис.3.7).

Рисунок 3.7Системапитания дизеля на сме­севом биотопливе.1 — бак дизтоплива, 2 — бак рапсового масла, 3 — линия подачи дизтоп­лива, 4 — фильтр грубой очистки дизтоплива, 5 — линия подачи рапсового масла, 6 – фильтр грубой очистки рапсового масла, 7 — подогре­ватель рапсового масла, 8 – вход дизтоплива, 9 – вход рапсового масла, 10 — двухсекционная подкачивающая помпа, 11 — смеситель с дози­рующим устройством, 12 — выход смесевого топлива, 13 — фильтр тонкой очистки, 14- ТНВД, 15 — форсунки, 16 — линии слива топлива из ТНВД, 17 — линия слива топлива из форсунок.

Новым предлагаемым решением является подача рапсового масла и минерального топлива двухсекционной подкачивающей помпой, с установлен­ным на входном патрубке секции рапсового масла подогревательным устройством и смесителем, установленным на выходных патрубках секций двухсек­ционной подкачивающей помпы, с подачей смесевого топлива через фильтр тонкой очистки к ТНВД, причем дозирование осуществляется в смесителе вручную или автоматически, в зависимости от нагрузки.

Устройство работает следующим образом. Дизтопливо из бака по топливо­проводу 3 поступает в фильтр грубой очистки 4, где отстаивается и поступает через входной патрубок 8 к первой секции подкачивающей помпы 10. Рапсовое масло из бака 2 по топливопроводу 5 поступает в фильтр грубой очистки 6, где отстаивается, затем проходит через подогреватель 7 и поступает через входной патрубок 9 к второй секции подкачивающей помпы 10. Проходя через смеситель с дозирующим устройством 11, дизтопливо и рапсовое масло смешиваются в требуемой пропорции, через выходной патрубок подаются в фильтр тонкой очистки 13, поступают к ТНВД 14 и далее к форсункам 15. Слив топлива из ТНВД и форсунок осуществляется через линии слива 16 и 17 на линии подачи дизтоплива и рапсового масла или в бак с биотопливом.

Использование предлагаемого устройства позволяет применять биологическое топливо для работы дизеля. При этом запуск дизеля может производится на минеральном топливе, а рабочий процесс производиться либо на смеси, либо на чистом рапсовом масле, в зависимости от загрузки двигателя, причем управление дозированием топлива может производиться из кабины водителя вручную или автоматически, в зависимости от нагрузки.

Недостатками данной системы является подача биологического топлива подкачивающим насосом без использования подогревателя растительного топлива и установкой дроссельных заслонок, регулирующих подачу минераль­ного и биологического топлива по углу поворота дроссельных заслонок, что не обеспечивает требуемое процентное соотношение топлив в смеси в зависи­мости от нагрузочного и скоростного режимов дизеля.

Смеситель-дозатор (патент №2486000), содержащий трубопровод 1, выход­ной патрубок 14, патрубок 6 для подвода основной жидкости и патрубок 3 для подвода жидкости с меньшим расходом с перфора­ционными отверстиями 5 по винтовой линии по всей его длине, с суммарной площадью отверстий, равной или большей площади сечения патрубка 3 для подвода жидкости с меньшим расходом, и размещенным соосно в трубопроводе 1, включающим перегородку 4 в виде ленты, навитой на патрубок 3 для подвода жидкости с меньшим расходом, при этом трубопровод 1 снабжен съемной крышкой 2, патрубок 6 для подвода основной жидкости установлен в трубопроводе 1 тангенциально, перегородка 4 жестко закреплена на патрубке 3 для подвода подмешиваемой жидкости с меньшим расходом, в нижней части трубопровода 1 расположены камеры смешивания 13, образо­ванные втулками 10,11, 2 и перегородками 7,8,9 со спиральными отвер­стиями, направления закрутки которых в двух соседних перегородках противоположны, причем последующие по ходу движения потока перего­ородки имеют отверстия меньшего диаметра, а эффективные суммар­ные сечения отверстий в перегородках равны, а на патрубках 6, 3 для подвода основной жидкости и жидкости с меньшим расходом установ­лены устройства 15, 16 для регулирования потока жидкости (рис.3.8).

Рисунок 3.8 – Смеситель-дозатор

Работает смеситель-дозатор следующим образом: подмешиваемая жидкость с меньшим расходом, количество которой задается устройством 16 для регули­рования потока жидкости, подают во внутреннюю полость патрубка 3 для подвода подмешиваемой жидкости с меньшим расходом. Основной поток жидкости, количество которой задается устройством 15 для регулирования потока жидкости, подают через патрубок 6 в трубопровод 1, в котором основной поток жидкости проходит по спиральному каналу, образованному перегород­кой 4, навитой на перфорированный патрубок 3 для подвода подмешиваемой жидкости с меньшим расходом, и внутренней стенкой трубопровода 1. Прямолинейное движение основной жидкости преобразуется в трубопроводе 1 во вращательное движение по спирали с угловым ускорением. При этом через отверстия 5 патрубка 3 для подмешиваемой жидкости с меньшим расходом жидкость с меньшим расходом тонкими струйками поступает перпендикулярно потоку основной жидкости. При этом основной поток жидкости увлекает тонкие струйки подмешиваемой жидкости и интенсивно перемешивается с ней. Затем получившаяся смесь поступает в камеры смешивания 13, образованные втулками10, 11, 12 и перегородками 7, 8, 9 со спиральными отверстиями, направления закрутки которых в двух соседних пере­городках противоположны, причем последующие по ходу движения потока перегородки имеют отверстия мень­шего диаметра, а эффективные суммарные сечения отверстий в перегород­ках равны, где смесь рассекается, турбулизируется, более качественно перемеши­вается и отводится через выходной патрубок 14.

Повышение интенсивности перемешивания жидких фаз и обеспечение требуемого процентного соотношения основного потока жидкости и подмеши­ваемой жидкости с меньшим расходом в готовой смеси достигается тем, что смеситель-дозатор, содержащий трубопровод, выходной патрубок, патрубок для подвода основной жидкости и патрубок для подвода жидкости с меньшим расходом с перфорационными отверстиями по винтовой линии по всей его длине, с суммарной площадью отверстий, равной или большей площади сечения патрубка для подвода жидкости с меньшим расходом, и размещенным соосно в трубопроводе, включающим перегородку в виде ленты, навитой на патрубок для подвода жидкости с меньшим расходом, при этом трубопровод снабжен съемной крышкой, патрубок для подвода основной жидкости установлен в трубопроводе тангенциально, перегородка жестко закреплена на патрубке для подвода подмешиваемой жидкости с меньшим расходом, в нижней части трубопровода расположены камеры смешивания, образованные втулками и перегородками со спиральными отверстиями, направления закрутки которых в двух соседних перегородках противоположны, причем последующие по ходу движения потока перегородки имеют отверстия меньшего диаметра, а эффективные суммарные сечения отверстий в перегородках равны, а на патрубках для подвода основной жидкости и жидкости с меньшим расходом установлены устройства для регулирования потока жидкости.

Смеситель минерального топлива и растительного масла с активным приводом (патент №2503491), содержащий корпус 1 (рис.3.9) с патрубками ввода компонентов 2, 3 и вывода смеси 4, основную крыльчатку 5 и дополнительную крыльчатку 6, соединенную посредством вала 7 с приводом 8, при этом патрубки ввода компонентов 2 и 3 размещены в передней крышке 9 корпуса 1, а патрубок вывода смеси 4 размещен в задней крышке 10 корпуса 1, в полости 11 которой установлена сетка-успокоитель 12, в корпусе 1 имеются четыре отверстия 13, соединяющие рабочую полость 14 со смесевой полостью 15, при этом основная крыльчатка 5, выполненная в виде«беличьего колеса» с лопатками 16, жестко закреплена на валу 7 привода 8, а дополнительная крыльчатка 6 кинематически соединена с валом 7 привода 8 через планетарную передачу, содержащую корон­ную шестерню 17, запрессо­ванную внутри корпуса 1, три сателлита 18, водило 19, жестко соединенного с дополнительной крыльчаткой 6, и солнечную шестерню 20, установленную на шлицах заднего конца вала 7 привода 8.

Рисунок 3.9 Смеситель минераль­ного топлива и растительного масла с активным приводом

Работает смеситель минерального топлива и растительного масла с ак­тивнымприводом следующим образом. Смешиваемые компоненты (минеральное топливо и растительное масло) через патрубки ввода компонентов 2 и 3, раз­мещенные на передней крышке 9 корпуса 1, поступают в рабочую полость 14 смесителя. В рабочей полости смесителя происходит интенсивное перемеши­вание компонентов основной 5 и дополнительной 6 крыльчатками. Повышение качества перемешивания минерального топлива и растительного масла достигается за счет разной частоты вращения основной 5 и дополнительной 6 крыльчаток. Разная частота вращения основной 5 и дополнительной 6 крыльчаток достигается тем, что основная крыльчатка 5, выполненная в виде «беличьего колеса» с лопатками 16, жестко закреплена на валу 7 привода 8, а дополнительная крыль­чатка 6 кинематически соединена с валом 7 привода 8 через планетарную передачу, содержащую коронную шестерню 17, запрес­сованную внутри корпуса 1, три сателлита 18, водило 19, жестко соединен­ного с дополнительной крыльчаткой 6, и солнечную шестерню 20, установленную на шлицах заднего конца вала 7 привода 8.Готовая смесь (смесевое топливо) из рабочей полости 14 смесителя через отверстия 13 в корпусе 1 попадает в смесевую полость 15 и, пройдя через сетку-успокоитель 12 и полость 11, выходит из смесителя через патрубок вывода смеси 4.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение качества переме­шивания минерального топлива и растительного масла. Указанный техничес­кий результат достигается за счет разной частоты вращения основной и дополнительной крыльчаток, при этом основная крыльчатка жестко закреплена на валу привода, а дополнительная соединена с валом привода через планетарную передачу.

Смеситель-фильтр-дозатор (патент №2500463) минерального топлива и растительного масла, содержащий корпус 1 (рис.3.10) с входными каналами 12,

Рисунок 3.10 Смеситель-дозатор топлива и растительного масла.

13, запорные краны 15, 16, установленные на входе в ка­налы 12, 13, при этом входные каналы 12, 13 расположены тангенциально, в нижней части корпуса 1 закреплен стакан 2, имеющий сливную пробку 6, внутри стаканарасположена пустотелая ось 3 с двумя радиальными отверстиями 4, 5и выход­ным каналом 14, размещенная соосно стакану 2 и корпусу 1, на оси 3 закреплен фильтр 8, представляющий собой втулку 9 с сетчатой набивкой 10 и перфо­рированную шайбу 11, а в нижней части оси 3 установлен успокоитель 7.

Работает смеситель-дозатор топлива и растительного масла следующим образом. Смешиваемые компоненты, процентное соотношение которых зада­ется запорными кранами 15, 16, через входные каналы 12, 13 поступают во внутреннюю полость стакана 2, в которой происходит предварительное их перемешивание. При этом прямолинейное движение смешиваемых компо­нентов, из-за тангенциального расположения входных каналов 12, 13, преоб­разуется в поступательно-вращательное движение. Под действием разряжения, создаваемого топливоподкачивающим насосом системы питания, часть полу­ченной смеси, резко изменяя направле­ние движения, проходит через перфори­рованную шайбу 11 и сетчатую набивку 10 фильтра 8. Проходя через сетчатую набивку 10, вектор скорости компонентов смеси многократно изменяется. Благодаря этому минеральное топливо и растительное масло не только очища­ются, но и интенсивно перемешиваются, после чего полученное очищенное смесевое топливо проходит через два радиальных отверстия оси 4, 5 и посту­пает к выходному каналу 14. Другая часть смеси продолжает по инерции двигаться вдоль стенок стакана 2 вниз. Конусный успокоитель 7, обращенный меньшим основанием в сторону фильтрующего элемента 8, отделяет зону отстоя от зоны циркуляции смеси. Отстой сливают через закрываемое пробкой 6 отверстие в нижней части стакана 2.

Данная конструкция позволяет повысить интенсивность перемешивания и очистку дизельного топлива и растительного масла.

3.2 Разработка системы питания на основе смесевого биотоплива.

Выполненный анализ вариантов перевода дизельного двигателя на смесевое биотопливо показал, что основной проблемой модернизации является крутая температурно-вязкостная характеристика биотоплива и необходимость изменения смесевого состава топлива в зависимости от режима работы ДВС. Предлагаемый нами способ решения данной проблемы обеспечивает смеши­вание рапсового масла и дизельного топлива непосредственно на тракторе в зависимости от изменения условий эксплуатации, с учетом высокого перепада температуры двигателя, не внося при этом изменения в его конструкцию.

На рисунке 3.11 пр едставлен а схема предлагаемой топливной системы.

Рисунок 3.11.Схема системы питан ия для р аботы н а биотопливес дозир ован ием и подогр евом.

Для модернизации штатной системы питания трактора МТЗ-82, необходимо установить дополнительный бак с системой подогрева и подкачки топлива, смеситель с электроуправляемыми клапанами, блок управления и контроля. Для контроля температурного состояния топливной системы установлены несколько датчиков температуры, позволяющих контролировать температуру рапсового масле в баке, в топливопроводе и фильтре грубой очистки рапсового масла. Для устранения негативных влияний низких температур имеются подогреватели электрического насоса, фильтра грубой очистки топлива, топливопровода. Управление электромагнит­ными клапанами смесителя осуществляется электронным блоком управления, информация к которому подается от датчиков температуры. Все части системы соединены маслостойкими патрубками.

Основным конструктивным отличием предлаемой топливной системы является возможность раздельного или совместного использования двух видов топлива с разных баков. Например, чистое дизельное или чистое рапсовое масло, или их смесь в любом соотношении.

Представленная схема работает в соответствии с заданным алгоритмом работы (рис.3.12). В момент запуска двигателя, линия подачи рапсового масла перекрыт электроуправляемым клапаном, а электрический насос находится в выключенном состоянии.Электроуправляемый клапан дизтоплива полностью открыт и в ТНВД поступает чистое дизельное топливо.

Рисунок 3.12 Алгоритм работы топливной системы.

После запуска двигателя, при нормальной температуре рапсового масла, включается электрический топливный насос, а электроуправляемый клапан открывает линию и в смеситель попадает дизельное топливо и рапсовое масло, где происходит смешивание и проходя через фильтр тонкой очистки 8 попадает в топливный насос высокого давления.

В зависимости от нагрузки на двигатель или изменения температуры окружающей среды электронным блоком управления меняется соотношение дизельное топливо — рапсовое масло. В случае необходимости, при снижении температуры топлива ниже 5°С включается система подогрева, которая греет масло в зоне маслоприемника, топливопровода, фильтров.

Основным рабочим элементом модернизированной топливной системы является смеситель, к которому в зависимости от режимов работы двигателя подается дизтопливо и рапсовое масло в разном долевом соотношении (рис.3.13).

Рисунок 3.13. 3D-модель смесителя дизельного топлива и рапсового масла.

1 – отверстие для входа дизельного топилва, 2 – полость предварительного смешивания дизельного топива и рапсового масла, 3,4 – диски для создания кавитации для смешивания жидкостей.

Принцип работы данного устройства основан на кавитационном смешивании различных жидкостей. Критическое давление, при котором происходит разрыв жидкости, зависит от многих факторов: от чистоты жидкости, содержания воздуха, состояния поверхности, на которой возникает кавитация. Кавитация возникает в потоке смесевого топлива, имеющего переменное поле давления, а также вблизи и на поверхности тел различной формы – в местах наибольшего разрежения. В потоке топлива, как правило, содержится некоторое количество газа, которые переносятся потоком и, попадая в область более низкого давления, начинают расти. Через поверхность пузырька происходит диффузия газа: внутрь пузырька или из него в зависимости от концентрации газа в пузырьке и окружающего его топлива.

Дальнейшие программные исследования проходили в оптимизации режимных параметров смесителя для осуществления более качественного смешивания компонентов биотоплива. На рисунке 3.14 видно, что в предва­рительной полости происходит эффективное смешивание дизельного топлива и рапсового масла. Но в камере квитанционного смешивания происходит снижение скорости потоков и соответственно вероятность образования квитанционных пузырьков очень маленькая и этого недостаточно для достижения максимальной обработки во всем объеме жидкости.

а) б)

Рисунок 3.14 Напавленность движения жидкостей (а) и векторы скорости расчетных точек (б).

Более явно такая же проблема прослеживается на следующем рисунке 3.15, где за основу взяты расчетные точки потока жидкости. Как видно на визуализации процесса скорость движения расчетных точек недостаточна для эффективного смешивания рапсового масла с дизельным топливом. Выпол­ненное гидродинамическое моделирование позволяет сделать вывод о том, что в такой интерпретации выбранная конструкция смесителя не обеспечивает необходимое смешивание.

а) б)

Рисунок 3.15 Расположение расчетных точек (а) и их векторы скорости (б).

Следующим этапом было уточнение размеров дисков для создания эффекта кавитации, т.к. проработка процесса смешивания в предварительной полости показала оптимальный результат. Для проверки необходимости внесения изменений в конструкцию снова рассчитаем смеситель в уже имеющемся программным продукте FiowVision (рис.3.16).

а)

б)

Рисунок 3.16 Напавленность движения компонентов смесевого топлива (а) и векторы скорости расчетных точек (б).

На рисунке 3.16 видно, что направленность и скорость движения дизельного топлива и рапсового масла сохраняется при прохождении через диски, что эффективно сказывается на кавитационном смешивани дизельного топлива и рапсового масла.

Также, по расположению расчетных точек и плотности потока (рис.3.17) видно, что при прохождении через диски распределение компонентов и их плотность равномерно выравнимается, что доказывает качественное кавитаци­онное смешивание дизельного топлива и распсового масла.

а) б)

Рисунок 3.17 Расположение расчетных точек (а) и плотность потока (б) в смесителе после оптимизации.

Используя данный программный продукт, была определена и проверена оптимальная конструкция смесителя с использованием 4-х перфорированных дисков, соединенных попарно и подобрано оптимальное расстояние между ними, которое составляет 4 мм. Применение смесителя именно в данной компоновке позволяет действительно обеспечить процесс смешивания рапсового масла с дизельным топливом. Гидродинамическое моделирование позволило уточнить конструктивные параметры кавитационного смесителя, что позволило разработать констук­торскую документацию для его изготовления.

3.3 Технология перевода дизельного двигателя на смесевое биотопливо.

Разработана методика, определяющая перечень, последовательность и содержание технологических операций, связанных с монтажом и пуско-наладкой оборудования для использования альтернативного топлива на тракторах МТЗ-82 и их модификаций.Перед модернизацией необходимо проверить техническое состояние всех систем трактора и пройти очередное техническое обслуживание системы охлаждения, питания и смазки в объеме ТО-2 согласно Руководства по обслуживанию.

Монтаж оборудования должен производиться в соответствии с техническим регламентом Таможенного Союза, ТР ТС 018/2011 «О безопасности колесных транспортных средств», Правил ЕЭК ООН №115 и Правил ЕЭК ООН №67. Производственный персонал, связанный с монтажом на трактор элементов топливной аппаратуры, должен знать правила техники безопасности при эксплуатации тракторов, их ремонте и обслуживании.

Устанавливаемое оборудование является дополнительным элементом системы питания двигателя тракторов МТЗ-82 и их модификаций и предназна­чено для обеспечения работы двигателя на смесевом биотопливе на основе рапсового масла и дизельного топлива. Метод перевода двигателя универсального трактора МТЗ-82 на смесевое биотопливо заключается в следующем. В зависимости от конструкции бака необходимо выбрать способ модернизации — установка дополнительного бака, или использование второго бака для рапсового масла. При установке дополнительного бака выбрать место для его монтажа сбоку от двигателя вне моторного отсека, в передней части кабины трактора. При этом он не должен находиться в зоне действия рабочего оборудования и не должен уменьшать клиренс машины. При использовании трактора в варианте фронтального погрузчика дополнительный бак необходимо установить в задней части трактора. Установить бак и надежно закрепить его.

В топливный бак установить электрический топливный насос с подогревомтопливозаборника. Так же, установить дополнительный топливный фильтр грубой очистки с подогревом или на обычный топливный фильтр установить бандажный подогреватель. Выбрать место и установить смеситель. Место для смесителя на АТТ необходимо выбрать таким образом чтобы он не находился в зоне работы подвижных механизмов и системы выпуска. Соединить топливопроводами топливный бак с фильтром грубой очистки и фильтр грубой очистки со смесителем.

В кабине необходимо выбрать место для установки блока управления смесителем и системой подогрева. Место необходимо выбрать с учетом удобства управления и защищенности от попадания влаги. В завершении необходимо проложить кабель для питания подкачивающего насоса, подогревателейтопливозаборника, фильтра и управления смесителем.

Разработанная технологическая карта по модернизации двигателя для работы на смесевом биотопливе представлена на рисунке 3.18.

Рисунок 3.18 Технологическая карта модернизации двигателя для работы на смесевом биотопливе.

В соответствии с проведенными исследованиями и руководствуясь фактическим расположением штатных узлов и агрегатов на тракторе для перевода двигателя на смесевое биотопливо рекомендован следующий порядок монтажа элементов разработанной системы питания.

1 Установка дополнительного бака. Топливный бак должен крепиться на раму трактора стационарно, удаленно от моторного отсека и выхлопной системы (рис.3.19). Необходимо обеспечить отсутствие контакта топливного бака с любыми металлическими поверхностями, за исключением стационарных узлов крепления бака (ленточных хомутов). Расстояние от нижней части топливного бака до поверхности дороги должно составлять не менее 500 мм, если не предусмотрена дополнительная защита. Бак должен быть закреплен по крайней мере двумя или четырьмя скобами, соответствующим количеством кольцевых прокладок или пластин, если стенки бака и рама в данном месте имеют единую толщину. Скобы для бака должны предотвращать выскальзывание, вращение или смещение топливного бака. Между топливным баком и скобами для бака должен быть вставлен защитный материал, например, войлок, кожа или пластмасса. Однако в месте крепления кольцевых прокладок или пластин к раме транспортного средства не должно находиться никакого сжимаемого материала.

Рисунок 3.19 Пример установки дополнительного топливного бака.

2 Установка дополнительного топливного насоса. Топливный насос должен быть жестко прикреплен к корпусу бака в вертикальном положении. Топливозаборник или его подогреватель не должны касаться днища топливного бака. Должен обеспечиваться свободный доступ к входным и выходным штуцерам.

3 Установка топливного фильтра рапсового масла. Фильтр должен быть жестко прикреплен к раме в вертикальном положении при этом должен обеспечиваться свободный доступ к входным и выходным штуцерам фильтра и сливной пробке фильтра. Входной штуцер фильтра должен быть сориентирован в направлении от бака (рис.3.20).

Рисунок 3.20 Установка фильтра рапсового масла.

4. Установка смесителя. Смеситель желательно устанавливать как можно ближе к дополнительному топливному насосу низкого давления. Смеситель должен быть жестко прикреплен к раме в горизонтальном положении и сориентирован параллельно движению автомобиля. Необходимо обеспечить свободный доступ к входным и выходным штуцерам. Особое внимание при сборке необходимо уделять сборке смесителя, т.к. от надежности данного узла зависит работоспособность разработанной топливной системы. Данное устройство следует собирать в помещениях, где отсутствует запыленность, инструменты, а так же руки слесаря должны быть чистыми, не допускается в процессе сборки попадания в смеситель грязи.

5 Установка дозатора дизельного топлива. Установите дозатор топлива на топливной магистрали между топливным фильтром грубой очистки и смесителем максимально близко к смесителю. Крепление дозатора должно обеспечить надежную его фиксацию на раме. Обратите внимание на направление потока топлива через дозатор (вход – выход топлива).

6 Установка дозатора рапсового масла. Установите дозатор рапсового масла на дополнительной магистрали между топливным фильтром грубой очистки и смесителем максимально близко к смесителю. Крепление дозатора должно обеспечить надежную его фиксацию на раме. Обратите внимание на направление потока масла через дозатор (вход – выход масла).

7 Установка блока управления. Установите блок управления в салоне автомобиля на консоли панели приборов. Возможна установка справа или слева от рулевой колонки. Проводку питания подогревателя, электромоторов доза­торов топлива и топливного насоса необходимо провести до соответствующих узлов в подкапотном пространстве и подключить согласно схемы кнопочного переключателя. Провода прокладывать по штатным пучкам проводов, обмотав их изоляционной лентой в местах крепления скобами. При необходимости применить пластмассовые хомуты. Не допускается прокладка электропроводов в зоне теплового воздействия выпускного коллектора и подвижных деталей и узлов.

8 Монтаж топливопроводов и соединений между элементами оборудования топливной системы. Смонтируйте топливопроводы на раме трактора учитывая, что резиновые рукава и патрубки топливопроводов при креплении не должны подвергаться вибрации или внешним нагрузкам. В точках крепления патрубки или резиновые рукава топливопровода должны иметь защитную прокладку.Патрубки топливопровода должны подсоединяться при помощи соответствующих соединений. Ни в коем случае не должны использоваться соединительные муфты, способные повредить патрубок. Количество соединений должно быть минимальным. Все соединения должны находиться в доступных местах, где их можно осмотреть.

9 Установка нагревательных элементов. Гибкие нагревательные кабели рекомендуется наматывать на трубопровод под углом 30-45° согласно схеме на рис.3.21. Гибкие нагревательные кабели не должны касаться подвижных и вращающихся деталей и узлов трактора.

Рисунок 3.21 Гибкий нагревательный элемент и схема его намотки.

На рисунке 3.22 представлен монтаж подогревателей топливозаборника и топливного фильтра.

Рисунок 3.22 Подогреватели топливной системы.

3.4 Определение рационального смесевого состава биотоплива.

Следующим этапом исследований являлось определение наиболее рацио­нального смесевого состава биотоплива при смешивании рапсового масла и дизельного топлива. Результаты сравнительных испытаний (регуляторные характе­ристики) топливного насоса 4УТНМ дизеля Д-245 на дизельном топливе и топливе с добавкой рапсового масла приведены на рисунке 3.23.

100 400 700 1000 1300 n, мин^-1

Рисунок 3.23 Регуляторные характеристики топливного насоса 4УТНИ

Как видно из графика, цикловая подача смесевого топлива, содержащего 20% и 50% РМ увеличивается на всех скоростных режимах работы в сравнении с работой на чистом ДТ. Определение влияния указанного обстоятельства на изменение параметров топливоподачи явилось целью проведённых исследо­ваний. Важным условием при этом было сохранение фиксированного положения рейки топливного насоса.

Рост содержания рапсового масла в биотопливе до 60% и 80% вызывает, напротив, снижение цикловой подачи смесевого топлива на всех скоростных режимах работы насоса. Это обстоятельство можно объяснить совместным воздействием двух явлений. При малых концентрациях преобладающее действие оказывает снижение утечек через неплотности плунжерных пар, а прибольших концентрациях — снижение заполнения надплунжерного пространства. И, наконец, работа ТНВД на топливе, содержащем 100% РМ, сопровождается снижением цикловой подачи даже ниже его значения для чистого ДТ.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что приме­нение смесей ДТ с РМ не вызывает отказов в работе топливной аппаратуры дизеля. При этом с учетом достаточно жестких требований стандарта к вязкости моторного топлива, было решено в дальнейших испытаниях ограничить содержание рапсового масла в смесевом топливе на уровне 50%.

Одним из этапов исследований было определение влияния смеси рапсового масла с дизельным топливом на рабочий процесс и регу­лировки тракторного дизеля Д-245. Оценка влияния состава смесевого топлива (по количеству введенного РМ) на значения оптимального установочного угла опережения впрыскивания топлива производилась на основе анализа регули­ровочных характеристик. Дизель Д–245.12 загружался электротормозным стендом КИ-4893 с балансирной маят­никовой машиной. Значение установоч­ного угла опережения впрыскивания топлива определялось по мениску, т.е. с момента начала подачи цикловой дозы топлива секцией топливного насоса.

На рисунке 3.24 показаны графики изменения эффективных показателей дизеля Д-245 при различных значениях установочного угла опережения впрыс­кивания топлива и различном содержании в смесевом топливе при 2400 мин^-1.

а) б)

в) 14 18 22 26 30 34 Ɵ_впр,град.

Рисунок 3.24 Регулировочная характеристика дизеля Д-245 по установочному углу опережения впрыскивания топлива при n=2400 мин^-1 показатели:

а) эффективные, б) токсичности, в) дымности.

Из данных, видно, что при работе на чистом ДТ оптимальным установоч­ным углом является Θ_впр=26°, что соответствует руководству по эксплуатации дизеля. При этом эффективная мощность дизеля составляет N_e=70,1кВт, а значение удельного эффективного расхода топлива g_е=228г/кВт×ч. Значение эффективного КПД, учитывающеготеплотворную способность топлива, также максимально и составляет η_е= 36%.

При переходе дизеля для работы топливах с добавками РМ 20% и 50% характер кривых несколько изменяется. Так, значения часового расхода топлива увеличиваются от G_е=16,1 кг/ч при работе дизеля на чистом ДТ, до G_еРМ20=16,5 кг/ч и G_еРМ45=17,2 кг/ч при работе дизеля с содержанием РМ в смеси 20% и 50%, соответственно. Увеличение вызывается снижением низшей расчетной теплоты сгорания смесевого топлива.

Значения удельного эффективного расхода топлива также возрастают и составляют g_е=235,7 г/кВт×ч и g_е=245,6 г/кВт×ч, соответственно, для случаев содержания 20% и 50% РМ в суммарном топливе. При этом минимум g_е сдвигается в сторону более ранних углов опережения впрыскивания топлива и составляет Θ_впр=27° для топлив с добавками РМ. Максимальные значения эффективной мощности и эффективного КПД изменяются незначительно в сравнении с работой дизеля на чистом ДТ, и также сдвигаются в сторону ранних углов опережения впрыскивания. Учитывая отсутствие возможности установки такого установочного угла для насоса 4УТНИ, в дальнейших испытанияхбыло принято значение Θ_впр=26° для всех видов исследуемых смесевых топлив.

Из графиков показателей токсичности (рис.3.19,б) и дымности (рис.3.19,в) видно, что при увеличении Θ_впр содержание сажи в отработавших газах при работе на ДТ и топливе с добавлением РМ снижается для всех значений углов Θ_впр. При угле 26º концентрация сажи составляет 32% для ДТ и 28% и 22% для топлива с добавлением РМ 20% и 50%, соответственно. Содержание оксидов азота при работе, как на ДТ, так и на топливах с добавлением РМ повышается при увеличении угла. При угле 26º концентрация оксидов азота составляет 1890 ppm для ДТ и 2290 ppm и 2860 ppm для топлива с добавлением РМ 20% и 50%.

Работа силовой установки трактора на топливе с добавлением РМ сопро­вождается повышением выбросов оксидов углерода с ОГ. Так, для топлива с концентрацией РМ 50% при угле Θ=26º выброс СО составляет 0,082%, что на 58,5% выше, чем при работе дизеля на чистом ДТ. При увеличении установочного угла Θ концентрация СО в ОГ дизеля снижается. Переведя дизель на работу на топливо с добавлением РМ с концентрацией РМ 50%, минимальное значение выбросов достигается при 26º и составляет 0,082%.

При работе дизеля на топливе, содержащем 55%ДТ и 50%РМ, наблюдается вначале увеличение, а потом снижение выбросов диоксида углерода. Макси­мальное значение СО₂ для этого топлива достигается при 26º и составляет 8,6%.

Содержание С_хНy снижается с увеличение содержания РМ в смеси, так при угле Θ=26º значение С_хН_y составляет 9,9 ppm, 9,6 ppm, 8,3 ppm для чистого ДТ, смеси с добавлением 20% и 50% РМ соответственно.

Исследование показателей процесса сгорания при работе дизеля топливе с содержанием РМ производилось с помощью индицирования на номи­нальном скоростном режиме с частотой вращения 2400мин^-1(рис. 3.25). Снятие индикатор­ных диаграмм осуществлялось при определённых ранее оптимальных значениях установочного угла опережения впрыскивания топлива и постоянных для каждого из скоростных режимов значениях среднего эффективного давления р_е.

100% ДТ; 80% ДТ / 20% РМ; 50% ДТ / 50% РМ.

Рисунок 3.25 Влияние смесевого состава биотоплива на индикаторные диаграммы дизеля 4ЧН 11,0/12,5.

Анализируя график видно, что при увеличении содержания РМ в смеси, кривая сдвигается в сторону поздних углов φi. Так, φi _ДТ=20,4 градуса, а значения углов, соответствующих действительному моменту впрыскивания при работе дизеля на СТ равны φi _РМ20=21,1 градуса и φi _РМ45=21,8 градус. Также наблюдается снижение давления Р_z c увеличением концентрации РМ.

Рассмотрев показатели индикаторной диаграммы дизеля Д-245 видно, что с увеличением содержания РМ в смеси незначительно замедляется процесс сгорания топлива. Это подтверждает сдвиг оптимальных значений эффективных показателей регулировочной характеристики в сторону более ранних углов опережения впрыскивания топлива. Стоит отметить сходимость характера работы дизеля на смесевом топливе и на чистом ДТ.

Оценка эксплуатационных показателей тракторного дизеля Д-245 на смесевом биотопливе с различной концентрацией рапсового масла проводилось по нагрузочным характеристикам, снятым на номинальном скоростном режиме 2400 мин^-1, режиме максимального крутящего момента 1400 мин^-1, а также по скоростным характеристикам на номинальной нагрузке.

На рисунке 3.26 представлена нагрузочная характеристика дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при n=2400 мин^-1 и оптимальном значении угла опережения впрыски­вания топлива Θ_оп.впр=26° до в.м.т. Как видно из графика эффективных показателей при работе на топливах с добавкой РМ суммарный часовой расход топлива растёт во всём диапазоне изменения нагрузки.

Так, на номинальной нагрузке при р_е=0,343 МПа и работе на ДТ, G_дт=7,22 кг/ч, а при работе на топливах с добавлением РМ 20% и 50% он равен, соответственно, G_ДТ20=6,18 кг/ч и G_ДТ50=7,93 кг/ч. При этом расход самого ДТ снижается на 27,15% и 37,26%. Удельный эффективный расход топлива также увеличивается: при работе на дизельном топливе g_eminДТ=214,6 г/кВт×ч, а при работе на смесях с содержанием рапсового масла 20% и 50% g_{emin РМ20}=226,7 г/кВт×ч и g_eminРМ50=234,2 г/кВт×ч.

Увеличение удельного эффективного и часового расходов топлива объясняется меньшей, чем у ДТ, теплотой сгорания топлива с добавлением РМ. Значение эффективного КПД топлива при работе дизеля на смесевом топливе

Р_е,МПа

Рисунок 3.26 Нагрузочная характеристика дизеля Д-245 при n=2400 мин^-1 и Θ_оп.впр=26° до в.м.т.

снижается незначительно относительно уровня, характерного для работы дизеля на чистом ДТ.Минимум удельного эффективного расхода топлива при работе дизеля на топливах с добавлением РМ сдвигается в сторону меньших нагрузок. Если при работе на ДТ g_{e minДТ} достигается при р_е=0,9 МПа, то при работе на топливе с добавкой 20% и 50% РМ он соответствует р_е=0,84 МПа и р_е=0,86 МПа. Очевидно, добавка РМ изменяет характер протекания процесса смесеобразования и, как следствие, характеристики процесса сгорания топлива.

Графики показателей токсичности и дымности n=2400 мин^-1 представлены на рисунке 3.27. Графики показывают, что при увеличении нагрузки содержа­ние сажи в отработавших газах при работе на дизель­ном топливе и топливе с добавлением рапсового масла возрастает.При g_emin концентрация сажи составляет 20,5% для ДТ и 16% и 13% для топлив с добавлением РМ 20% и 50% соответ­ственно. Содержание оксидов азота при работе на ДТ и топливе с добавлением РМ повышается при увеличении нагрузки. Так при g_emin содержание оксидов азота NO_{x ДТ}=885 ppm, NO_xРМ20=920 ppm, NO_xРМ50=982 ppm.

а) б)

Рисунок 3.27 Показатели токсичности (а) и дымности (б) дизеля Д-245 при n=2400 мин^-1 Θ_оп.впр=26° до в.м.т.

Работа силовой установки трактора на топливе с добавлением РМ сопровождается незначительным повышением выбросов оксидов углерода с ОГ. При увеличении нагрузки концентрация СО в ОГ дизеля повышается. Содержание СО₂ при повышении нагрузки увеличивается и при g_emin СО₂ ДТ=7,9%; СО_{2 РМ20}=8,1%; СО_2РМ50=8,7% для чистого ДТ, для топлива с добавлением РМ 20% и 50 % соответственно.

Содержание С_хН_y повышается с увеличением концентрации РМ в топливе, так, их значения равны 6,9 ppm, 7,0 ppm, 7,2 ppm соответственно для ДТ, топлива с добавлением 20% и 50% РМ.

На рисунке 3.28 представлена нагрузочная характеристика дизеля при частоте вращения n=1400 мин^-1, соответствующей режиму максимального крутящего момента дизеля. Характер изменения рассмотренных параметров, в целом, не изменяется, но представлен более отчетливо. Суммарный часовой расход топлива при работе на топливах с добавлением РМ также возрастает во всем рассмот­ренном диапазоне изменения нагрузки. Так, при р_е=0,1 МПа и работе на ДТ G_ДТ=2,78 кг/ч, а при работе на топливах с добавлением РМ 20% и 50% он равен, соответственно, G_РМ20=2,92 кг/ч и G_РМ50=3,01 кг/ч. Увеличение нагрузки вызывает рост часового расхода топлива. При р_е=0,9 МПа и работе на ДТ часовой расход топлива уже равен G_ДТ=10,27 кг/ч, а при работе на топливах с добавлением РМ 20% и 50% он равен, соответственно, G_РМ20=10,45 кг/ч и G_РМ50=10,65 кг/ч. При этом снижение расхода самого ДТ составляет 18,21% и 42,55%. Удельный эффективный расход топлива также увеличивается: для чистого дизельного топлива g_{emin ДТ}=207,2 г/кВт×ч, а при работе на топливах с до­бавлением РМ 20% и 50% g_{emin РМ20}=224,3 г/кВт×ч и g_{emin РМ50}=239,5 г/кВт×ч.

Р_е,МПа

Рисунок 3.28 Нагрузочная характеристика дизеля Д-245 при n=1400 мин^-1 и Θ_оп.впр=26° до в.м.т.

На частоте вращения коленчатого вала дизеля n=1400 мин^-1 заметно снижение эффективного КПД. Так при работе на чистом ДТ максимум эффективного КПД равен η_{еmax ДТ}=38,7%, а при работе с добавкой 20% и 50% РМ эти значения равны η_{еmax РМ20}=36,8% и η_{еmax РМ50}=37,9%.

Минимум удельного эффективного расхода топлива и максимум эффективного КПД при работе дизеля на топливах с добавлением РМ также сдвигается в сторону меньших нагрузок. Так, если при работе на ДТ g_emin и η_еmax достигается при р_е=0,9 МПа, то при работе на топливе с добавкой 20% и 50% рапсового масла эти значения нагрузки, соответственно, равны р_е=0,8 МПа и р_е=0,75 МПа.

Графики показателей токсичности и дымности при n=1400 мин^-1 представлены на рисунке 3.29. Характер изменения показателей токсичности и дымности, по сравнению с показателями при n=2400 мин^-1, не изменился. При g_{emin ДТ} концентрация сажи составляет 14,8% для ДТ и 13,2% и 10,9% для топлива с дбавлением РМ 20% и 50% соответственно.

а) б)

Рисунок 3.29 Показатели токсичности (а) и дымности (Б) дизеля Д-245 при n=1400 мин^-1 и Θ_оп.впр=26° до в.м.т.

Содержание оксидов азота при работе на ДТ и топливе с добавлением РМ повышается при увеличении нагрузки. Так при gemin содержание оксидов азота NO_{x ДТ}=1410 ppm, NO_{x РМ20}=1515 ppm, NO_{x РМ50}=1610 ppm. Работа силовой установки трактора на топливе с добавлением РМ сопровож­дается снижением выбросов оксидов углерода с ОГ. При увеличении нагрузки концентрация СО вОГ дизеля повышается, так при g_emin содержание оксидов углерода СО_ДТ=0,058%, СО _РМ20=0,049%, СО _РМ50=0,018%.

Содержание СО₂ при повышении нагрузки увеличивается и при g_eminСО_2ДТ =9,9%; СО_2РМ20=10,6%; СО_2РМ50=10,8% для чистого ДТ, для топлив с добавлением РМ 20% и 50% соответственно. Содержание С_хН_y увеличивается с добавлением РМ в ДТ. Значения С_хН_y при g_emin равны 6,9 ppm, 8,0 ppm, 9,1 ppm соответственно для ДТ, топлив с добавлением 20% и 50% РМ.

Содержание диоксида углерода СО₂ в ОГ находится в сложной зависимостиот параметров процесса сгорания. Для рассматриваемых видов топлива выбросы диоксида углерода увеличиваются при повышении нагрузки на двигатель. При повышении нагрузки на дизель содержание суммарных оксидов азота NO_x в ОГ растет. Дымность ОГ при работе дизеля на смесях РМ с ДТ снижается по сравнению с работой на чистом ДТ из-за меньшей склонностью к дымлению РМ.

Анализ полученных экспериментальных данных позволяет утверж­дать, что применение смесей РМ с ДТ в качестве топлива для дизелей существенно снижает эмиссию в ОГ токсичных компонентов – сажи. Это утверждение справедливо на всех исследуемых скоростных и нагрузочных режимах.

В то же время исследования показали, что на разных режимах работы дизеля оптимальное процентное соотношение дизельного топлива и рапсового масла существенно изменяется. Так как управлять углом опережения впрыска топлива на дизелях с механическим регулятором не представляется возможным, для повышения эффективности работы двигателя на смесевом топливе необхо­димо гибко регулировать соотношение компонентов биотоплива в зависимости от режима работы трактора.

Натурными испытаниями двигателя Д-245 определено, что на разных режимах работы оптимальное процентное соотношение дизельного топлива и рапсового масла необходимо гибко регулировать в зависимости от режима работы двигателя. Так, запуск и прогрев двигателя рекомендовано производить с добавкой рапсового масла не более 10%, а в эксплуатации долевую часть рапсового масла в биотопливе рационально повышать до 50% прямо пропорционально скоростному режиму работы двигателя.

4. Сравнительный анализ методов перевода автотракторной техники наметан и биотопливо

Экономическая целесообразность работы машинно-тракторного агрегата оценивается сравнением понесенных затрат при использовании дизельного товарного минерального топлива и топлива с добавлением рапсового масла.

Для проведения расчета значения различных коэффициентов, тарифных ставок механизаторов, стоимости товарного минерального дизельного топлива и рапсового масла приняты в действующих пределах. Значение расхода моторного топлива в год, при работе трактора на дизельном минеральном топливе и топлива с добавлением рапсового масла принимаем по фактически полученным значениям при проведении исследований.

Эффективность использования новых видов моторных топлив и их смесей, в общем виде, определяется выражением [73, 74]:

Годовую экономию при использовании топлива с добавлением рапсового масла рассчитывали по формуле

Приведенные годовые затраты

Результаты расчетов для различных смесевых соотношений топлива сводим в табл.4.1.

Таблица 4.1 – Экономическая эффективность от использования смесевого рапсового топлива

Таким образом, проведенные расчеты показали, что затраты на топливо при использовании смесевого биотоплива (50%ДТ +50%РМ) снизились на 147888 рублей за год (или на 21,4%). Доля ГСМ в структуре себестоимости продукции сельскохозяйственных предприятий составляет 30-35% [72]. Тогда, при использовании смесевого биотоплива в соотношении (50%ДТ +50%РМ), доля влияния стоимости топлива на себестоимость продукции составит:

30%-30%*(100-21,4)=6,5%; 35%-35%*(100-21,4)=7,5%

Данные расчеты экономических показателей включают в себя затраты на закупку всех компонентов биотоплива, в том числе на покупку рапсового масла. При собственном производстве рапсового масла его стоимость, в срав­нении с закупочной, может быть снижена не менее чем на 40%, а стоимость конечного смесевого топлива снизится на 25%.

Представляет интерес сделать приблизительный расчет затрат для производства рапсового масла с использованием биотоплива.По данным министерства сельского хозяйства РБ средний расход дизельного топлива на 1 га по республике составляет 25-40 кг. Урожайность рапса в РБ составляет 11,5 ц/га [73]. В других регионах урожайность рапса доходит до 20-30 ц/га.

Из одной тонны семян рапса можно получить 300 кг (30%) рапсового масла, а из этого количества масла производят около 270 кг биодизеля. Выход глицерина при этом составляет около 10% [73]. Тогда, с 1 га поля рапса получаем: 1150*0,27=310,5кг биотоплива. Данное количество тплива хватит для обработки как минимум 7,5 га. Возделываемых площадей включая все технологические операции от пахоты до уборки и переработки. Таким образом, доля площадей, отводимых для рапса, предназначенного для переработки на топливо в пересчете на весь объем пахотных земель составляет около 13%.

Далее перейдем к аналогичным расчетам экономического обоснования перевода трактора МТЗ-82 на газомоторное топливо, в соотношении смеси (50%ДТ+50%КПГ). В табл.4.2 представлены общие затраты на переобо­рудование транспортного средства на газодизельный цикл работы.

Таблица 4.2 Стоимость установки газобаллонного оборудования на МТЗ-82.

где Сч — тарифная ставка, руб. (часовая тарифная ставка тракториста-машиниста 6-го разряда C=170 руб./ч.); К0 — коэффициент увеличения оплаты труда по тарифу; Тнг — годовая нормативная наработка трактора, Тнг = 1200 мото-ч.

Данные расчеты экономических показателей включают в себя затраты на закупку всех компонентов на переоборудование на газодизельную систему, в том числе на покупку КПГ. Представляет интерес сделать приблизительный расчет затрат топлива при газодизельном режиме работы на 100 километров

Рассчитаем экономию на топливе за счет установки газобаллонного оборудования при среднемесячной наработке 200 часов в месяц.

Расход топлива дизелем трактора МТЗ-82 составляет 15 кг топлива в час.

Произведем расчет стоимости затраченного топлива при дизельном режиме работы на 500 мото-часов.

15 (кг/мото-час) *46,80 руб.= 702 руб.

Расчет стоимости топлива при газодизельном процессе

(7,5 (кг./мото-час) *46,50 руб. )+ (7,5 (кг./100 км) * 19,80 руб.) =497,25 руб.

702 руб. – 497,25 руб. = 204,75 руб.

Таким образом, мы получили экономию в 204,75 рублей на 1 мото-часработы под нагрузкой. Следовательно, экономия на 500 мото-часов составит 102375 рублей.

Рассчитаем срок окупаемости при работе транспортного средства на газодизельном режиме работы.

114126,1:204,75 = 557 мото-часов.

Вывод через 557 мото-часов эксплуатации транспортного средства на газодизельном режиме переоборудование будет полностью окуплено и начнет приносить прямую экономию на дизельном топливе.

Также рассчитаем экономическую эффективность для автомобиляКамАЗ-45143со среднесуточным пробегом 100км., коэффициентом использования автомобиля равным 0,8 и средним расходом топлива 37 литров на 100 км, л Существенной статьёй экономии является цена: у дизельного топлива стоимость 46,8 руб./л, а себестоимость у природного газа составляет 19,8 руб./м³, что в 3 раза меньше чем у дизельного топлива. Замена дизельного топлива метаном позволит снизить затраты на топливо.

Рассчитаем годовой расход топлива: 1 литр дизельного топлива заменяет природный газ в объеме 1,18 м³ , при этом теплота сгорания дизельного топлива будет равна теплоте сгорания природного газа. Исходя из этого принимаем коэффициент замещения ДТ метаном k = 1,18.

Расход топлива для проезда до поля без груза составляет 26,7 литров на расстояние 100 км. Соотношение использования метана в газодизельном цикле без нагрузки составляет 25:75, тогда расход газа и ДТ будет:

В остальное время года за одну смену расход топлива будем считать равной среднему расходу в интенсивной период 37 л на 100 км. И среднесуточный пробег равным 200 км. Тогда расход ДТ =51,8л и 26,2 м³ Метана вместо 74 литров ДТ.

Учитывая систему лояльности АГНКС ООО Газпром трансгаз Уфа 4000 м³ с 50% скидкой тогда затраты на газ будет равным:

В проведенных расчетах экономической эффективности альтернативных видов смесевых видов топлива на основе рапсового масла и газомоторного топлива проведено сравнение его себестоимости в соотношении смеси в равных долях 50%ДТ+50% альтернативного вида топлива. Исходя из данных расчетов следует, что альтернативное топливона основе рапсового масла(биотоплива) рационально использовать, если есть возможность самостоятельно выращивать данную масличную культуру и рассматривать ее как самовос­производимое топливо.

Для покрытия потребности в топливе всего машино-тракторного парка сельскохозяйственному предприятию достаточно засеять рапсом около 13% своих возделываемых площадей, что при низкой себестоимости переоборудо­вания трактора на данный вид топлива обеспечит биотопливомвесь машино-тракторный парк хозяйств механизированной обработки 100% своих полей.

Использование газодизельного цикла с 50% долей замещения топлива метаном, будет эффективно хозяйствам и предприятиям которые не занимаются растениеводством и не имеет собственных полей под засев рапса, но вблизи предприятия(хозяйства) располагается АГНКС. При этом более дорогое перео­борудование трактора на метан, окупается его сравнительно низкой стоимостью.

При переводе трактора МТЗ-82 на смесевое биотопливо в средней пропор­ции 50%/50% снижение прямых расходов на топливо составило 147888 рублей в год или на 21,4% при условии закупки рапсового масла. Доля влияния стоимости ГСМ на себестоимость продукции составит при этом до7,5%.

При переводе трактора МТЗ-82 на газодизельный цикл работы в такой же пропорции 50%/50% с компримированным природным газом метаном снижение прямых расходов на топливо составило 175051 рублей в год или на 23,8% при условии заправки на АГНКС не далее 25 км. Доля влияния стоимости ГСМ на себестоимость продукции составит при этом 8,3%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Новизна проведенных НИР заключается в научном обосновании фракционного и качественного состава различных видов альтернативного топлива на основе масличных культур, определении оптимальных соотношений запальной и основной порций топлива на различных режимах работы машинно-тракторных агрегатов в газодизельном цикле, научно-экономическом обосновании применения газомоторных и альтернативных видов топлива на автотракторной и мобильной сельскохозяйственной технике.

Практическую значимость имеют результаты натурных испытаний двигателя Д-245 которые доказывают, что на разных режимах работы оптимальное процентное соотношение дизельного топлива и рапсового масла необходимо гибко регулировать в зависимости от режима работы двигателя. Для реализации данного условия разработана оригинальная схема системы питания со смесителем новой конструкции на примере двигателя Д-245 трактора МТЗ-82.

Всесторонний анализ состояния вопроса исследования показал, что наи­более подходящим альтернативным топливом для дизельной техники в сельском хозяйстве являются природный компримированный газ (метан) и биотопливо на основе смеси дизельного топлива ирапсового масла.

Из всех возможных вариантов использования метана в качестве топлива для сельскохозяйственной техники наиболее оптимальным является перевод дизеля на газодизельный цикл работы. В рамках проекта разработана схема газодизельной системы питания с оригинальным механизмом управления запальной дозой топлива. Проведены оптимизационные и прочностные расчеты механизмом управления запальной дозой топлива и подготовлена эскизная конструкторская документация на его изготовление.

Стендовыми и моторными испытаниями определены рациональные долевые соотношения метана и дизельного топлива на различных режимах работы дизеля, обеспечивающие замещение исходного топлива до 60% без снижения показателей работы дизеля.Предложен адаптированный к условиям сельхозпредприятий метод перевода дизеля на газомоторное топливо метан с подбором наиболее эффективного комп­лекта газобаллонного оборудования и различных схем установки баллонов на примере модернизации трактора МТЗ-82.

Для использования биотоплива на основе рапсового масла в качестве топлива применительно к дизелю Д-245 опробована предложенная система питания со смесителем-дозаторомбиотоплива, расположенном непосредственно на борту машины, что позволяет обеспечить необходимое качество смесевого топлива с изменяемым фракционным составом.

Моторные исследования дизеля Д-245 показали,что на разных режимах работы оптимальное процентное соотношение дизельного топлива и рапсового масла необходимо гибко регулировать в зависимости от режима работы двига­теля. Так, запуск и прогрев двигателя рекомендовано производить с добавкой рапсового масла не более 10%, а в эксплуатации долевую часть рапсового масла в биотопливе рационально повышать до 50% прямо пропорционально скорост­ному режиму работы двигателя.

Перевод трактора МТЗ-82 на смесевое биотопливо в средней пропорции 50%/50% снижает прямые расходы на топливо на 147888 рублей в год или на 21,4% при условии сторонней закупки рапсового масла. При этом себесто­имостьсельскохозяйственной продукции может снизиться на7,5%.

При модернизации трактора МТЗ-82 путем перевода двигателя на газодизельный цикл работы с таким же (50%/50%) процентом замещениядизельного топлива компримированным природным газом метаном снижение прямых расходов на топливо составило 175051 рублей в год или 23,8% при условии заправки на АГНКС не далее 25 км. Доля влияния стоимости ГСМ на себестоимость продукции составило при этом 8,3%.

Разработанные методики, утвержденные Научно-техническим советом Министерства сельского хозяйства РБ, опубликованы в виде практических рекомендаций по переводу сельскохозяйственной техники на альтернативное топливо двумя вариантами: на метан и биотопливо в зависимости от конкретных условий эксплуатации техники.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Говорущенко Н. Я. Экономия топлива и снижение токсичности в автомобильном транспорте. М.: Транспорт, 1990.

1. Министерство транспорта Российской федерации: офиц. сайт.- Режим доступа: https://www.mintrans.ru/documents/3/8932
2. Ф.И. Абрамчук д.т.н., профессор ХНАДУ, А.М. Левтеров , к.т.н., ст. науч. сотр., и. о. зав. отделом, ИПМаш НАН Украины “Опыт конвертации дизелей в газовые двигатели с искровым зажиганием” Статья 23 апреля 2007 г.
3. Лопатин О. П. Индицирование рабочего процесса газодизеля при работе с рециркуляцией // Молодой ученый. — 2015. — №13. — С. 144-147.
4. Газобаллонные автомобили: Справочник / А.И. Морев, В.И. Ерохов, Б.А. Бекетов и др. — М.: Транспорт, 1992. – 250 с.
5. Буралев, Ю.В. Альтернативные виды топлива и их применение : учебник / Ю.В. Буралев — М.: Издательский центр «Лань», 2014.- 358 с.
6. Кленников Е.В., Мартиров О. А., Крылов М.Ф. Газобаллонные ав-томобили: Техническая эксплуатация. — М.: Транспорт, 1986. – 77 с.
7. Лиханов В.А., Деветьяров Р.Р. Применение и эксплуатация газобаллонного оборудования: Учебное пособие. – Киров: Вятская ГСХА, 2006. — 183 с.
8. Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. — М.: МАДИ (ТУ), 2000. –325с.
9. НеговораА.В. Топливная аппаратура автотракторных дизелей: Учебное пособие / А.В. Неговора — Уфа: Изд-во БГАУ 2004. – 150с.
10. Переход автотранспорта на природный газ: Нормативно-справочное пособие / А.И. Морев, В.И. Ефанов, Б.А. Бекетов и др. — М.: ИРЦ газовой промышленности, 1995. – 97 с.
11. Пособие по приспособлению действующих АТП для работы автомобилей на СПГ и СНГ и устройству пунктов выпуска СПГ и слива СНГ. -М: ЦБНТИ Минавтотранса РСФСР, 1990. – 111 с.
12. Компания AC S.A.: офиц. сайт.- Режим доступа: https://www.ac.com.pl/ru
13. Компания PRIDE GAS: офиц. сайт.- Режим доступа: http://pride-gas.com/pages/dizel-engine
14. Компания Scalmax: офиц. сайт.- Режим доступа: http://scalmax.pl/ru
15. Компания TAMONA: офиц. сайт.- Режим доступа: http://tamona.lt/ru/
16. Компания EuropeGAS: офиц. сайт.- Режим доступа: http://europegas-russia.ru
17. Министерство энергетики Российской федерации: офиц. сайт.- Режим доступа https://minenergo.gov.ru
18. Система питания дизеля для работы на смесевом биоминеральном топливе : Патент на изобретение №2452864 РФ / Пензенская государственная сельскохозяйственная академия // Открытия. Изобретения, 2012.
19. Топливная система дизельного двигателя: Патент на полезную модель №58624 РФ / Патентообладатель: Михеев Сергей Григорьевич // Открытия. Изобретения, 2006.
20. Установка для работы двигателя с воспламенением от сжатия на газообразном топливе: Патент на изобретение №1546952 РФ / Пензенская государственная сельскохозакадемия // Открытия. Изобретения, 2010.
21. Васенин А.С., Шумков А.Г. Двигатель КамАЗ 820.61–260: особенности сис­темы питания и типовые неисправности //Молодой ученый. 2016. №14. С.128-131.
22. Пронин, Евгений. Перспективы метана на транспорте Электрон. текст. дан. — Режим доступа: http://www.gazpronin.ru/GazPronin2013.shtml, свободный.
23. О использовании природного газа в качестве моторного топлива: Распоряжение Правительства РФ от 13 мая 2013 г. // Собрание законодательства. — 2013. — № 20. — Ст. 2551.
24. Хакимов, Р.Т., Какава, Л.О. Перспективы развития использования природного газа на автомобильном транспорте в Российской Федерации // Известия Международной академии аграрного образования. -2018- (41-1)- С. 84-88
25. Лопатин О.П. Улучшение экологических показателей тракторного дизеля путем применения природного газа и рециркуляции. ФГБОУ ВПО «Ярославская ГСХА». — Ярославль, 2015. — С. 30-34.
26. Синявский В.В., Богданов, С.Н., Алексеев И.В., Фаддейкина Ю.С. Технология перевода поршневого двигателя, работающего по дизельному циклу, на работу по газовому и газодизельному циклу в производстве //СТИН. 2019 № 3 С. 33-37
27. Габитов И. И., Неговора А. В. Обеспечение работоспособности топливоподающих систем дизелей путем индивидуальной корректировки базовых характеристик управления топливоподачей // Российская сельскохозяйственная наука. -2016- №. 4. — С. 84-88.
28. Патент №RU2689658C1 Российская Федерация МПК F02M21/02 F02D19/06 F02D19/08 F02M37/00 F02M43/00 Способ и система регулирования режимов работы двухтопливногоДВС заявл. 29.12.2017 опубл. 28.05.2019 / Миронов Михаил Витальевич
29. Патент №RU2589577C1 Российская Федерация МПК F02D19/08 F02M21/02 Система регулирования газодизелязаявл. 10.06.2015. опубл. 10.07.2016 / Горелик Геннадий Бенцианович
30. Габитов И. И., Неговора А. В., Федоренко Ф.В. Интелектуализация технического сервиса топливоподающих систем дизелей. // Научное издание – М: ФГБНУ Росинформагротех, 2018.-496 с.
31. Gabitov I.I., Negovora A.V., Valiev A.R. and et. Hardening of electrohydraulic injector valve units of diesel at repair // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2018. T.№S8. C6478-6486.
32. Методика (основные положения) определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой, техники изобретений и рационализаторских предложений Уфа – БашГАУ, 2016.-30с.
33. Бычков В.П. Экономика автотранспортного предприятия: Учебник. — М.: ИНФРА-М, 2006. – 384 с.
34. Шишков В.А. Особенности разработки алгоритма управления двигателем внутреннего сгорания для работы на газообразном топливе // АвтоГазоЗапровочный Комплекс + Альтернативное топливо. 2005. № 5 (23). c. 37-39
35. Шишков В.А. Цикловые параметры газового поршневого двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием с электронной системой управления Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета 2014. № 5 (47) с. 45-53
36. Применение и эксплуатация современного газобаллонногооборудования: Учебное пособие. Автор/создатель: Лиханов В.А., Деветьяров Р.Р.: Учебник для вузов – Л.: Недра, 2012. – 227с
37. ХруничеваТ.В. Детали машин: типовые расчеты на прочность / учебное пособие / Т.В. Хруничева. — М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. — 224 с.
38. Малов В.В. Мамедова М.Д. Работа дизеля на сжиженном газе. – М.: Машиностроение, 2013.-151 с.
39. Мариянко Б.С. Исследование влияния на показатели газодизеля усовершенствования системы питания применением газовпускного устройства ВНТУ Наковiпрацi, 2014, №2
40. Михеев В.П. — Газовое топливо и его сжигание. – Л.: Недра, 2015. – 327с.
41. Михеев В.П., Медников Ю.П. Сжигание природного газа. – Л.: Недра, 2005. -391с.
42. Новиков Л.А. Проблемы и перспективы создания малотоксичных дизелей // двигателестроения. 2013, №1- 2.с.49-53.
43. Перевод нефтяных двигателей на газообразное топливо. Под.ред. Я.И. Кеймаха и Ф.А. Парфентьева. – М.: Государственное научно-техническое изд-во машиностроительной литературы, 2002. – 253 с.
44. Переход автотранспорта на природный газ: Нормативно-справочное пособие / А.И. Морев, В.И. Ефанов, Б.А. Бекетов и др. — М.:ИРЦ газовой промышленности, 1995. – 97 с.

Неговора А.В. Улучшение эксплуатационных показателей автотракторных дизелей совершенствованием конструкции и технологии диагностирования топливоподающей системы: Дис. … д-ра техн. наук: 05.04.02 : СПб., 2004 343 c.

Ченцов Николай Алексеевич. Повышение эффективности использования газобаллонных тракторов тягового класса 1,4(на примере трактора МТЗ-82.1): Дис. канд. техн. наукСаратов 2015.

1. Кульчицкий, А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей: учеб. пособие для высш. школы / А.Р. Кульчицкий. – 2-е изд. – М.: Академический Проект, 2004. – 400 с.
2. Киотский протокол к рамочной конвенции Организации Объединённых Наций об изменении климата: протокол, Киото, 11 дек. 1997г. / ООН //Нац. реестр правовых актов Респ. Беларусь. – 2006. – №7, 3/1873. – C. 102.
3. Льотко, В. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания / В. Льотко, В.Н. Луканин, А.С. Хачиян. М.: МАДИИ, 2000. 311с.
4. Петров Н. В., Федоров Д. В., Данилов А. М., Игнатьев А. А. Виды проблем, возникающих при использовании каталитического нейтрализатора // Молодой ученый. — 2017. — №23. — С. 152-154.
5. Biogas, immer nоcheintenperTreibstoff. //DLZ – Landtechn. – 1986, Jg. 37. — № 11. – s. 1536-1537, П 30247.
6. Nutt B., Down J., Holmes J.: The Cost of Making Methanol Available to a National Market. SAE Paper 872063.
7. Смаль Ф.В., Арсенов Е.Е. Перспективные топлива для автомобилей. — М.: Транспорт, 1979. – 151 с.
8. Экономия горючего. Под. ред. Е.П. Серегина. – М.: Воениздат, 1980. 144с.
9. Обельницкий А.М. Топливо и смазочные материалы. — М.: Высшая школа, 1982. – 208 с.
10. Alcohols in diesel engines a review: «Automot. Eng.» 1984, V/ 92, № 6, р. 40–44.
11. Стаценко В.Н., Суменков В.М. Эффективность применения воднотоп­ливных эмульсий в судовых котлах. //Судостроение, 1999. № 2. — С. 31.
12. Использование биологических добавок в дизельное топливо / В.М. Федоренко и др. – М.: ФГНУ «Росинформагротехник», 2007. – 52 с.
13. Сергеев Л.В., Иванов В.М. О работе дизелей на топливо-водяных эмульсиях. //Сжигание высокообводненного топлива в виде водоугольных суспензий. – М.: Наука, 1967. – С. 176…183.
14. Мамедова М.Д. Работа дизеля на сжиженном газе. – М.:Машиностроение, 1980. – 151 с.
15. Barsic, N.J. Performance and emissions characteristics of a naturally aspirated diesel engine with vegetable oil fuil / N.J. Barsic, A.L. Humke // SAE Tehnical paper series. – 1981. – № 810262. – P. 1–10.
16. Альтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания / А.А. Александров, И.А. Архаров, В.А. Марков и др. Под ред. А.А. Александрова, В.А. Маркова. – М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2012. – 791 с.
17. Адаптация тракторов и автомобилей к работе на биотопливе/ Н.В. Крас­нощеков и др. //Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1994. № 12. с.1–4.
18. Onion, G. Oxygenate fuel for diesel engines: a survey of world – wide activities [Text] / Onion G., Bodo L. D. // Biomass. – 2003. – №2. – P. 77–133.
19. Совершенствование рабочих процессов автотракторных дизелей и их топливных систем, работающих на альтернативных топливах / М. Г. Шатров, А. С. Хачиян, Л. Н. Голубков, А. Ю. Дудин. – Москва : МАДИ, 2012. – 220 с.
20. Васильев И.П. Влияние топлив растительного происхождения на экологические и экономические показатели дизеля. – Луганск: Изд-во Восточноукраинского университета им. В. Даля, 2009. – 240 с.
21. Гайворонский А.И., Марков В.А., Илатовский Ю.В. Использование природного газа и других альтернативных топлив в дизельных двигателях. – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. – 480 с.
22. Габитов И.И., Неговора А.В., Федоренко В.Ф. Интеллектуализация технического сервиса топливоподающих систем дизелей // Научное издание – М: ФГБНУ «Росин-формагротех», 2018. – 496 с.
23. Гражданкин Б. Рапс полностью обеспечит сельское хозяйство России дизельным топливом // Аграрный эксперт. – 2007. – № 8. – С. 20-25.
24. Девянин С.Н., Путан А.А. Улучшение смесеобразования в дизеле при использовании рапсового масла // Сельский механизатор. – 2009. № 9 с. 28-29.
25. Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях / В.А. Марков, С.Н. Девянин, В.Г. Семенов и др. – М.: ООО НИЦ «Инженер», 2011. – 536 с.
26. Митусова, Т. Н. Дизельное топливо из альтернативных источников энергии / Т.Н. Митусова, М.В. Калинина // Специализир. науч.-практ. конф. «Охрана окружающей среды в городе»: сб. докладов / под ред. В.Б. Зотова. – М.: Юго-Восток-сервис, 2006. – С. 129–136.
27. Малашенков К. Альтернативный рапс // Сельский механизатор. – 2007. – № 1. – С. 26-27.
28. Effects of super heating of heavy fuels on combustion and performance in DI diesel engines / T. Murayama [et al.] // SAE Technical paper series. – 1986. –№ 860306. – P. 1–8.
29. Неговора А.В., Махиянов У.А., Ахметов А.Ф. Совершенствование способов диагностирования топливоподающих систем дизелей с электронным управлением //Известия Международной академии аграрного образования. 2012. № 14-1. С. 260-265.
30. Неговора А.В., Разяпов М.М., Шерстнев Н.А. Повышение эффективности работы жидкостного предпускового подогревателя //В сборнике: Технологии реновации машин и оборудования. Материалы Всероссийской научно-практической конференции в рамках ХI Промышленного салона и специализированных выставок «Промэкспо, станки и инструмент», «Сварка. Контроль. Диагностика». 2016. С. 184-188.
31. Gabitov I.I., Saifullin R.N., Farhshatov M.N., Negovora A.V., Mudarisov S.G., Khasanov E.R., Galiullin R.R., etc./ Hardening of electrohydraulic injectors valve units of diesels at repair// Journal of Engineering and Applied Sciences. 2018. Т. 13. № S8. С. 6478-6486.
32. Gabitov I.I., Negovora A.V., Khasanov E.R., Galiullin R.R., Farhshatov M.N., Khamaletdinov R.R., Martynov V.M., Gusev D., Yunusbaev N.M., Razyapov M.M. Risk reduction of thermal damages of units in machinery heat preparation for load acceptance // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2019. Т. 14. № 3. С. 709-716.
33. Использование в дизеле смесевых биотоплив с добавками растительных масел / В.А. Марков, С.Н. Девянин, В.В. Маркова и др. // Автогазозапра­вочный комплекс + альтернативное топливо. – 2014. – № 10. – С. 11-19.

Приложения

РЕФЕРАТ

Отчет 61 с., 16 рис., 23 табл., 9 источников, 3 прил.

КУКУРУЗА, СЕЛЕКЦИОННЫЕ ЛИНИИ, ФЕНОЛОГИЧЕСКИЕ ФАЗЫ, БИОМЕТРИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ, УРОЖАЙНОСТЬ, селекция гибридов кукурузы.

Объектом исследования является селекционные линии кукурузы.

Цель работы – выявление наиболее продуктивных селекционных линий кукурузы в условиях южной лесостепи Республики Башкортостан, а также влияние новых средств защиты растений и удобрений на формирование урожая гибрида кукурузы Шихан. Исследования проводились методами полевого опыта, полевого наблюдения и лабораторного анализа.

В результате проведенных исследований определены время наступления фенологических фаз, высота растений, высота расположения початков, длина ножки початков, урожайность надземной массы и зерна, влажность зерна к концу вегетации 64 селекционных линий кукурузы.

ВВЕДЕНИЕ

Природные условия территории Республики Башкортостан характеризуются сравнительно небольшой теплообеспеченностью и коротким вегетационным периодом. Сумма активных температур воздуха за период с температурой выше 10^оС составляет 1700-2350°С, продолжительность периода с температурой выше 10^оС равна 120-145 дням. Для успешного возделывания кукурузы по зерновой технологии необходимы скороспелые сорта (гибриды). В Башкирии еще 30-годы был создан сорт кукурузы Миловка, разработаны приемы возделывания кукурузы на зеленый корм и силос. Однако данный сорт не нашел распространение и в хозяйствах республики практически не возделывался.

В этой связи необходима проведения селекционной работы по созданию скороспелых гибридов кукурузы для природных условий Южного Урала, а также изучить средств защиты растений и новых удобрений на формирование урожая кукурузы.

1. Условия и методика исследований

1.1 Условия проведения полевых исследований

Селекционная работа проводилась на опытном поле кафедры растениеводства и земледелия ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ (Уфимский район, с. Ягодная поляна). По агроклиматическому районированию территория южной лесостепи, где находится Уфимский район, относится к зоне достаточного, но неустойчивого увлажнения. Среднегодовое количество осадков в зоне составляет по данным метеостанции Уфа-Дема 493 мм. За вегетационный период выпадает 240 мм осадков.

Сумма положительных температур 2441⁰С. Среднегодовая температура воздуха равна +2,5 ⁰С. Гидротермический коэффициент для большей части территории составляет 1,0-1,2. Среднемноголетняя продолжительность безморозного периода составляет 120 дней. Последние весенние заморозки наблюдаются 9 июня, первые осенние заморозки – 13 августа. Почва опытного поля – выщелоченный чернозем среднесуглинистым гранулометрическим составом. Содержание гумуса 8,6%, рН солевой вытяжки 5,8, объемная масса пахотного слоя почвы 1,11 г/см³.

1.2 Агрометеорологические условия вегетационного периода 2019 г.

Данные об основных агрометеорологических условиях на территории УНЦ Башкирского ГАУ за вегетационный период характеризовали по данным ближайшей метеостанции (Уфа-Дема).

Май месяц 2019 года был сравнительно теплым. Дневная температура воздуха после посева кукурузы (14 мая) колебалась в пределах 10-27^оС (таблица 1). Самая низкая температура воздуха (4°С) была ночью 20 мая. Осадков за май выпало 83 мм, что выше уровне климатических норм.

Июнь месяц по температуре воздуха на уровне среднемноголетнего. Днем температура колебалась от15,5 до 27 ⁰С. В третьей декаде июня дневная температура воздуха держалась (20-27 ⁰С). В июне выпало осадков 91 мм, что значительно больше нормы (таблица 1).

Июль месяц характеризовался сравнительно невысоким температурным режимом. Погода в июле была дождливая, сумма осадков составила 122 мм или около 200% нормы. Практически каждый день шел дождь.

Таблица 1 – Погодные условия вегетационного периода 2019 г.

Август характеризовался сравнительно прохладной погодой. Дневная температура воздуха колебалась в пределах 9-28 ºС, сумма осадков составила 122 мм, что около 200 % нормы.

Первая и вторая декада сентября были также несколько теплее среднемноголетнего, дневная температура воздуха составила 11 -21 ºС. 19 сентября среднесуточная температура воздуха устойчиво перешла через 10^оС. Таким образом, метеорологические условия вегетации в 2019 г. были прохладными, как предыдущий 2018 г.

1.3 Методика проведения полевых опытов

Опыт 1. Оценка селекционных линий кукурузы. Схема опыта включала 64 гибридных материалов, представленного ВНИИ кукурузы (таблица 2). Опыт закладывали согласно методике ВНИИ кукурузы.

Размер делянок 6,86 м² (1,4 х 4,9 м). Повторность вариантов двухкратная. Размещение селекционных линий в первой повторности систематическое, во второй – рендомизированное (таблица 2).

Посев проводили 18 мая ручной сеялкой Клен 1 с междурядьем 70 см, норма высева семян 80 тыс. шт./га (рисунок 1). В фазе 2-х настоящих листьев проводили вручную формирование густоты посева на всех делянках опыта из расчета 70 тыс. растений на га (5 растений на погонный метр рядка). Глубина посева семян 6-7 см.

Предшественник яровая пшеница. Обработка почвы – осенняя вспашка ПН-4-35 на глубину 26-28 см. Весной боронование (3БЗТС-1,0) и предпосевная культивация (КСО-4). Удобрения во всех опытах (нитроаммофоску) вносили под основную обработку почвы в дозе NРК 32 кг д. в. /га.

Таблица 2 – Схема размещения селекционных линий в полевом опыте (УНЦ БГАУ, 2019 г.)

Опыт 2. Продуктивность гибридов кукурузы

Проводили изучение 18 гибридов кукурузы и в том числе гибрид Шихан. Схема опыт включала следующие гибриды:

1. Машук 140

2. К-140

3. К-150

4. Уральский 150 (стандарт)

5. Нур

6. Машук 150

7. Биляр 160

8. К-160

9. К-170

10. Шихан

11. Катерина СВ

12. Байкал

13. Машук 175 МВ

14.Машук 170 МВ

15. Машук 171

16.Машук 220 МВ

17.Ньютон

18.Машук 250 СВ

Площадь делянок – 125 м². Повторность трехкратная.

Опыт 3. Формирование урожая гибрида кукурузы Шихан при применении новых форм удобрений ЭКСТРА-ХЕЛАТ марки: Zn

Схема опыта:

1. Фон NPK (Контроль).

2. Фон NPK + ЭКСТРА-ХЕЛАТ марка Zn: Некорневая подкормка растений в фазе 6-7 листьев, расход агрохимиката – 0,6 кг/га, расход рабочего раствора — 300 л/га.

3. Фон NPK + ЭКСТРА-ХЕЛАТ марка Zn: Некорневая подкормка растений в фазе 6-7 листьев, расход агрохимиката – 0,8 кг/га, расход рабочего раствора — 300 л/га.

4. Фон NPK + ЭКСТРА-ХЕЛАТ марка Zn: Некорневая подкормка растений в фазе 6-7 листьев, расход агрохимиката – 1,0 кг/га, расход рабочего раствора — 300 л/га.

Площадь делянок – 125 м². Повторность трехкратная.

Таблица 3 — Содержание питательных элементов ЭКСТРА-ХЕЛАТ Zn

Препаративная форма (внешний вид) ЭКСТРА-ХЕЛАТ марки: Zn – сыпучий порошок белого цвета;

Полевой опыт проводили в Учебно-научном центре ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет» (Южная лесостепь Республики Башкортостан,). Агрохимическая характеристика почвы (опытного участка). Чернозем выщелоченный среднемощный среднегумусный, тяжелосуглинистый на делювиальном карбонатном суглинке. Агрохимические показатели пахотного слоя: содержание гумуса – 6,1±0,2; нитратный азот – 0,47±0,02; фосфора – 0,18±0,01; калия – 1,5±0,03%; сумма поглощенных оснований – 39,3±0,3 мг-экв. на 100 г почвы; рН_kcl -5,4±0,1.

Предшественник – яровая пшеница. Обработка почвы: 05.09.2018 г. — дискование на глубину 8-10 см (БДТ-3) после уборки предшественника, 17.09.2018 г. — вспашка на глубину 24-25 см; 3.05.2019г. – ранневесеннее боронование; 07.05.2019 г. — предпосевная культивация на глубину 5 см (КПС-4), 10.05.2019г. посев на глубину 5 см (УПС-8). Внесение удобрений — сложно-смешанные удобрения N15P15K15 в дозе 200 кг/га перед посевом. Дата посева — 10.05.2019г. Норма высева семян — 80 тыс.шт./га. Мероприятия по уходу за растениями, в т.ч. обработка средствами защиты растений: – обработка агрохимикатами, согласно схеме опыта; обработка в фазе 6 листьев. Обработка гербицидом Октава (0,8 л/га) в фазе 5 листьев ручным аккумуляторным опрыскивателем «Patriot». Дата уборки – 20.09.2019.

Опыт 4. Применение регуляторов роста на семенные качества кукурузы.

Схема опыта:

1. Без обработки (Контроль)

2. Биодукс

3. Эпин экстра

4. Мелафен

Площадь делянок – 125 м². Повторность трехкратная.

Опыт 5. Применение средств защиты растений на посевах кукурузы гибрида Шихан.

Таблица 4 — Схема опыта

Площадь делянок – 125 м². Повторность трехкратная.

1.4 Методика проведения полевых наблюдений и лабораторных анализов

Постановку полевых опытов проводили по Б. А. Доспехову. Проводили наблюдения за датой наступления фенологических фаз, ростом растений, повреждения растений заморозками согласно методикам госсортоиспытания.

Густота стояния растений – подсчет растений на учетной площадке после формирования густоты и перед учетом урожайности (03 октября).

Высота растений измерялась с помощью линейки от поверхности почвы до верхушки 10 растений. Высота расположения початка определяли измерением расстояния от поверхности почвы до места прикрепления ножки початка стеблю. Длину ножки початка измеряли линейкой от места прикрепления ножки до основания початки.

Средняя масса растения определялась взвешиванием массы пробы из 10 растений, взятых с каждой делянки опыта.

Урожайность определялась 03 октября. С делянки взяли 10 початка, взвешивали. Обмолачивали 10 початка и определяли выход зерна в процентах. Зная выход зерна с початка и массу початков с делянки, определяли массу зерна с делянки. Зная площадь делянок, определяли урожайность зерна в расчете на гектар. Урожайность приводилась к 100% чистоте и 14% влажности.

Влажность зерна каждой делянки опыта определялась предварительно на поле влагомером TESTO 606-1, затем методом высушивания в электропечи. При высокой влажности зерна (выше 45%) влагомер TESTO 606-1 показал пониженное значение влажности. Поэтому в отчете приводим результаты влажность зерна, определенные методом высушивания. Содержание в зерне белка и крахмала определяли компьютерным анализатором Инфралюм.

Наступление фенологических согласно методике государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур. Содержание гумуса определяли по ГОСТ 26213-91; валового азота — по Къельдалю; минеральные формы — по А.Н. Бочкареву и В.Н. Кудеярову; подвижного фосфора и обменного калия — по методу Чирикова ГОСТ 26204-91; кислотность определяли в 1,0 н KCl вытяжке потенциометрически ГОСТ 26483-85. Пораженность растений болезнями по методике ГНУ ВИЗР. Урожайность и структура урожая по методике Госсортсети.

Опыты 3 и 4 проводили по методике ГНУ ВИЗР «Методические указания по государственным испытаниям фунгицидов, антибиотиков и протравителей семян с/х культур» (М., 1985 г.)

Рисунок 1 Определение влажности зерна кукурузы в полевых условиях влагомером TESTO 606-1

Рисунок 2 – Определение фитометрических показателей растений селекционных линий (7 август, 2019 г.)

Рисунок 3 – Определение фазы спелости зерна кукурузы

2 РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ СЕЛЕКЦИОННЫХ ЛИНИЙ И ПРОДУКТИВНОСТИ ГИБРИДОВ КУКУРУЗЫ

2.1 Оценка селекционных линий кукурузы

2.1.1 Время наступления фенологических фаз и влажность зерна

ко времени уборки

Посев был проведен 14 мая. После посева среднесуточная температура воздуха была 7-16⁰С, в дневные часы колебалась по дням от 16 до 20 ⁰С, а ночью – от 4,5 до 14⁰С. Наблюдалось повышение температуры воздуха в последней пятидневке мая. Всходы появились через 14 дней 29 мая. Существенной разницы во времени появления всходов между линиями не наблюдалась.

Прохладная дождливая погода в июне и июле заметно задержало рост и развитие растений кукурузы. Образование 1 пары листьев отмечено только 7 июня.

Изучаемые селекционные линии имели разный темп развития (таблица 5). Например, разница в дате выметывания составила более 12 дней. Если гибриды под номером 1 и 7 образовал метелку 19 июля, то у гибридов 22,33, 40, 41, 53, 54 фаза выметывания наступала только 1 августа. Такая же разница наблюдалась в дате наступления последующих фаз.

Восковой спелости селекционные линии № 1, 2, 3, 5, 6. 7, 12, 24, 34, 52, 63, 64 достигли к 5-7 сентябрю, линии 4, 8, 10, 14, 17, 18, 19, 26, 32, 56, 60, 62, достигли к 15-18 сентябрю. Продолжительность вегетации (всходы-восковая спелость зерна) у этих линий составила 99-117 дней.Остальные линии к уборке 3 октября были в фазе молочной спелости.

Рисунок 4 – Посев селекционных линий кукурузы (7 июня)

Таблица 5 – Дата наступления фенологических фаз селекционных линий кукурузы (УНЦ Башкирского ГАУ, 2019 г.)

2.1.2 Фитометрические показатели растений

Густота стояний растений на дату учета урожайности селекционных линий практически не отличалась между собой и составила в среднем 4.57 шт. на 1 погонный метр или 65,3 тыс. шт. /га.

Высота растений в конце вегетации (3 октября) колебалась от 115 см до 215 см (таблица 6). Гибриды отличались по мощности развития листового аппарата.

Таблица 6 – Высота растений селекционных линий кукурузы (на 03.10, УНЦ Башкирского ГАУ, 2019 г.)

Высота расположения початков (место прикрепления ножки початка) колебалась от 20 см (№1) до 75 см (№42) (таблица 7). Между высотой растения кукурузы и высотой расположения початка и в этом году наблюдается корреляция в сильной степени. В 2019 г. наблюдалось длинные ножки початков (20-30 см) многих селекционных линий. В этом году початки также ряд линий повреждались совкой (рисунок 5).

Таблица 7 – Высота расположения и длина ножки початка селекционных линий кукурузы (УНЦ Башкирского ГАУ, 03.10.2019)

Рисунок 5 Поврежденность початков совкой

2.1.3 Урожайность надземной массы и зерна

Надземная масса растений гибридов кукурузы с гектара посева была разная и колебалась от 81,9 (№1) до 435,8 ц/га (№ 58) (таблица 8).

Влажность зерна к моменту учета урожайности (03 октября) составила 33.3 (№3)-58,3% (№43). Урожайность зерна кукурузы (в пересчете на 14% влажность) формировалась разная – от 27.5 (линия №1) до 81,2 ц/га (линия №42) (таблица 8).

Таблица 8 – Урожайность надземной массы и зерна гибридов кукурузы

(УНЦ Башкирский ГАУ, на 03.10.2019 г.)

Рисунок 6 Учет урожайности селекционных линий кукурузы

Зерно селекционных линий заметно отличаются по содержанию белка. Наименьшее содержании е белка (меньше 6,5%) было в зерне линий №7, 9, 25, 37, 45, 58, 60, наибольшее (больше 9%) – 3, 11, 15, 18, 19, 24, 33, 39, 52 (таблица 9).

Таблица 9– Содержание белка и крахмала в зерне селекционных линий (УНЦ БГАУ, 2019 г.)

2.2 Формирование урожая и качество зерна гибридов кукурузы

Посев гибридов был проведен 14 мая. Всходы всех гибридов появились одновременно на 10 день после посева 24 мая. Существенной разницы во времени появления всходов между гибридами не наблюдалось.

Таблица 10 – Время наступления фенологических фаз (посев 14 мая, Учебно-научный центр Башкирский ГАУ, 2019 г.)

Густота стояний растений в период учета урожайности гибридов практически не отличалась и составила в среднем 6,7 шт. на м² или 67 тыс. шт. /га.

Надземная масса растений гибридов кукурузы (естественная влажность, на 10 сентября) колебалась от 503 г (Машук 140) до 889,6 г (Байкал). Высота растений от 175 см (К 140) до 260 см (Машук 220). Высота растений и их надземная закономерно повышаются с раннеспелых к среднеспелым гибридам (таблица 11).

Таблица 11 – Высота и масса растений гибридов кукурузы

(Учебно-научный центр Башкирский ГАУ, 10.09.2019 г.)

Надземная масса растений гибридов кукурузы с гектара посева была разная и колебалась от 33,7 до 59,6 т/га. Раннеспелые гибриды имели меньшею надземную массу, чем среднеспелые (таблица 12).

Влажность зерна к моменту учета урожайности (10 сентября) составила 25-59,3 %. Зерно у раннеспелых гибридов была ниже (24-29%), чем среднеранних (29-35 %) и среднеспелых (35-59%). Урожайность зерна кукурузы (в пересчете на влажность 14%) в среднеблагоприятных условиях 2019 г. на территории южной лесостепи Республики Башкортостан формировалась сравнительно высокая (4,43-6,76 т/га).

Таблица 12 – Урожайность надземной массы и зерна гибридов кукурузы (Учебно-научный центр Башкирский ГАУ, 10.09.2019 г.)

2.3 Характеристика гибрида Шихан

Гибрид Шихан. Оригинатор: ФГБОУ ВО Башкирский государственный аграрный университет и ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт кукурузы.

Раннеспелый (ФАО 170), трёхлинейный гибрид универсального направления использования. Холодостойкий гибрид, с хорошим начальным развитием. Рекомендован для возделывания по интенсивной технологии на зерно и силоса с содержанием зерна восковой спелости в регионах с ограниченным периодом вегетации.

Его главное преимущество – засухоустойчивость, высокая урожайность, быстрая отдача влаги зерном при созревании. Гибрид ремонтантный, созревает на зелёном стебле, даёт высокий урожай зерна. Устойчив к ломкости стебля ниже початка во время вегетации пузырчатой головне, стеблевым гнилям и ломкости стебля, среднеустойчив к пыльной головне и фузариозу початков.

Устойчив к прикорневому полеганию, к поражению стеблевым гнилям, пыльной и пузырчатой головни, а также к повреждению кукурузным стеблевым мотыльком.

Оптимальная густота стояния растений на 1 га на зерно и силос 80 тыс.

В 2019 году в условиях Уфимского района УНЦ БГАУ в урожайность зеленой массы 55,7 т/га, урожайность зерна 5,12 т/га.

В Условиях Татышлинского района в СПК «Агро Танып» 55,67 т/ га зеленой массы и 4,64 т/ га зерна

Морфологическое описание: Высота растений 225-230 см, прикрепления початка – 70-75 см. Початок слабоконической формы, длиной 19-20 см. Стержень початка без антоциановой окраски. Количество рядов зёрен – 14-16. Масса 1000 зёрен – 300 г.

Товарное зерно промежуточное. Окраска зерна жёлто-оранжевая. Семена гибрида зубовидные, жёлтые. В зерне содержится 8,32% протеина, 69,01% крахмала, 2,09% сахара, 4,75% жира, 1,56% клетчатки, 1,09% золы.

Текущий статус. С 2016 г. по 2019 г. ведутся все необходимые селекционные работы по созданию гибрида. В 2019 г. – сорт окончательно одобрен госсорткомиссией, получил разрешение на конкурсное испытание (проходит конкурсное испытание).

Рисунок 7 Посев гибрида кукурузы Шихан

Рисунок 8 Початок кукурузы гибрида Шихан на 10. 09. 2019 г.

(УНЦ БГАУ)

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ФОРМИРОВАНИЕ УРОЖАЯ ГИБРИДА КУКУРУЗЫ ШИХАН ПРИ ПРИМЕНЕНИИ НОВЫХ ФОРМ УДОБРЕНИЙ

3.1 Эффективность новых форм удобрений на кукурузе

Гибрид кукурузы Шихан устойчивый к болезням, но в опытах проявилось поражение и развитие болезней на растениях. С увеличением дозы препарата снижается пораженность болезнями за счет обеспечения растений микроэлементами.

Таблица 13. Поражение болезнями растений кукурузы

По анализам структуры урожая кукурузы можно выявить закономерность – с повышение дозы препарата ЭКСТРА-ХЕЛАТ марка Zn: до 0,8 л/га повышается продуктивность и при дальнейшем увеличении дозы снижается продуктивность семян, наибольшая урожайность зерна и зеленой массы формировалась при применении ЭКСТРА-ХЕЛАТ марка Zn: в дозе 0,8 л/га и составила 6,79 т/га и 42,9 т/га.

При применении агрохимиката увеличивается количество початков в растении и высота растений.

При применении биологической защиты растений выход кондиционных семян выше, чем при применении химических средств. Повышается энергия произрастания и всхожесть семян на 2-3 %.

Таблица 14 — Урожайность зерна кукурузы (гибрид Шихан)

Таблица 15 — Структура урожая и качество зерна кукурузы, гибрид Шихан

Таблица 16 Посевные качества семян кукурузы при применении ЭКСТРА-ХЕЛАТ марка Zn ( гибрид Шихан)

Применение ЭКСТРА-ХЕЛАТ марка Zn: повышается продуктивность растений кукурузы и качества зерна. Полевые испытания показали, что в условиях южной лесостепной зоны Республики Башкортостан некорневая подкормка кукурузы ЭКСТРА-ХЕЛАТ марка Zn: — в фазе 6-7 листьев в дозе – 0,8 л/га соответственно по совокупности показателей (за счет массы 1000 семян и массы семян с початка) позволяет рекомендовать испытуемый препарат, как агрохимикат для повышения урожайности и качества зерна кукурузы.

3.2 Влияние регуляторов роста на урожайность зерна кукурузы

По анализам структуры урожая кукурузы гибрида Шихан можно сделать выводы при применении регуляторов роста повышается продуктивность растений и тем самым выход семян, наибольшая урожайность зерна формировалась при применении Эпин экстра и составила 4,77 т/га зерна.

При применении регуляторов роста увеличивается количество початков в растении и высота растений.

При применение регуляторов растений выход кондиционных семян выше, чем без применения средств. Повышается энергия произрастания и всхожесть семян на 2-3 %.

Таблица 17 Урожайность кукурузы, гибрид Шихан

Таблица 18 – Структура урожая и качество зерна кукурузы, гибрид Шихан

Таблица 19 Посевные качества семян при применении регуляторов роста , гибрид Шихан