Разработка методики улучшения тягово-скоростных показателей сельскохозяйственных тракторов на режиме перегрузок путем форсирования дизелей обогащением воздушного заряда

Размещено на http://www.allbest.ru//

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО

«БЕЛГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ им. В. Я. ГОРИНА»

ОТЧЕТ

О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

«Разработка методики улучшения тягово-скоростных показателей сельскохозяйственных тракторов на режиме перегрузок путем форсирования дизелей обогащением воздушного заряда»

Начальник НИЧ

Ивченко А.Н.

Руководитель темы

доцент, к. т. н.

Бондарев А.В.

п. Майский - 2013



Введение

тяговый скоростной дизель заряд

Современные тенденции в развитии сельскохозяйственной техники направленны на эффективное использование мобильных энергетических средств (MTA) с мощными тракторами.

Тем не менее, эффективная и продуктивная работа трактора в существующих условиях зависит от различных факторов (операционных, климатических, структурных и др.), совокупное действие которых в большой степени влияет на режимы эксплуатации тракторного двигателя. В частности, это негативно влияет на реализацию мощности установленного двигателя, который определяется оптимальным сочетанием тяги и скорости машины, управляемой оператором.

Результаты исследований [1] говорят о том, что тракторные двигателя до 90% времени работают на переменных режимах моментов сопротивления. На основных сельскохозяйственных работах (пахота, чизелевание, культивация, боронование и др.), тяговое сопротивление трактора может значительно возрастать [2]. Это приводит к тому, что значение крутящего момента превышает номинальное (двигатель работает с перегрузкой), срабатывает корректор частоты вращения, который увеличивает подачу топлива на 15-20% относительно номинальной перемещением рейки топливного насоса высокого давления. Тем не менее, при дальнейшем увеличении внешнего сопротивления двигателя могут возникнуть кратковременные перегрузки, преодолеть их на корректорном режиме невозможно.

При работе дизеля с перегрузкой возрастает температура в камере сгорания, что усиливает нагрузку на цилиндропоршневую группу, вызывает повышенную дымность выхлопных газов и, как следствие, нестабильный ход рабочего процесса.

При переключении передачи на более низкую часто можно преодолеть эти кратковременные перегрузки. Однако пониженная передача не только приводит к увеличению расхода топлива, но и снижает рабочую скорость МТА, что приводит к снижению производительности.

Существующие способы повышения тягово-скоростных характеристик трактора при перегрузке дороги, требуют конструктивных изменений в двигателе, трансмиссии и ходовой части трактора, часто трудно осуществимы, и не всегда результативны на практике

Форсирование дизеля за счет повышения эффективного давления в камере сгорания, увеличением номинальной частоты вращения, ростом степени сжатия, повышения наполняемости цилиндров (применение интеркуллеров и наддува).

Снижение буксования МТА (особо актуально для колесных тракторов) - использование сдвоенных, а иногда и строенных шин, арочных колес, переоборудование на полугусеничный ход, применение дополнительной оси, балластирование.

Мероприятия, связанные с улучшением условий работы МТА - выравнивание полей, удаления препятствий на пути движения машины, наем высококлассных операторов, «чувствующих» агрегат.

Эффективным способом улучшения тяговых и скоростных показателей MTA является способ обогащения наддувочного воздуха углеводородным активатором (с низким и высокооктановый бензин, керосин, дизельное топливо, спирт, минеральное, растительное масло и др.), который состоит в введении дозы активатора (при 10…30% от стандартной дозы дизельного топлива) в впускной коллектор и при впуске обогащает воздушный заряд [3, 4, 5].

Цель и задачи исследований

Цель проекта - повысить производительность и эффективность работы машинотракторного агрегата на режиме перегрузок путем форсирования дизеля введением активаторов воздушного заряда.

Задачи исследования:

1. Провести исследования методов и средств повышения тягово-скоростных показателей сельскохозяйственных тракторов в составе МТА;

2. Установить степень влияния физических свойств смесевого топлива на параметры топливоподачи дизеля;

3. Разработать методику применения активаторов при работе МТА на режиме перегрузок.

Методика проведения исследований

1. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Оценка методов и средств повышения тягово-скоростных показателей сельскохозяйственных тракторов в составе машинотракторного агрегата.

1.2. Определение степени влияния физических свойств смесевого топлива на параметры топливоподачи дизельного двигателя.

1.3. Разработка методики применения активаторов при работе машинотракторного агрегата на режиме перегрузок.

Производственная апробация и внедрение

Производственная апробация и внедрение будут проведены в дальнейшем, после разработки конструктивной схемы обогатителя и устройства управления.

Ожидаемые результаты

Проведенное исследование позволит повысить тяговое усилие Ркр до 10 %, рабочую скорость до 3,5 % при незначительном увеличении погектарного расхода топлива.

Технико-экономическая эффективность

Разработка методики позволит снизить расход топлива и повысить топливную экономичность агрегата, улучшение условий труда.



1. Анализ литературных источников

1.1 Анализ режимов эксплуатации сельскохозяйственных тракторов

Особенностью функционирования машинно-тракторных агрегатов в сельском хозяйстве является многообразие режимов работы установленных на них двигателей. Соответственно, изменение таких показателей машинотракторных агрегатов, как мощность, крутящий момент, расход топлива, прямо или косвенно зависимо от изменений в факторах, которые формируют условия эксплуатации техники: почвенно-климатические условия, время года, вид работ, принятая технология производства, и т.д. Тем не менее, можно выделить основные факторы, влияющие на работу в определенных условиях: момент сопротивления (MC) и технические характеристики дизеля трактора, который является частью MTA.

Все режимы работы двигателей тракторов можно разделить на два вида:

* установившийся режим - это такой режим, при котором основные параметры работы двигателя (частота вращения коленчатого вала n, положение рейки топливного насоса высокого давления, крутящий момент эффективный Мe) остаются постоянными с течением времени;

* переходный режим - это такой режим, при которых параметры двигателя (один или более) меняются с течением времени [6, 7, 8].

Установившиеся режимы можно охарактеризовать равенством двух моментов - эффективного крутящего момента (Me) и момента сопротивления (MC). Нестационарные (переходные) режимы обычно происходят, когда двигатель одного стационарного состояния в другое, то есть в ходе переходных процессов (например, ускорении и росте нагрузки на мотор).

При эксплуатации сельскохозяйственных машин стационарные режимы редки, так как момент сопротивления постоянно меняется, вызывая колебания скорости, нагрузки и теплового состояния дизеля, и, значит, приводит к нарушению стабильного состояния [7, 9].

Это связано с постоянно меняющимися условиями работы тракторов в составе агрегата и постоянным воздействием на органы управления оператором. Известно, что частота включений основных механизмов тракторов зависит от запаса крутящего момента.

Переходный характер нагрузки, получаемый в результате постоянного её изменения приводит к снижению экономичности и мощности двигателя трактора. Смена режима работы двигателя на разгон ведет к росту эффективного расхода топлива и снижению крутящего момента и эффективной мощности [10], а также в значительной мере влияет на изменение скорости вращения двигателя, что приводит к её неравномерности [11].

Стоит отметить, что от дизеля, работающего с неравномерной нагрузкой невозможно снять мощность, равную паспортной максимальной при стабильной нагрузке. Причина в том, что увеличение численного значения колеблющегося момента сопротивления до нижнего предела номинального крутящего момента с учетом коэффициента отклонения 3 заставит дизель частично работать с перегрузкой. К тому же, это приведет к изменению характеристик крутящего момента и мощности, определенных на номинальном режиме. Исследованиями установлено [12, 13, 14], что изменения неравномерности момента сопротивления для пропашного агрегата согласуются с нормальным законом распределения.

Негативное воздействие изменчивого характера внешней нагрузки на эксплуатационные характеристики двигателя трактора описаны в трудах академика Болтинского В.Н. [15, 16].

Для организации стабильности режима работы двигателя в условиях постоянно изменяющейся нагрузки, необходимо при неизменности частоты вращения двигателя сохранить равенство крутящего момента и момента сил сопротивления. [17]

Стабильность работы двигателя оценивают коэффициентом приспособляемости, который рассчитывается по формуле:

где - максимальный крутящий момент, Н*м;

- номинальный крутящий момент, Н*м;

, - средние эффективные давления в соответствующих режимах, МПа.

Для дизельных двигателей российского производства коэффициент приспособляемости равен К = 1,05-1,15 [17, 18, 19, 20], при этом более низкие значения коэффициента приспособляемости соответствуют двигателям с наддувом.

Рассматриваемый параметр можно увеличить несколькими способами. Среди них можно выделить коррекцию топливо- и воздухоподачи в зависимости от числа оборотов двигателя.

В работе [21] сказано, что использование двигателей с высокой приспособляемостью в тяжелых автомобилях повышает среднюю скорость и снижает расход топлива на 10-20%, на тракторах различных типов - повышение производительности и эффективности использования топлива не менее 5-8%, а по бульдозерам - на 10-15%.

Регулировка мощности двигателя при заданной скорости режим может быть выполнена вручную оператором или регулятором частоты вращения (РЧВ) коленчатого вала двигателя, перемещающим в зависимости от нагрузки, а следовательно и роста или падения частоты вращения коленчатого вала, рейку топливного насоса высокого давления, увеличивая или уменьшая подачу топлива. В этом случае расход топлива и эффективность дизельного двигателя в переходных режимах в значительной мере зависит от системы питания двигателя, свойств дизельного топлива, топливной системы, аппарата регулировки. Так, дизельные двигатели российских сельскохозяйственных машин в основном оборудованы механическими (центробежными) регуляторами частоты вращения коленчатого вала с корректором прямого действия [7].

В эксплуатационных условиях, скорость реакции регулятора частоты вращения можно определить по времени от начала возрастания нагрузки до окончания движения рейки ТНВД. Когда обороты двигателя коленчатого вала дизеля снижаются, время реакции регулятора коленчатого существенно увеличивается (до 5 сек), поэтому происходит ухудшение качества регулирования режимов работы двигателя. Это приводит к неустойчивой работе дизеля при выполнении операций обработки на режиме, близком к максимальному крутящему моменту [1, 2].

Режим максимального режима крутящего момента (перегрузка) происходит во время работы машинотракторного агрегата в случае резкого увеличения внешних нагрузок, в следствие чего крутящий момент дизельного двигателя достигает значения, превышающего номинальное. При этом срабатывает корректор регулятора частоты вращения, который повышает цикловую подачу топлива на 10-15% по сравнению с номинальным. Увеличение подачи осуществляется за счет дополнительного движения рейки ТНВД в сторону увеличения подачи топлива. Тем не менее, дальнейшее увеличение внешних нагрузок приводит к кратковременным перегрузки, не преодолеваемым на корректорной ветви.

При работе в режиме перегрузки, которая сопутствуется ростом нагрузки (увеличение момента сопротивления до превышения номинального), перемещение дозатора топливного насоса будет иметь такой же характер, как и до перегрузки, колебания цикловой подачи топлива будут определены статическими и динамическими характеристиками регулятора частоты вращения, а также настройками топливного насоса.

Двигатель в этом случае работает на переходном режиме, начало которого характризуется резким снижением скорости вращения коленчатого вала. Отмечается заметное снижение времени впрыска по ходу движения коленчатого вала и периода опережения подачи топлива по сравнению со стационарным режимом (максимальное смещение 10 и 33% соответственно) . Процесс горения топлива смещается к линии расширения, что вызывает уменьшение максимальной скорости нарастания давления (жесткой работе двигателя) и повышением максимального давления цикла. Всё это вызывает ухудшение индикаторных показателей рабочего процесса.

Существует определенный период задержки срабатывания регулятора частоты вращения коленчатого вала с момента увеличением нагрузки (резкого роста момента сопротивления) до начала увеличения подачи топлива, что определяется характеристиками регулятора. После срабатывания, с ростом цикловой подачи, коэффициент избытка воздуха резко падает до минимальных значений. Температура выхлопных газов во время перехода, немного больше значений, характерных для номинального режима работы двигателя, повышается дымность. Низкие значения коэффициента избытка воздуха в первой половине второго этапа переходного процесса, а также нарушение подачи топлива влияниют на ход рабочего процесса и приводят к снижению эффективных и индикаторных показателей. В начале второго этапа существует значительный (35%) рост "жесткости" рабочего процесса. Максимальное давление в цилиндре на протяжении всего времени переходного процесса немного ниже значений, свойственных для стационарных режимов.

В работах [1, 2] показано, что работа в режиме перегрузки, относящимся к категории неустановившихся режимов, ведет к неустойчивой работе двигателя (особенно систем подачи воздуха и топлива), нарушению теплового режима, повышенному дымлению. Эффективные характеристики и топливная экономичность дизельного двигателя в этих случаях падают.

Указанные побочные эффекты, которые свойственны для режима перегрузки, происходят поскольку слаженная работа всех систем двигателя (питания, охлаждения, газораспределения и т.д.) может быть определена только на одном режиме - как правило, номинальными.

В связи с этим изучение параметров работы сельскохозяйственных техники актуально, поскольку они обусловливают качество выполнения сельскохозяйственных операций машинотракторным агрегатом [6], влияют на количество и качество (экологичность) выбросов выхлопных газов в окружающую среду, скорость выполнения технологических операций, обеспечивают более низкий уровень шума и вибрации.

Как показано выше, особенностью функционирования дизельных двигателей тракторов сельскохозяйственного назначения является переходный вид изменений в нагрузке и скорости движения, а при работе трактора до 80 % от всего времени смены проводится с нагрузкой близкой к номинальной, 9-13% - на холостом ходу, до 4-7% - в режиме малых нагрузок до 3-8% - на режиме перегрузки. Особый интерес представляет малоизученный режим перегрузки, поскольку в этом случае происходит ухудшение условий работы двигателя, оказывающее негативное влияние на многие показатели работы машинотракторного агрегата. Методы и средства для улучшения тягового усилия, скорости и производительности трактора на режиме перегрузки не всегда эффективны, и требуют поиска других путей решения указанной проблемы.

1.2 Способы повышения тягово-скоростных показателей сельскохозяйственных тракторов

Высокопроизводительная работа машинотракторных агрегатов в условиях эксплуатации определяется уровнем использования мощности двигателя трактора. В ходе выполнения машинотракторным агрегатом энергоемких сельскохозяйственных операций (культивация, пахота, чизелевание, дискование и пр.) на коленчатый вал двигателя передаются непрерывные изменения внешнего момента сопротивления, приводя к изменению скорости движения агрегата и частоты вращения коленчатого вала двигателя. [2]

При увеличении внешнего сопротивления движению МТА происходит рост момента сопротивления коленчатого вала, в результате чего крутящий момент дизельного двигателя достигает значения, больше номинального. Так как срабатывает центробежный регулятор частоты вращения, подача топлива увеличивается в среднем на 10-15% по сравнению с номинальной, посредством перемещения рейки ТНВД. Тем не менее, при дальнейшем увеличении внешнего сопротивления могут возникнуть кратковременные перегрузки двигателя, преодолеть их выше описанным способом невозможно. В таком режиме дизельный двигатель нестабилен и может остановиться.

При переключении на более низкую передачу машинотракторный агрегат часто может преодолеть эти кратковременные перегрузки, отрицательно влияющих на ход рабочего процесса. Однако переход на более низкую передачу влечет повышенный расход топлива, снижению скорости, что приводит к снижению производительности МТА.

Для того, чтобы повысить производительность машинотракторного агрегата и преодолеть краткосрочные перегрузки необходимо улучшать мощностные и экономические показатели сельскохозяйственных тракторов. Уже сейчас имеются несколько методов и средств для улучшения тягового усилия и скорости работы сельскохозяйственных тракторов (рисунок 1.1).

Разработаны предложения для структурных изменений в основных системах и механизмах двигателя для улучшения тяговых и скоростных характеристик сельскохозяйственных тракторов за счет регулирования и подбора оптимальных параметров узлов и систем двигателя, позволяя дизелю адаптироваться к изменчивым условиям эксплуатации.

Исследования [17] переходных процессов дизельных двигателей типа 6 ЧН 15/18 (ЦНИДИ), выявили, что регулировка проходного сечения соплового аппарата турбины совместно с коррекцией топливоподачи позволяет довести коэффициент приспособляемости до 2, уменьшить время переходных процессов до 30%, а также обеспечивают надлежащего качества подачу топлива в дизельном двигателе.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рисунок 1.1 - Методы и средства повышения тягово-скоростных показателей МТА

Размещено на http://www.allbest.ru//

Известна система [22] автоматического управления подачей топлива, созданная в МВТУ им. Баумана, обеспечивающая автоматическую установку начального давления топлива и коррекцию топливоподачи по давлеию наддува. Использование разработки на дизельных двигателях ЯМЗ-238 снизило содержание NOx на 25-30%, при повышении экономичности до 3% во всех устойчивых режимах эксплуатации, позволило уменьшить время набора оборотов двигателя под нагрузкой на 60%.

Увеличение адаптивности двигателя путем коррекции подачи топлива и воздуха приводит к увеличению крутящего момента дизельного двигателя на низких вращения коленчатого вала. В качестве примера можно взять двигатель постоянной мощности. Авторы трудов [21] говорят о том, что использование двигателей с высокой адаптивностью на тяжелых транспортных средствах повышает среднюю скорость и снижает расход топлива на 10-20%, на тракторах различных типов - повышение производительности и эффективности использования топлива составляет не менее 5-8%, а по бульдозерам - на 10-15%.

Исследования [3] осуществленные в НАТИ на тракторах ДТ-75MП с дизельными двигателями постоянной мощности показывают, что рост коэффициента запаса крутящего момента с 10 до 44% может увеличить тяговый коэффициент полезного действия на 6 - 9%, производительность трактора на операции «вспашка» - 8-10%, при выполнении транспортных работ - 4%.

В работе [23] описан опыт по дефорсированию дизельного двигателя трактора MT3-80Л, за счет перенастройки двигателя Д-240Л в мотор постоянной мощности путем регулировки топливного насоса высокого давления и перебора пружин всережимного регулятора. Установлено, что по сравнению с базовой моделью, опытная обеспечивает на 7,6…10,6% большую производительность на вспашке. В то же время отмечено падение дымности и крутильных вибраций коленчатого вала.

В трудах [24] предоставлены рекомендации по повышению адаптивности тракторов Т-6СЗ15, оснащенных двигателями постоянной мощности, позволяющие выбрать рациональный скоростной режим при проведении различных операций.

Повышение сцепных свойств колесных тракторов позволяет выполнять операции тракторами с максимальной отдачей, реализовывая заложенный конструкторами потенциал.

Проведенные исследования [25] по сравнению тяговых характеристик базового трактора МТЗ-82 и трактора МТЗ-82 со сдвоенными шинами задних колес показывают, что буксование опытного трактора упало с 26,1% до 10,3%, а тяговое усилие увеличилось на 9,2% по сравнению с базовым. Скорость движения под нагрузкой в поле во всем диапазоне передач выросла на 26…28%. Исследования установили, что общая экономия энергозатарат достигала 88,1 МДж/га, особенно велика она была при работе с боронами, культиватором, дисками и катками.

Интересные результаты были достигнуты при исследованиях параметров работы трактора РТ-М-160 со сдвоенными колесами [26]. Так на вспаханном поле сила тяги возросла с 21 до 34 кН при буксовании 15%, на стерне - с 26 до 37 кН, уплотнение почвы снизилось до показателей гусеничных тракторов. Это позволяет данному трактору выполнять все необходимые сельскохозяйственные полевые работы. Испытания в эксплуатационном режиме показали, что наряду с ростом производительности на 8…10% наблюдался повышение расхода топлива на 7…12%

Оснащение трактора ЛТЗ-155 [27] сдвоенными колесами повышает силу тяги на крюке на 7…15 %, что соответствует уже плугу ПЛН-5-35 вместо ПЛН-4-35. Рост производительности составляет 0,203 га/ч.

В настоящее время, к сожалению, редко применяется один из наиболее интересных и перспективных способов - гидроувеличесние сцепного веса. В этом случае с навесных машин часть веса переносится на трактор через систему навески. Увеличение нагрузки, приходящейся на задние колеса тягача, может достигать 11…37%, сила тяги - на 8…28% [28], но при этом нельзя забывать о возможной разгрузке передних (управляемых) колес.

Работа [29] по исследованию влияния сцепного машинотракторного агрегата на тяговые характеристики МТЗ-82 + 2ПТС-4 была выполнена с использованием автоматического управления сцепным весом трактора, который посредством гидроувеличителя загружает задние колеса трактора весом прицепа. Для этого на дышле прицепа был установлен дополнительный силовой гидроцилиндр (между передней осью прицепа и тягово-сцепным устройством).

Исследования показывают, что применение на транспортных операциях корректирующих вес устройств скорость автопоезда выросла на 9,3…20,1%, производительность - до 19,9%, экономичность повысилась на 6,5…6,8% по отношению с серийным тракторо-транспортным агрегатом.

Известен способ улучшения тяговых характеристик агрегата посредством упругого сочленения тракторов и сельскохозяйственных машин. Ученые из Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии [30] создали математическую модель изменения усилия на крюке при случайном нагружении, подтвердившую существенное снижение динамических составляющих момента сопротивления на крюке.

Одним из эффективных методов повышения тягового усилия и скорости исполнения работ является оптимальное комплектование машинотракторного агрегата. Исследования [31] пахотных агрегатов в составе тракторов Т-150К и XT3-16131 (мощность двигателя 132 и 121 киловатт) и плуга ПH-5-35, говорят о том, что при одинаковой производительности более мощный трактор имеет совокупные затраты больше на 9,4% и более низкий КПД (на 10,3%).

Работы по рациональному выбору машинотракторного агрегата [32] показывают, что трактор Т-150, при эксплуатации в четырехсеялочном агрегате вместо трехсеялочного и снижении рабочей скорости с 10 км/ч на до 7 км/ч позволяет увеличить урожайность 20,16 т/га до 21,76 т/га.

Краеугольным камнем в эффективности работы машинотракторного агрегата и повышении эффективности использования мощности является используемый тип трансмиссии трактора.

В настоящее время практически все отечественные (Агромаш 30ТК, Агромаш-50ТК, Агромаш-85ТК, МТЗ-82, МТЗ-826, ЛТЗ-55, ЛТЗ-60 и т.д.) и некоторые импортные тракторы средней и малой мощности оснащаются механическими ступенчатыми трансмиссиями. Указанный вид трансмиссии подразумевает наличие ступенчатой коробки передач, но разрыв в потоке передаваемой энергии больше, чем 0,5 с приводит к ухудшению показателей работы трактора. Использование гидромеханических передач устраняет этот недостаток, а также позволяет значительно повысить производительность машинотракторного агрегата

Подавляющее большинство тракторов импортного производства оснащаются гидромеханическими трансмиссиями. В качестве примера можно указать тракторы «Xylon» компании «Fendt», «Fastrac» английской фирмы «JCB» и некоторые другие.

Муфты сцепления в этой схеме трансмиссии выполняют в различных видах. Так, это может быть традиционная сухая дисковая муфта (компания «JCB») или мокрые многодисковые (компания «Doppstadt»), в том числе с гидравлическим управлением Производитель Fendt изготавливает муфту сцепления в виде гидромуфты, не подверженных износу в процессе нормальной эксплуатации, к тому здесь имеется гидравлическая связь между дизельным двигателем и трансмиссией.

Практически все иностранные производители оснащают свои тракторы синхронизированными коробками передач, оснащенными реверсом и ходоуменьшителем. Фирма Fendt имеет в своем арсенале инновационную трансмиссию с 6 синхронизированными передачами и четырьмя передачами с возможностью переключения под нагрузкой [33].

В настоящее время наблюдается устойчивый тренд использования вместо механических, гидродинамических, гидростатических трансмиссий нового поколения передач - электромеханической трансмиссии. Сначала это затронуло самые энергоемкие энергетические средства - бульдозеры, тракторы, сельскохозяйственные машины, гусеничные машины для гражданских и военных целей. С быстрым развитием электрических машин, энергетической и управляющей электроники, использование электропривода становится выгодно экономически и технически. Концерн «РУСЭЛПРОМ» производит набор электрического тягового оборудования, состоящий из асинхронного двигателя-генератора (МГ) с преобразователем питания и микропроцессорной системой управления, асинхронным приводом (TAD), центрального привода с силовым преобразователем микропроцессором для управления системой, управляющего трансформатора постоянного тока для питания вспомогательного оборудования, встроенного в блок электроники (BST), преобразователь питания для MГ и TAD, блока управления -контроллер верхнего уровня (КВУ) с панелью управления и индикаторов на панели приборов.

Использование преобразования видов энергии позволяет иметь широкий диапазон плавного изменения скорости работы, повышает эффективность устройства, оптимизирует скорости выполнения работы, ведет к снижению расхода топлива за счет использования дизельного двигателя в стационарном экономичном режиме, увеличивает срок службы двигателя из-за отсутствия жесткого соединения с трансмиссией (динамическая нагрузка с колес не передаются на двигатель).

Оригинальную конструкцию предложили инженеры Deutz-Fahr. Автоматические трансмиссии, используемые в некоторых тракторах данной фирмы, имеют возможность не просто установки определенного режима работы (ECO - экономичный или POWER - максимальна мощность), но и настраивать передачу. МТА можно сразу вывести на максимальную скорость, выше которой автоматика не будет включать передачи. [30]

Таким образом, вид трансмиссии зависит от полноты использования мощности двигателя, установленного на тягаче машинотракторного агрегата.

Известно, что оптимальными параметры двигателя (мощность и расход топлива) становятся при его загрузке на 85-90% от номинальной. Этим объясняется интерес ученых к разработке и совершенствованию методов контроля и оценки степени загрузки двигателя, которые позволяют оценить нагрузку на двигатель и дает возможность, путем рационального подбора передач, поддерживать загрузку на требуемом уровне. Известно, что понижение нагрузки в большой степени увеличивает удельный расход топлива и уменьшает производительность МТА. [30]

В настоящее время принцип работы устройств для мониторинга и оценки всей нагрузки на двигатель основан на оценке параметров регулятора частоты вращения коленчатого вала, поскольку именно регулятор является тем устройством, которое в автоматическом режиме регулирует подачу топлива в соответствии с изменениями внешнего сопротивления при работе МТА.

Иностранные двигатели, в основной массе, оснащены системой управления на основе микроконтроллера, электронно управляемым впрыском топлива, что дает возможность снизить расход топлива и повысить экологичность работы мотора. Для этого на двигатель устанавливают более 20 различных датчиков. Более того, в новых моделях тракторов оператор управляет двигателем опосредованно, он задает лишь скорость и направление движения агрегата, а режим работы определяет микрокомпьютер [34].

Форсирование двигателя состоит в увеличении мощности свыше номинальной и может быть организовано посредством различных способов, связанных с повышением интенсивности рабочих процессов, протекающих в двигателе.

Анализ литературы [35] показал, что можно выделить несколько способов форсирования двигателя:

а) увеличение количества цилиндров двигателя и его рабочего объема;

б) реализация двухтактного цикла (уменьшение тактности);

в) повышение степени сжатия, что обеспечивает большую эффективность индикаторного коэффициента полезного действия;

г) снижение коэффициента избытка воздуха (обогащение свежего заряда воздуха);

д) увеличение скорости вращения коленчатого вала двигателя;

е) использование импульсконого наддува.

Проведем анализ описанных способов с целью выбора наиболее эффективного.

Увеличение числа цилиндров, при сохранении рабочего хода и диаметра цилиндра, увеличение рабочего объема двигателя, повышение скорости вращения коленвала, уменьшение количества тактов (с четырех до двух) влечет за собой изменение конструкции мотора, его массогабаритных характеристик. Это приведет к изменению таких основных деталей, как коленчатый вал, детали газораспределительного механизма. Увеличение степени сжатия в дизельных двигателях (обычно выбирают на основе условий гарантированного запуска двигателя и допускаемой нагрузки на детали мотора), как показано в работах [35], не увеличивает удельную мощность и иногда даже приводит к её снижению, ввиду падения механического коэффициента полезного действия.

Основным недостатком использования наддува становится потеря мощности на привод компрессора или турбокомпрессора. При работе дизельный двигатель эксплуатируется в различных условиях, в связи с этим задержка времени разгона турбины от двигателя в значительной мере ухудшает показатели мотора. Дизельные двигатели с турбонаддувом более вибронагружены, работают с большой тепловой нагрузкой и имеют меньший коэффициент адаптации. С другой стороны, применение регулируемых турбокомпрессоров в сочетании с электронным управлением двигателем, позволяет значительно повысить коэффициент приспособляемости.

Большое влияние на эксплуатационные показатели сельскохозяйственных тракторов оказывает планомерное проведение работ, связанных с улучшением условий работы MTA.

Результативным способом повышения мощности дизельных двигателей и преодоления перегрузок машинотракторного агрегата стал способ обогащения всасываемого воздуха активатором, чаще всего углеводородным (см. Приложение А). В роли активатора может выступать бензин, керосин, спирт, дизтопливо и др. [36]. Это позволяет в зависимости от конструкции приспособления и количества и типа активатора увеличить мощность двигателя на 35 %.

Первое исследование, связанное с обогащением воздушного заряда, было выполнено русскими военными инженерами по повышению мощности автотранспорта и танках. [35]

Работы, проведенные за рубежом [37] в середине прошлого века в Соединенных Штатах оценивали влияние физических и химических свойств активаторов на процесс горения. Активаторами в исследовании выступали различные углеводородные вещества в двух агрегатных состояниях - жидком и газообразном.

Результаты показали, что наилучший эффект получается при использовании легкоиспаряющихся и высококалорийных активаторов (эфир, цетан, гексан, дизтопливо).

В трудах [2] показано, что при обогащении наддувочного воздуха сжиженным нефтяным газом и бензином происходит повышение мощности двигателя при одновременном снижении дымности.

Исследования [3, 4, 5] показали, что использование бензина как активатора для обогащения наддувочного воздуха дизельного двигателя помогает приготовить рабочую смесь к самовоспламению, ускорить предварительные процессы в цилиндре двигателя, сократить период задержки воспламенения и снизить жесткость работы двигателя. При этом замечено уменьшение скорости увеличения давления максимальной температуры цикла. Фактически, снимаемая мощность увеличена на 30%, а удельный расход топлива упал на 6%.

Использование керосина как активатора для дизельного двигателя объясняется его свойствами - высокой испаряемостью [37] и калорийностью (43,1-43,9 МДж/кг), текучестью и низкотемпературными свойствами, малым смолообразованием и другими (антиизносные и диэлектрические, вязкостные и др.).

В 1930-х гг., исследования по форсированию дизельного двигателя керосином провел А. Д. Чаромский [38], для этого он применял дополнительную топливную систему, состоящую из двух ТНВД. Один из них был применен для подачи дизельного топлива, подаваемого в цилиндры двигателя, а второй насос - для впрыска керосина к двигателю через инжектор во впускного коллектор. Активатором являлась смесь керосина и газойля в различных соотношениях. Исследования показали, что введение этих смесей повышает номинальную мощность до 30% в зависимости от количества введенного активатора и уменьшает жесткость работы дизельного двигателя.

Исследования [39], по применению в качестве активатора авиационного керосина ТС-1, показывают, что при введении 10% дозы активатора номинальная мощность увеличивается на 5%, удельный расход топлива падает на 6%.

Интересно, что полученные результаты обеспечивались при заниженной на 10-30% от номинальной подачи топлива. В работе [40] показано влияние введение активатора при номинальной подаче топлива для преодоления перегрузок.

Применение в качестве активатора минерального дизельного топлива требует определённой осторожности и проведения дополнительных исследований. Так, в работе [40] показано, что при применении 30% дозы минерального дизельного топлива во впускной коллектор экономичность двигателя испортилась, стали прослушиваться детонационные стуки. Однако при дозировке 25% наблюдается повышение эффективной мощности более 11%.

Поскольку в настоящее время происходит уменьшение добычи нефти и повышение цен на дизельное топливо, стоит рассмотреть возможность использования альтернативных источников энергии в качестве частичной или полной замены минерального дизельного топлива.

В настоящее время актуальными являются топлива на базе растительного сырья, производимые из масел рапса, подсолнечника, хлопка, сафлора, арахиса и др. Они могут быть использованы в качестве моторного топлива в смеси с минеральным топливом либо после химической обработки (метанолиза), в ходе которого физико-химические свойства биотоплива приравниваются к свойствам традиционного дизельного топлива. Вот почему в европейских и части азиатских стран широко применяют биотопливо, полученное вышеописанным способом.

К основным преимуществам этих видов топлива относится возобновляемость, способность к биологическому разложению, улучшенные экологические свойства по моноксиду углерода и дыму в отработавших газах, по сравнению с традиционным дизельным топливом [41]. Тем не менее, имеются некоторые сложности по применению биотоплива из растительного масла в качестве моторного топлива, из-за них топливо нельзя использовать без значительных структурных изменений в двигателе.

Проведенные исследования [40] обогащения наддувочного воздуха активатором на базе растительного рапсового масла (подача 10, 17 и 36% от подачи топлива насосом высокого давления) показали, что увеличение дозы вводимого активатора приводит к уменьшению токсичности отработавших газов, росту расхода топлива, попаданию рапсового масла в картер мотора.

Также в качестве замены традиционного топлива применяют спирт (метанол, этанол, нормальный бутанол). Спирт интересен ввиду малой стоимости, экологичности отработавших газов, большими перспективами по производству.

У спиртов имеются некоторые особенности, не позволяющие применять как топливо без какой-либо обработки. Спирты имеют малую воспламеняемость, цетановое число. Поэтому использование низших одноатомных спиртов в чистом виде требует дополнительных технологических и конструктивных мер по обеспечению воспламенения спиртов в цилиндрах дизелей.

Высокая теплота испарения приводит к образованию паров в топливной системе, а также снижению температуры смеси. Смазочные свойства также находятся на низком уровне ввиду низкой вязкости, это приводит к образованию задиров и привариванию как плунжерной пары, так и распылителя форсунок. Низкая теплота сгорания приводит к росту расхода топлива более 2 раз по сравнению с традиционным дизельным топливом. Кроме того, спирты крайне коррозионоактивны [41].

Таким образом, лучше применять спирт как активатор, чем основное топливо для дизельного двигателя.

В работах [43] сказано, что добавление 15% метанола обеспечивает уменьшение дымности отработавших газов порядка 2 раз и содержание NOx на 65-75%.

Использование водорода как топлива и активатора трудно из-за его высокой диффузионной способности, высокой скорости горения и большого диапазона воспламеняемости, а также проблем, связанных с хранением (опасность пожара). При этом калорийность данного вида топлива ниже традиционных углеводородных топлив более 10 раз [43].



2. Теоретическое исследование показателей работы дизельных двигателей и тягово-скоростных показателей машинно-тракторного агрегата при перегрузке с форсированием двигателя

2.1 Постановка задачи

В ходе экспериментов установлено [1], что дизельные двигатели тракторов до 90 % времени работают с переменным сопротивлением на коленчатом валу. При работе МТА в поле (вспашка, боронование, посев, культуры и т. д.), тормозящий момент на коленчатом валу сильно увеличивается [2]. Как следствие, значение крутящего момента двигателя превышает номинальное (перегрузка), и дизель работает на корректорной ветке, с увеличением цикловой подачи на 15-20% относительно номинальной, осуществляемой за счет дополнительного движения рейки-дозатора ТНВД. Тем не менее, при дальнейшем увеличении внешнего тормозящего момента могут возникнуть краткосрочные перегрузки, непреодолимые указанным способом.

Эксплуатация ДВС с перегрузкой является причиной роста температуры в надпоршневом пространстве, нагрузки на цилиндропоршневую группу, дымности выхлопа и, следовательно, неустойчивого течения рабочего процесса.

Эффективный способ повышения тяговых и скоростных показателей машинотракторного агрегата при перегрузке - обогащение подаваемого воздуха углеводородным активатором (бензины с различным октановым числом, керосины, дизельные топлива, спирты, минеральные и растительные масла и пр.), которое включает применение активатора в определенной пропорции (10-30 %) от расхода дизельного топлива путем впрыска во впускной коллектор и такта впуска дизельного обогащают воздух [3, 4, 5] нагрузки.

При вводе малой доли активатора во впускной коллектор, в воздушный заряд, на такте впуска, ведет к предварительному смешиванию компонентов, прогреву и последующему поступлению этой смеси в дизель. Следовательно, в цилиндры дизеля поступить гомогенная эмульсия, прошедшая предварительную химическую подготовку, начинающая воспламеняться в начале такта сжатия, проводя подготовку среды для впрыскиваемого ДТ с повышенной реактивной способностью и очагами самовоспламенения.

Обогащение впускаемого воздуха активатором улучшить качество прохождения рабочего процесса в дизеле, привести к равномерной работе двигателя при перегрузке, повысить мощностные характеристики МТА [44, 45, 46, 47].

Известны несколько способов введения активаторов в двигатель: ввод во впускной коллектор (в ходе такта впуска) и непосредственным впрыском в цилиндры (при окончании такта сжатия или в ходе расширения).

Способ ввода активатора влияет на ход процесса смесеобразования и горения смеси топлива и активатора. В дизельных двигателей с ТНВД топливо подается в цилиндр на 14…26 градусов раньше ВМТ в конце такта сжатия. В течение этого короткого периода времени (в миллисекундах) осуществляется перемешивание топлива и воздуха, прогрев, испарение и другие сложные процессы, которые определяют характер горения и его продуктивность. Следует заметить, что подача дополнительного активатора непосредственно в цилиндр (при окончании сжатия или при начале рабочего хода) не обеспечивает более полного сгорания, в отличие от подачи во впускной коллектор, позволяющей увеличить время реакционных процессов активатора.

Таким образом, мы выяснили, что ввод активатора возможен только при соблюдении одного из двух условий:

* снижении цикловой подачи минерального топлива на объем активатора (как правило, на 10-30 % ниже, чем стандартное значение для данной модели двигателя);

* нормальная подача топлива.

Эффективное функционирование дизельного двигателя находится в зависимости от химико-физических свойств активатора [3, 48].

Рассматриваемый способ не получил широкого применения ввиду отсутствия средств для его осуществления, устройств для высококачественного введения и точного дозирования активатора в соответствии с режимом работы дизеля (нагрузка, скорость, температура). Точность дозы конкретного типа активатора и качество его смешивания с воздухом влияет на такие параметры как расход топлива и содержание вредных веществ в выхлопных газах, мощность двигателя.

Значительный вклад в разработку методов и средств для улучшения производительности дизельных двигателей обогащением впускаемого воздуха внес целый ряд ученых [3, 4, 49, 50, 51, 52].

С целью практического воплощения рассматриваемого способа разработан ряд устройств для ввода активатора в систему питания двигателя воздухом при перегрузке.

Анализ литературных источников по вопросу ввода активатора показал, что вводимые вещества приносят различный эффект. Так, активаторы растительного происхождения улучшают экологические показатели, а углеводородные с высокой теплотой сгорания следует использовать для форсирования двигателей. Однако целесообразность применения рассматриваемого способа зависит не только от природы активатора, но и режима работы мотора.

2.2 Расчет показателей работы дизельного двигателя при перегрузке с обогащением активатором воздушного заряда

При осуществлении введения активатора во впускной коллектор двигателя выполняется частичная замена воздушного заряда активатором и в двигатель будет идти их смесь. В связи этим в производимых расчетах коэффициенты избытка воздуха и наполнения цилиндра свежим зарядом зу определялись с учетом теоретически необходимого объема воздушного заряда для сгорания совокупного топлива. Также необходимо уточнение формул для расчета низшей теплоты сгорания смесевого топлива, максимального циклового давления, КПД индикаторного, расходов топлива.

Низшую теплоту сгорания природного дизельного топлива определим по формуле [53]:

Низшую теплоту сгорания активатора искусственного происхождения рассчитаем по выражению:

где S1 и S2 - доля серы в природном дизельном топливе и активаторе;

Н1 и Н2 - доля водорода;

W1 и W2 - доля водяных паров в отработавших газах после сгорания природного дизельного топлива и активатора;

К - доза активатора в воздушном заряде (К =0,1 и 0,2).

Примем, что при перегрузке двигателя форсирование осуществляется вводом активатора во впускной коллектор в объеме выше номинальной подачи исходного топлива на 10 и 20%. В связи с этим расчет необходимо проводить для совокупного топлива.

Низшая теплота сгорания указанного топлива при форсировании двигателя находится по выражению:

где НuД, НuA - низшая теплота сгорания природного ДТ и активатора, МДж/кг,

kпр - коэффициент приведения для определения показателей дизельного двигателя, работающего с обогащением подаваемого воздуха (при обогащении 10% дозой активатора kпр = 1,1, а при 20% - kпр =1,2).

Теоретически необходимое для сгорания 1 кг природного ДТ количество воздуха [53, 54, 55, 56]:

или

Для сгорания активатора:

или

где С1, Н1, O1 - доля углерода, водорода и кислорода соответственно в природном ДТ;

С2, Н2, О2 - доля углерода, водорода и кислорода в применяемом активаторе;

0,23 - массовая доля кислорода в воздухе;

8/3, 8 - требуемое количество кислорода для полного окисления углерода и водорода.

Теоретическое количество воздуха для полного окисления смесевого (совокупного) топлива:

Или

Теоретическое количество воздуха для окисления смесевого топлива найдем по формуле

где Gтд, GTA - действительный расход природного ДТ и активатора, кг/ч.

Коэффициент избытка воздуха найдем по формуле [4, 56]

Определим количество воздуха, помещающегося в цилиндре двигателя Vh, с учетом равенства температуры и давления в двигателе и окружающей среде при условии введения активатора:

где n - частота вращения коленвала, мин-1;

сАВС - удельный вес смеси активатора и воздуха, кг/м3.

Удельный вес смеси активатора и воздуха найдем по формуле Менделеева-Клайперона [4, 46]

где РАВС - давление эмульсии во впускном коллекторе, Па;

VАВС - объем смеси активатора и воздушного заряда, кг/м3;

mАВС - масса активаторно-воздушной смеси, кг;

мАВС - молярная масса смеси активатора и воздуха, кг/кмоль;

ТАВС - температура смеси активатора и воздуха по шкале Кельвина, К;

R - универсальная газовая постоянная, Дж / (моль К).

Удельный вес смеси активатора и воздуха найдем по формуле

С учетом (13) имеем

Молярную массу смеси топлива и воздуха найдем по выражению:

где rвозд, rА - объемные доли воздуха и активатора соответственно в воздушном заряде;

мвозд, мА - молярные массы воздуха и активатора соответственно, кг/кмоль.

Коэффициент наполнения цилиндров смесью воздуха и активатора [4, 56]



Потери давления на впуске [73, 155, 156]

где - коэффициент, учитывающий затухание скорости движения воздуха в коллекторе;

вп - коэффициент, учитывающий сопротивление во впускном коллекторе;

вп - средняя скорость движения воздуха в наименьшем проходном сечении впускного коллектора (тракта), м/с.

Определим давление в конце такта впуска [16, 53, 57, 58]

где РО - атмосферное давление, МПа.

Количество оставшихся в цилиндре отработавших газов найдем по формуле [53, 58, 59, 60, 61]

где Тк - температура воздуха, К;

Рг - давление отработавших газов, МПа;

Т - температура воздушного заряда в двигателе, °С;

Тг - температура отработавших газов, К;

- степень сжатия двигателя.

Найдем давление остаточных отработавших газов [53, 59]:



Определим температуру отработавших газов на выходе из цилиндра двигателя [16, 53, 54, 57, 59]

Найдем объем воздушного заряда с учетом ввода активатора:

Определим давление в конце сжатия [53, 59]

где n1 - степень политропы сжатия [57]:

где nном - частота вращения коленвала при номинальных оборотах, мин-1

Среднюю молярную теплоемкость воздуха по окончании такта сжатия найдем из выражения:

Определим количество элементов в отработавших газах (кмоль в-ва / кг топлива):

CO2:

H2O:

O2:

N2:

Суммарный объем продуктов окисления топлива найдем из выражения:

Определим коэффициент молекулярных преобразований горючей смеси:

Аналогично находим показатель для рабочей смеси:

Найдем теплоту окисления рабочей смеси, учитывая наличие в ней активатора:

где НuД, - низшая теплота окисления природного ДТ, МДж/кг;

НuА - аналогично для активатора активатора, МДж/кг.

Определим во сколько раз повысится давление [53, 55, 59]:

где Pz - максимальное давление, достигаемое в ходе цикла, МПа.

Найдем максимальное давление без использования активатора [53, 59]

где mvi - суммарный масса горючего, испарившегося во время задержки самовоспламенения; кг;

ism - уровень испарения горючего;

guД - подача топливного насоса за один цикл, г/цикл;

НuД - низшая теплота сгорания комплексного горючего, МДж/кг;

Vc - объем сжатия в цилиндре, м3.

Определим объем камеры сгорания в исследуемом двигателе [56]

где Vh - полный объем исследуемого цилиндра, м3.

Полный объем цилиндра найдем по формуле [56]:

где Dn - диаметр цилиндра, м;

Sn - полный ход поршня, м.

Проведенные исследования [59, 60] выявили, что уровень испарения горючего ism можно принять ism = 0,55. Для опеределения массы допустим [61], что до момента самовоспламенения топлива активатор испариться без остатка.

С учетом преобразовав формулу (37) максимальное давление в цилиндре при форсировании двигателя определим по формуле



С учетом проведенного расчета массовой подачи горючего за цикл, имеем

Найдем степень предварительного расширения газов [62, 58, 59]

где Tz - максимальная температура при окислении топлива, К.

С целью нахождения максимальной температуры найдем следующие величины [53, 54, 59].

Определим внутреннюю энергию рабочего тела при окончании такта расширения

где mcvc - степень изменения теплоемкости рабочей смеси, кДж/кмоль град;

mcpz - степень изменения теплоемкости продуктов сгорания дизеля, кДж/кмоль град.

Найдем теплоемкость отработавших газов [53, 58, 59]

С учетом (42) и (43), получим формулу определения максимальной температуры при окислении топлива:

где



Теплота окисления комплексного топлива с учетом потерь тепла найдем по формуле:

где оZ - степень использования теплоты =0,7...0,9

Уровень расширения смеси при окислении [53, 59]

Определим давление при окончании такта рабочего хода [53, 58, 59]

где n2 - степень политропы расширения.

Индикаторное давление среднее расчитывают по формуле [53, 58, 59]

Среднее индикаторное давление для скругленной индикаторной диаграммы [53, 58, 59]

где х - уровень полноты диаграммы, v =0,92.

Найдем мощность по индикаторной диаграмме [53, 58, 59]

где Vh - объем цилиндра при работе, л;

z - количество цилиндров;

ф - число тактов двигателя.

Определим коэффициент полезного действия при форсировании двигателя

Найдем относительный индикаторный расход горючего при форсировании двигателя

средненное давление мехпотерь [59]



Усредненное эффективное давление в цилиндре [53, 58, 59]

Найдем механический коэффициент полезного действия [53, 58, 59]

Определим эффективный коэффициент полезного действия [53, 58, 59]

Рассчитаем эффективный расход топлива при форсировании двигателя

Мощность двигателя эффективная [53, 58, 59]

Определим расход топлива за 1 час работы двигателя [53, 58, 59]

2.3 Расчет тяговых и скоростных характеристик машинотракторного агрегата при форсировании двигателя активаторами

Машинотракторный агрегат приводится в движение двигателем. Энергия, получаемая в двигателе посредством передач различного вида, имеющимся в трансмиссии, передается к движителям (колеса, гусеницы), обеспечивая тяговое усилие, необходимое для преодоления различного вида сопротивлений в ходе работы агрегата. С ростом сторонних сопротивлений энергии подаваемого топлива будет недостаточно, включится корректор, перемещающий рейку насоса высокого давления, увеличивая подачу топлива на 15...20%. При возрастании нагрузки рейка достигнет крайнего положения (максимальная подача топлива) частота вращения коленвала упадет, двигатель станет работать нестабильно, возможна остановка. Машинист будет вынужден перейти на пониженную передачу, но это приведет к снижению скорости, росту потребления топлива и падению производительности агрегата [6].

...