НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЧЕКМЕНЬОВ ВАСИЛЬ ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 631.372

ПІДВИЩЕННЯ ПАЛИВНОЇ ЕКОНОМІЧНОСТІ ДИЗЕЛЯ НА ПОЛЬОВИХ РОБОТАХ ЗАСТОСУВАННЯМ УНІВЕРСАЛЬНОГО РЕГУЛЯТОРА

05.05.03 – Теплові двигуни

Автореферат

дисертації на здобуття наукового
ступеня кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Подільському державному аграрно-технічному університеті

Міністерства аграрної політики України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Водяник Іван Іванович,

Подільський державний аграрно-технічний університет,

завідувач кафедри „Трактори, автомобілі та енергетичні засоби”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Головчук Андрій Федорович

Дніпропетровський державний аграрний університет,

завідувач кафедри „Сільськогосподарські машини”;

кандидат технічних наук, старший наук. співробітник

Ковальов Сергій Олександрович

Державне підприємство

„Державний автотранспортний науково-дослідний і

проектний інститут” (ДП „ДержавтотрансНДІпроект”),

заступник завідувача лабораторії дослідження

використання палив та екології.

Провідна установа: Національний аграрний університет

Кабінету Міністрів України ,

кафедри „Трактори і автомобілі” та

„Експлуатація машин та інженерний

менеджмент”, м. Київ.

Захист відбудеться „ 21лютого 2007 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, Україна, м. Київ, вул. Суворова,1, аудиторія 333.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного транспортного університету, за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе,42.

Автореферат розісланий „ 19 січня 2007 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.К. Грищук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У сільському господарстві одним із основних напрямків діяльності є забезпечення умов зниження собівартості виробництва продукції. Однією із складових цих напрямків є підвищення паливної економічності дизеля під час виконання робіт.

Серед методів підвищення експлуатаційних властивостей і паливної економічності машинних агрегатів є вибір оптимальних режимів роботи дизеля в процесі експлуатації і адаптація його до експлуатаційних умов. Вибір оптимального режиму роботи дизеля можна оцінити ступенем використання потужності або ступенем експлуатаційного завантаження. Однак існуючими на сьогоднішній день методами вибору режимів роботи дизеля поставлену задачу достатньо ефективно вирішити неможливо. Це підтверджується даними виконаних наукових досліджень. Так, за даними академіка Болтінського В.Н., використання потужності дизеля машинними агрегатами становить приблизно 60 – 95 % і ця величина має тенденцію до зниження. Як показали дослідження, виконані у НАТИ, середнє експлуатаційне завантаження дизеля сучасних енергонасичених тракторів при агрегатуванні із сільгоспмашинами становить приблизно 50 %. На транспортних роботах завантаження в усталеному режимі не перевищує 45 – 60 %. Крім того, відомо, що опір робочих машин носить імовірний (неусталений) характер. Імовірний характер тягового опору робочих машин в поєднанні з неперервними змінами опору пересування трактора по полю викликають коливання частоти обертання колінчастого валу дизеля, які позначаються на змінах у наповненні циліндрів зарядом, коливанням у подачі палива. За такого завантаження питома витрата палива дизелем значно вища, а ніж номінальна. Відомо, що при завантаженні дизеля на 90% питома витрата палива у 1,09 рази нижча, ніж при завантаженні на 50%.

Тому, важливою задачею досліджень на даному етапі є розв’язання завдань по підвищенню ефективного використання потужності дизеля і адаптації їх до експлуатаційних умов у складі машинно-тракторних агрегатів (МТА). Найбільш поширеного використання набув метод оптимізації потужності дизеля шляхом переходу на часткові режими роботи за допомогою всережимного регулятора і вибору відповідного швидкісного режиму. Це збільшує коефіцієнт використання потужності дизеля. Однак, використання цього методу в складі тягово-приводних та приводних агрегатів не завжди доцільно, оскільки зміна частоти обертання колінчастого вала дизеля може призвести до порушення технологічного процесу під час виконання агротехнічних операцій.

Отже, завдання завантаженості дизеля без зміни частоти обертання колінчастого вала є актуальним і своєчасним для сучасного сільського господарства. Його розв’язання значно розширить можливості ефективної експлуатації дизеля в складі МТА і поліпшить його паливну економічність. Найбільш перспективним є спосіб регулювання, який забезпечує безступінчасте вибору режимів потужності дизеля без зміни частоти обертання колінчастого вала. Він дає змогу налаштовувати потужність дизеля на номінальне завантаження до будь-якого споживача потужності.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконане дослідження є складовою частиною науково-дослідної роботи держбюджетного замовлення за темою: “Розробка пристроїв і прийомів їх використання для оптимізації режимів роботи тракторів з метою підвищення їх паливної економічності при виконанні польових робіт”, яка виконувалась на кафедрі “Трактори і автомобілі” Подільської державної аграрно-технічної академії (номер реєстрації 0196U016341; вихідний № 70-14-18 01.96; замовлення Міністерства агропромислового комплексу України).

Мета і задачі дослідження. Мета досліджень – підвищення паливної економічності машинних агрегатів при виконанні польових робіт шляхом вибору режимів потужності дизеля завдяки корекції подачі палива та підвищення його завантаженості при постійному діапазоні частот обертання колінчастого валу.

Об’єкт дослідження – процес корекції подачі палива у дизелі, що працює у складі сільськогосподарських машин та агрегатів.

Предмет дослідження – механізм корекції подачі палива універсального регулятора, сконструйованого на базі серійного УТН-5А, що призводить до вибору режимів потужності дизеля Д-240Л, не порушуючи частоти обертання колінчастого вала.

Задачі досліджень:

1. Теоретично обґрунтувати доцільність використання вибору режимів потужності дизельних двигунів без зміни частоти обертання колінчастого вала у складі МТА при виконанні польових робіт.

2. Розробити механізм для безступінчатого вибору режимів потужності дизеля без зміни частоти обертання колінчастого вала з метою підвищення його завантаженості і паливної економічності.

3. Провести теоретичні дослідження роботи механізму і роботи дизеля із встановленим механізмом корекції подачі палива.

4. Провести лабораторні дослідження з метою перевірки роботи експериментального регулятора з вмонтованим механізмом корекції подачі палива.

5. Провести польові дослідження з агрегатами, середнє завантаження на дизель яких відповідає середньорічному завантаженню.

6. Розробити практичні рекомендації по впровадженню результатів досліджень.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження виконувались з використанням положень геометричного аналізу, теоретичної механіки, із застосуванням аналітичних основ землеробської механіки, математичного моделювання і прикладного програмування роботи досліджуваних об’єктів. Експериментальні дослідження виконувались в лабораторно-польових умовах з використанням серійного та розробленого обладнання, експериментального зразка універсального регулятора, оснащеного механізмом корекції подачі палива. Результати досліджень оброблені за допомогою математичного аналізу та ймовірносно-статистичними методами з використанням ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів

Сформовано й розв’язано задачу ефективного використання МТА підвищенням паливної економічності дизеля шляхом вибору режимів його потужності без зміни частоти обертання колінчастого вала при виконанні польових робіт.

Встановлена аналітична залежність умови переходу із зовнішньої на часткову характеристики дизеля корекцією подачі палива.

Проведено аналіз і виведено теоретичні положення роботи механізму корекції подачі палива, що дає змогу прогнозувати витрату палива під час проведення польових робіт і які підтвердились експериментальними дослідженнями.

Для теорії мають значення: отримання рівняння переміщення рейки паливного насоса при застосуванні механізму корекції подачі палива; встановлена аналітична залежність переходу із зовнішньої на часткову швидкісні характеристики дизеля корекцією подачі палива без зміни частоти обертання колінчастого вала; виведена формула погектарної витрати палива в залежності від питомої витрати і коефіцієнта експлуатаційної завантаженості дизеля.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати при проведені досліджень дають підставу твердити, що оптимізація завантаження дизеля шляхом безступінчатого регулювання його потужності підвищить в загальному від 5 % до 10% паливну економічність машинних агрегатів під час виконання ними польових робіт. Таким чином, вирішується задача комплектації машинних агрегатів із збереженням енергоресурсів.

Розроблено і досліджено механізм для вибору режимів потужності дизельного двигуна шляхом зменшення подачі палива без зміни регуляторних характеристик базового всережимного регулятора на тягово-приводних і приводних машинних агрегатах під час виконання ними сільськогосподарських робіт.

Для практики має значення запропонований механізм корекції подачі палива, який забезпечує безступінчасту зміну потужності дизеля без зміни частоти обертання колінчастого вала для підвищення ступеню його завантаженості. Він забезпечує економію палива під час проведення польових робіт оптимізацією завантаженості дизеля і не потребує значних витрат на виготовлення й установлення, простий в управлінні, дає можливість використання, як на новій, так і на існуючій техніці. В зв’язку з чим значно розширяються можливості модернізації існуючого тракторного парку і підвищення експлуатаційних властивостей дизеля у складі МТА та ефективність його використання.

Технічна новизна регулятора підтверджується Деклараційним патентом України на винахід №2001042498 і ефективністю досліджень.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно, а саме: проведено аналіз стану питання по ефективному використанню машинних агрегатів для підвищення паливної економічності; обґрунтовано доцільність вибору режимів потужності дизеля корекцією подачі палива, теоретично обґрунтовані і експериментально підтверджені основні конструктивні і технологічні параметри механізму; встановлена аналітична залежність умови переходу із зовнішньої на часткову характеристику дизеля корекцією подачі палива; проведено комплекс теоретичних і експериментальних досліджень, які підтверджують ефективність і дієздатність запропонованого способу вибору режимів потужності дизеля.

Основний вклад у двох працях опублікованих у співавторстві зроблений здобувачем. Ним проаналізовано стан питання про існуючі методи вибору режимів потужності дизеля. У працях здобувачем запропонований принцип роботи механізму, а також, безпосередньо, реалізовано й проведено дослідження роботи механізму вмонтованого в серійний регулятор УТН-5А з паливним насосом 4-УТНМ із метою зменшення витрати палива дизелем під час виконання ним польових робіт у складі МТА, які викладені в матеріалах дисертації. Іншим співавтором запропоновано схему механізму вибору режимів потужності і його кінематичну модель.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень були оприлюднені на засіданні кафедри тракторів і автомобілів за підсумками науково-дослідної роботи в 1998 році (Кам’янець-Подільський, ПДАТА, 1999р).; Міжнародній науково-теоретичній конференції, присвяченої пам’яті професора Євгена Храпливого “Теорія і практика розвитку агропромислового комплексу” (Львів, 1999р.); науково-теоретичній конференції професорсько-викладацького, аспірантського складу та науковців за підсумками науково-дослідної роботи в 2000 році. (Кам’янець-Подільський, ПДАТА, 2001р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (Глеваха, ННЦ “ІМЕСГ”, 2001р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Аграрна освіта і наука на початку третього тисячоліття” (Львів, 2001р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (Харків, 2001р.); науково-теоретичній конференції професорсько-викладацького, аспірантського складу та науковців за підсумками науково-дослідної роботи в 2003 року, присвяченій 85-річчю академії (Кам’янець-Подільський, ПДАТА, 2004р.); XII Міжнародній науково-технічній конференції “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (Глеваха, ННЦ “ІМЕСГ”, 2004р); Четвертій міжнародній науково-практичній конференції „Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (Харків 2005р.)

Публікації. По результатах проведених досліджень викладених у дисертації зроблено 8 публікацій. З них: 7 статей, з яких 5 у фахових виданнях України та отримано один Деклараційний патент України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 153 найменувань та додатків. Загальний обсяг роботи складається з 139 сторінок основного тексту, містить 54 рисунки, 7 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульована мета і задачі досліджень, викладена наукова новизна, і практичне значення результатів роботи.

У першому розділі зроблений загальний аналіз стану питання за темою роботи. Показано, що середньорічна завантаженість дизеля енергонасичених тракторів класу 1.4 – 3 у складі МТА на різних видах сільськогосподарських не перевищує 50 % (рис.1). При цьому характер навантаження є імовірний і неусталений. В зв’язку з цим питома витрата палива є значно вища від номінальної. Так по даних НАТИ при 50% завантажені дизеля її значення в 1,09 рази більше ніж при 90% завантажені. Теоретично встановлено, що при коефіцієнті завантаження дизеля Nе = 0,5 ефективна питома витрата палива відносно свого мінімального значення збільшується на 20 – 24 %.

Пошукам шляхів зниження питомої витрати палива і оптимізації роботи машинних агрегатів з точки зору паливної економічності у свій час присвятили багато уваги значна кількість науковців. Серед них такі як Андрусенко П.І., Долганов К.Є., Гутаревич Ю.Ф., Головчук А.Ф., Каньковський І.Є., Болтінський В.Н., Болотін А.А., Киртбая Ю.К., Грунауер А.А., Емінбейлі В.Н., Агеєв А.Є., Ждановський Н.С., Ніколаєнко А.В., Козмодем’янов Є.А., Гром-Мазничевський Л.Г., Захарчук В.І., Кормаков Л.Ф., Шалягин В.Н. та інші. Ними встановлено, що найкращу паливну економічність дизель у складі МТА показує тоді, коли його завантаженість становить 80-90 % і носить рівномірний характер.

Рис.1. Середньорічні завантаження дизеля тракторів класу 1.4 – 3 і частка витрат палива при виконанні різних видів сільськогосподарських робіт за даними НАТИ

Підвищити завантаженість дизеля під час польових робіт можна двома шляхами: 1) підвищенням тягової (ефективної) потужності, яка використовується машинними агрегатами, до номінального (максимального) значення, яку розвиває дизель; 2) зниженням номінальної потужності дизеля до ефективного значення.

Для вибору експлуатаційних режимів роботи дизеля використовують в основному регулятор обертів колінчастого вала, яким обладнується дизель і який є невід’ємною частиною у складі паливної апаратури. У цьому напрямку працювали А. Янте, Андрусенко П.І., Блаженов Є.М., Долганов К.Є., Гутаревич Ю.Ф., Говорун А.Г., Головчук А.Ф., Болтінський В.Н., Чагар Б.Б., Шестухін В.І., Настенко Н.Н., та ін.. Ними запропоновано на польових роботах для вибору експлуатаційних режимів роботи дизеля використовувати всережимний регулятор шляхом переходу на часткові режими зниженням частоти обертання колінчастого вала і вибором оптимальної передачі, а на транспортних роботах і холостих переїздах однорежимне або дворежимне регулювання шляхом переключення на цей режим універсального регулятора.

Однак, на польових роботах зниження частоти обертання колінчастого вала дизеля для тягово-приводних і приводних агрегатів, які використовують вал відбору потужності, є недоцільним, тому що це призводить до порушення технологічного процесу при виконанні агротехнічних операцій. Для таких агрегатів, доцільно переходити на часткові режими без порушення частоти обертання колінчастого вала дизеля шляхом корекції подачі палива. Вирішенню задач з цієї проблеми по підвищенню паливної економічності дизеля шляхом вибору його оптимальних режимів роботи для таких машинних агрегатів дослідниками приділено недостатньо уваги і воно потребує детальнішого розгляду. В зв’язку з цим визначено завдання досліджень підвищення паливної економічності дизеля у складі тягово-приводних та приводних машинних агрегатів шляхом вибору часткових режимів його роботи при незмінній частоті обертання колінчастого вала. Їх вирішення є актуальним та своєчасним в умовах сучасного сільськогосподарського виробництва.

В ці завдання входить зокрема розробка універсального регулятора, який дав би змогу корегувати подачу палива і таким чином знижувати потужність дизеля до необхідного значення при незмінній частоті обертання колінчастого вала. Особливістю такого регулятора є те, що для забезпечення всіх необхідних умов експлуатації, які виникають підчас виконання сільськогосподарських робіт, він повинен забезпечувати різні режими регулювання: для приводних і тягово-приводних агрегатів із збереженням частоти обертання колінчастого вала дизеля; для тягових агрегатів – всережимне; під час транспортних робіт і холостих переїздів – одно режимне. Структурна схема такого регулятора показана на рис.2. Крім того, перехід на різні режими регулюван-ня необхідно здійснювати без зупинки дизеля.

У другому розділі приведена програма експериментальних досліджень, загальна та часткові методики досліджень, приведено характеристики об’єктів досліджень. Дані харак-теристики приладів та обладнання за допомогою яких проводились дослідження. Наведено їх параметри і точність вимірювання. У розділі дано опис алгоритму моделювання часткової швидкісної і регуляторної характеристики дизеля при корекції подачі палива.

Рис.2.

Програма робіт передбачає виконання теорети-чних, лабораторних та польових досліджень. Сформо-вано основні напрямки дослід-жень. Методика передбачає моделювання і визначення оцінки проведених дослід-жень. Дія дійсних імовірнісних неусталених навантажень на МТА здійснюється за законом нормального розподілу, які моделюються гармонічними коливаннями. Найбільш небажаними є навантаження, які діють з частотою 4 ? 5 Гц. Для моделювання таких навантажень застосовувалися гармонічні коливання з частотою 4,5 Гц. Здійснювалось це за допомогою електричного двигуна з редуктором оберти вихідного валу якого відповідали заданій частоті гармонічних коливань на кулісі, яка перетворювала обертовий рух на поступальний і через важіль впливала на зміну навантаження дизеля на гальмівному стенді

Вся методика досліджень направлена на визначення ефективності використання дизеля шляхом адаптації його до умов експлуатації в складі приводних і тягово-приводних агрегатів на польових роботах для підвищення паливної економічності, а також використання універсального дослідного регулятора розробленого на базі серійного зразка УТН-5А на дизелі Д-240Л трактора МТЗ-80.

У третьому розділі наведені результати теоретичних досліджень та розробка і розрахунок експериментального регулятора. Розкрито доцільність розробки вибору режимів потужності дизеля без зміни частоти обертання колінчастого вала корекцією подачі палива.

Як відомо, економічність дизеля у складі машинного агрегату залежить від режимів його роботи. Найкраща економічність спостерігається на режимах, які відповідають номінальній питомій витраті палива. Виходячи з цього необхідно забезпечити такі режими роботи дизеля, щоб питома витрата палива знаходилась у межах номінальної питомої витрати палива або була б нижча від неї при даній ефективній потужності. Виконавчі механізми тягово-приводних та приводних агрегатів розраховані на номінальні оберти колінчастого вала. Тому було проведено аналіз навантажувальної характеристики роботи дизеля при номінальних обертах з метою визначення діапазону вибору режимів потужності при якому питома витрата палива знаходиться у межах номінальної. Для цього було знято навантажувальну характеристику за витратою палива дизеля Д-240Л при 2200 об/хв. (рис. 3).

Рис.3

З аналізу характеристики видно, що внаслідок зниження подачі палива відбувається зниження максимальної потужності дизеля. Питома витрата палива ge при цьому, внаслідок підвищення коефіцієнта надлишку повітря, зменшується і прямує до мінімального значення ge min, а після зниження потужності понад 85% підвищується. При зниженні максимальної ефективної потужності до 60 – 55% від номінального значення питома витрата палива відповідає номінальній питомій витраті (див. рис.3.) Подальше зниження потужності призводить до різкого збільшення питомої витрати палива. Таким чином, доцільний діапазон регулювання максимальної ефективної потужності згідно характеристики становить 55 ? ре ? 100 %.

Аналогічні висновки випливають також і з аналізу відповідних графіків інших дизелів, які показані Болтінським В.Н., Скотниковим В.А., Ніколаєнко А.В., Крутовим В.І., Козирьовим С.Н. та іншими дослідниками.

Виходячи з даних аналізу графіку виведено аналітичну залежність питомої витрати палива від коефіцієнта експлуатаційного завантаження дизеля Nе через годинну витрату палива для оцінки формули:

ge = kggен, (1)

де ge – питома витрата палива, г/кВт·год; kg – коефіцієнт збільшення питомої витрати палива в залежності від коефіцієнта завантаження дизеля; geн – номінальна питома витрата палива, г/кВт·год.

, (2)

де G – відношення годинної витрати палива дизелем на холостому ході до годинної витрати палива при максимальній потужності (згідно експериментальних даних G =

= (0,25 – 0,30); Nе – коефіцієнт експлуатаційного завантаження дизеля на робочому режимі;

Для оцінки (1) використано формули:

Gт = Gтxх + (Gтн — Gтхx ) Nе , (3)

Nе = Nе / Nен , (4)

10-3 ge = Gт / Nе , (5)

де Gт – годинна витрата палива, кг/ год; Gтxх – годинна витрата палива в режимі холостого ходу, кг/год; Gтн – годинна витрата палива при номінальному завантаженні дизеля, кг/год; Nе – ефективна потужність дизеля, кВт; Nен – номінальна потужність дизеля, кВт.

Аналізуючи формулу (2) можна встановити, що питома ефективна витрата палива на робочому режимі буде прямувати до номінальної питомої витрати при:

(6)

З урахуванням коефіцієнта збільшення питомої витрати палива діапазон регулювання максимальної потужності визначено у межах від 50 – 100% номінального значення.

Вибір режимів роботи дизеля в складі МТА залежить від агротехнічних операцій якісна оцінка яких з точки зору паливної економічності здійснюється за допомогою погектарної витрати палива. В зв’язку з цим розглянуто умови відповідності погектарної витрати палива до номінальної питомої витрати і коефіцієнта збільшення питомої витрати.

Виходимо з того, що погектарна витрата палива:

Qт = GтW, (7)

де Gт – годинна витрата палива, кг/год; W – продуктивність МТА.

Продуктивність агрегату W має прямий зв’язок з використаною потужністю дизеля Nе :

W = 0,1 Bкр = 0,36Neтяг/kа, (8)

де Bк — конструктивна ширина захвату агрегату, м; — коефіцієнт використання ширини захвату; р — середня швидкість руху, км/год; — коефіцієнт використання часу; тяг — тяговий ККД трактора; kа — питомий опір машини.

Bк = 3,6Neтяг /рkа , (9)

Виконавши необхідні перетворення і спрощення формули (7) отримано залежність погектарної витрати палива від номінальної питомої geн і коефіцієнта збільшення питомої витрати kg:

Qт = 10-3 kg geн а / 0,36трf., (10)

де тр — ККД трансмісії; — ККД, що враховує втрати на буксування ведучих коліс; f — ККД, що враховує втрати потужності на кочення.

З формули (10) очевидно, що поліпшення паливної економічності дизеля у складі машинних агрегатів може бути досягнуто, якщо він працює при максимальному тяговому ККД з номінальною питомою витратою палива.

Взявши до уваги необхідність вибору режимів потужності дизеля у вибраному діапазоні розроблена теорія універсального регулятора. Функціонально регулятор складається з базового всережимного регулятора і незалежного механізму вибору режимів потужності дизеля корекцією подачі палива (рис.4).

Рис. 4. Функціональна схема роботи універсального регулятора: () – вплив тягарців з муфтою і пружиною на відхилення важеля регулятора, град; p – вплив на подачу палива поворотом важеля вибору режиму потужності, град; Рр – вплив на регулятор і хід рейки паливного насоса, кН; Х – хід рейки паливного насоса, мм

Вибрана функціональна схема з паралельно-послідовним зв’язком забезпечує гнучкість керування роботою регулятора і перехід на будь-який режим регулювання без зупинки дизеля.

Механізм вибору режимів потужності дизеля корекцією подачі палива розташовується між регулятором і паливним насосом не впливаючи на їхню взаємозалежність між собою. Така схема також дає можливість застосувати узгоджуючий механізм керування обома способами регулювання: всережимним і механізмом корекції подачі палива. При цьому подача палива здійснюється за такою характеристикою, що подібна до однорежимного регулювання.

Згідно заданої схеми залежність ходу рейки Х паливного насоса можна подати такими залежностями:

для всережимного регулювання:

Х = f p (); (11)

для корекції подачі без зміни частоти обертання колінчастого вала:

Х = f p(); (12)

для комбінованого способу регулювання:

Х = f p(,). (13)

Для реалізації функціональної схеми розроблена структурна схема механічного універсального регулятора (рис. 5).

Таке конструктивне вирішення має наступні переваги: уніфікація більшості деталей серійного та дослідного регуляторів; робота регулятора залишається без будь-яких змін у всьому діапазоні регулювання і не залежить від величини корекції подачі палива відносно максимального значення; модифікація регулятора здійснюється із незначними затратами; всі дослідження роботи регулятора зводяться в основному до визначення функції роботи механізму корекції подачі палива та його взаємодії з самим регулятором і рейкою паливного насоса; сам механізм регулятора до першої тяги конструктивно залишається без змін.

Рис. 5. Схема регулятора з механізмом керування

Під час дослідження роботи механізму вибору режимів потужності дизеля встановлено максимально можливий кут = 600 відхилення важеля керування при заданому мінімальному робочому ході рейки паливного насоса відносно основних конструктивних елементів. Виведено формулу для його обчислення.

д max = 900 - arccos + arcsin, (14)

де b, c – довжини ланок складеної тяги, мм; d – зміщення осі ходу рейки паливного насоса відносно вершини А важеля регулятора, мм.

Провівши кінематичний аналіз роботи механізму вибору режимів потужності дизеля виведено рівняння руху рейки паливного насоса, і для прийнятих конструктивних елементів визначено теоретичну залежність ходу рейки паливного насоса від кута повороту важеля вибору режиму потужності (корекції подачі палива) (див. рис.6).

X = X1 . cos + – , (15)

X1 = (r .sin( + ) +) (r .sin( - ) +). (16)

Використовуючи кінематичний аналіз (15) та дані досліджень побудовано теоретичний графік залежності ходу рейки паливного насоса від кута повороту важеля регулятора та кута відхилення важеля корекції подачі палива (вибору режиму потужності) з якого видно, що із зростанням кута переміщення рейки носить прогресивний характер. Це благодійно впливає на зростання моменту дизеля і при наближенні до номінальних обертів зменшує вплив неусталених навантажень на рейку паливного насоса. Поверхня відгуку показує, що умови роботи дизеля в регуляторній області покращуються при переводі його на меншу потужність (при зменшені ходу рейки паливного насоса), і відповідають заданим технічним характеристикам при роботі на повній потужності. Швидкісна регуляторна характеристика дизеля на часткових режимах сприяє до поліпшення паливної економічності на польових роботах в складі МТА в умовах імовірнісних неусталених навантажень (рис. 7).

Рис. 6. Кінематичний аналіз ходу рейки паливного насоса

Враховуючи одержані теоретичні дані переміщення рейки паливного насоса та інші вихідні дані побудовано очікувану регуляторну характеристику роботи дизеля Д_Л на режимі 50% номінальної потужності.

Рис.7. Залежність переміщення рейки паливного насоса для кута повороту важеля регулятора в межах 00<?<80 і кута повороту важеля корекції подачі палива 00<?< 600.

В четвертому розділі показано результати експериментальних досліджень. Стендові випробування по-казали готовність універ-сального регулятора з вмон-тованим механізмом корек-ції подачі палива до польо-вих випробувань. При знятті дійсної швидкісної регу-ляторної характеристики дизеля Д-240Л відносні від-хилення від очікуваної тео-ретичної, на режимі 50% номінальної потужності, становили не більше 3 % (рис. 8).

Аналіз впливу гармо-нічних коливань наванта-ження на дизель з частотою 4,5 Гц (які є математичною моделлю дійсних неустале-них навантажень, що діють на МТА за законом нормаль-ного розподілу) показав зменшення їх впливу на рейку паливного насоса при наближенні до номінальних обертів в 2 і більше разів. Аналогічні показники були отримані при аналізі осци-лограм знятих з важеля ре-гулятора і рейки паливного насоса в реальних умовах під час виконання польових робіт при виборі режиму 50% потужності, що забез-печував роботу дизеля на інтервалі частот близьких до номінальних обертів колін-частого валу (рис 9, рис 10). На рис.10 амплітуда коливань важеля регулятора співставлена з ходом рейки паливного насоса.

Для аналізу витрати пального підчас виконання робіт трактор МТЗ-80 було обладнано вимірним бачком з витратною шкалою.

Рис.8

Рис. 9. Осцилограми впливу неусталених навантажень на рейку паливного насоса під час виконання польових робіт МТА у складі трактора МТЗ-80 і розкидача мінеральних добрив ВУМ-0,5 при 50% навантаженні на серійному регуляторі (а), і з вибором режиму 50% потужності від номінальної на експериментальному регуляторі (б)

Рис. 10. Порівняння амплітудних коливань опору машини, реакції важеля регулятора та рейки паливного насоса ? :

аR – амплітуда коливань реакції опору агрегату; а? – амплітуда коливань важеля регулятора співставлена з амплітудою коливань рейки паливного насосу при серійному регулюванні; аХ' – амплітуда коливань рейки паливного насосу при експериментальному регулюванні.

Перед польовими дослідженнями з метою забезпечення мінімального завантаження дизеля при рекомендованих складах МТА, що відповідає середньорічному, проведено теоретичний аналіз найбільш розповсюджених приводних і тягово-приводних машин сільгоспмашин. Для випробувань були вибрані наступні машинні агрегати:–

розкидач мінеральних добрив МВУ-0,5 з максимальним коефіцієнтом експлуатаційного завантаження дизеля е max = 0,60;–

оприскувач “MASTER, е max = 0,72;–

садовий фрезерний культиватор ФП - 2, е max = 0,84.

Отримані результати польових досліджень опрацьовувались і заносились у порівняльну таблицю (табл.1).

Таблиця 1.

Результати польових досліджень роботи МТА на серійному та експериментальному регулюванні.

Склад агрегату | Регулювання: | p, м/сcр,

м/с | Gт ,

кг/год | д ,

c | Vд, cм3 | ,

% | Qт ,

кг/гаW,

га/год | МТЗ-80 і

МВУ-0,5 | Серійне | 2,64 | 2,50 | 15,0 | 40,0 | 208,6 | 17 | 1,754 | 8,55 | експериментальне | 2,64 | 2,41 | 12,9 | 41,5 | 185,6 | 17 | 1,566 | 8,24 | МТЗ-80 і

MASTER | серійне | 2,08 | 1,96 | 12,6 | 51,0 | 222,4 | 21 | 1,254 | 10,05 | експериментальне | 2,08 | 2,0 | 11,7 | 50,0 | 202,3 | 19 | 1,140 | 10,26 | МТЗ-80 і

ФП-2 | серійне | 1,25 | 1,14 | 8,0 | 87,7 | 245,0 | 25 | 10,26 | 0,78 | експериментальне | 1,25 | 1,16 | 7,7 | 86,5 | 232,5 | 24 | 9,75 | 0,79 |

Таким чином було встановлено, що: середнє значення зниження погектарної витрати палива при роботі машинного агрегату у складі трактора МТЗ-80 та розкидача мінеральних добрив МВУ-0,5 склало 11 %; середнє значення зниження погектарної витрати палива при роботі трактора МТЗ-80 та оприскувача “MASTER” склало 9%; середнє значення зниження погектарної витрати палива при роботі трактора МТЗ-80 та фрезерного культиватора ФП-2 склало 5%.

У п’ятому розділі виконано аналіз і узагальнення результатів досліджень. Наоснові (10) через номінальну питому витрату палива визначена економічна ефектив-

ність з точки зору погектарної витрати палива дизелем Д-240Л:

geн = 1030,36 Qтц1трf /kаkg; (17)

geн = 1030,36 Qтц2трf / kа, (18)

де Qтц1 – погектарна витрата палива, кг/га; Qтц2 – номінальна погектарна витрата палива, кг/га.

З урахуванням (17) і (18) була отримана залежність погектарної витрати палива від номінальної погектарної витрати і коефіцієнта збільшення питомої витрати:

Qтц1 = kg Qтц2. (19)

Економію палива обчислюємо, %:

Qтц = (Qтц1 – Qтц2)100Qтц1 = . (20)

Для початкових даних Nе = 0,6 і G = 0,30 коефіцієнт збільшення питомої витрати палива буде становити kg = 1,2, а економія палива згідно формули (23) – 17 %. Порівнюючи одержані результати економії палива при виборі режиму роботи дизеля без зміни частоти обертання колінчастого вала із результатом при переході на частковий режим зміною частоти обертання колінчастого вала встановлено їх адекватність. Продуктивність тягового МТА залишалась незмінною.

Розбіжність отриманих результатів польових досліджень з теоретичними результатами дає похибку до 3 %. При існуючих коефіцієнтах експлуатаційного завантаження дизеля машинними агрегатами в межах 50 % ? е max, ? 70%, яке є в більшості господарств, економія палива складе від 5 % до 11 % в залежності від виду, способу і умов завантаження дизеля. Зниження витрати палива шляхом вибору режимів потужності дизеля і за рахунок підвищення коефіцієнта експлуатаційного завантаження дизеля призведе до зниження витрати палива в аграрному секторі економіки України з 357 кг на 1 га ріллі з урахуванням 10% зниження до 321 кг, або 47 кг на тонну сільськогосподарської продукції в зерновому еквіваленті.

В умовах господарських випробувань наробіток дизеля склав 1400 мотогод. Зниження витрати палива у господарстві при експлуатації трактора МТЗ-80 з дослідним універсальним регулятором склало в середньому 6,4%. Результати перевірки засвідчують ефективність використання пропонованої розробки. Під час польових робіт витримувалися всі агротехнологічні умови операцій.

В цьому ж розділі також розроблено практичні рекомендації щодо застосування способів регулювань залежно від умов та режимів експлуатації МТА.

ВИСНОВКИ

1. Ефективне використання машинних агрегатів оптимізацією режимів роботи дизелів призводить до поліпшення паливної економічності. Відомо, що перевитрата палива при 50% значенні коефіцієнта експлуатаційної завантаженості дизеля може теоретично досягати 20% значення. У даній роботі запропоновано й розв’язано задачу підвищення паливної економічності дизеля у складі приводних і тягово-приводних машинних агрегатів застосуванням безступінчастого вибору режимів потужності при незмінній частоті обертання колінчастого валу. У ній запропоновано і досліджено схему регулятора, яка дозволяє вибирати економічні режими роботи дизеля у складі МТА, що відповідають оптимальним технологічним умовам виконання польових робіт .

2. Теоретично визначено інтервал, на якому доцільно проводити вибір режимів потужності дизеля корекцією подачі палива за допомогою універсального регулятора. Питома витрата палива при цьому зменшується або залишається в межах номінальної питомої витрати. Цей інтервал для дизелів типу Д-240Л знаходиться в межах від номінальної потужності Neн до 0,5 Neн.

3. Розроблено і досліджено механізм корекції подачі палива для вибору режимів потужності дизеля без зміни частоти обертання колінчастого валу. Конструкція забезпечує подачу палива прогресивно з випередженням по параболічному закону і створює таку регуляторну характеристику, яка в межах номінальних обертів зменшує вплив коливань неусталених навантажень на рейку паливного насосу в межах номінальних обертів в 2 рази, оскільки амплітудні коливання рейки менші амплітудних коливань важеля регулятора. Завдяки цьому має місце приріст моменту, а, як наслідок, і потужності дизеля в регуляторній зоні при наближенні обертів колінчастого вала до номінальних. Отримано теоретичні залежності роботи механізму.

4. Обґрунтовано доцільність використання вибору режимів потужності дизельних двигунів без зміни частоти обертання колінчастого вала у складі МТА при виконанні польових робіт. Отримана залежність погектарної витрати палива від коефіцієнта збільшення питомої витрати палива, яка показує, що при виборі встановленого режиму потужності дизеля в 60% від номінальної без зміни діапазону частоти регулювання теоретично досягається зменшення погектарної витрати палива на 17% при незмінній продуктивності.

5. Теоретичні викладки склали похибку 3 % відносно експериментальних результатів досліджень. Самі викладки дають можливість застосовувати їх для теоретичного прогнозування роботи універсального регулятора при різних варіантах конструкцій самого регулятора та завантажень дизеля.

6. Встановлено, що на відміну від існуючих регуляторів даний універсальний регулятор з вмонтованим механізмом корекції подачі палива вирішує задачу ефективного використання машинних агрегатів на всіх основних видах робіт в сільському господарстві в тому числі і на транспортних роботах. Економія палива становить при цьому в середньому 5 – 10 %.

7. Проведені експериментальні дослідження підтвердили, що при виборі режимів роботи дизеля середнє зниження погектарної витрати палива при максимальному завантажені Nе = 0,6 для машинного агрегату у складі трактора МТЗ-80Л і розкидача мінеральних добрив МВУ0,5 склало до 11 %. Отже при середньорічному завантажені дизеля на польових роботах Nе = 0,6 застосування універсального регулятора дизеля і запропонованого способу вибору режимів регулювання приведе до зниження витрати палива в аграрному секторі економіки України з 357 кг на 1 га ріллі до 321 кг, або з 51

кг до 47 кг на тонну сільськогосподарської продукції в зерновому еквіваленті.

8. Експлуатаційні дослідження показали погектарну економію палива при приведені максимальної потужності до ефективного значення для агрегатів МТЗ-80Л і розкидач мінеральних добрив МВУ0,5 рівну 11%, ТМЗ-80Л і оприскувач “MASTER” рівну 9%, МТЗ-80Л і фрезерний культиватор ФП-2 рівну 5%. Це показує ефективність даного способу вибору режимів потужності дизеля для оптимізації робіт машинних агрегатів і підвищення його паливної економічності. Під час господарських випробувань на різних роботах при наробітку дизеля 1400 мотогод економія палива склала в середньому 6,4%.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Чекменьов В.В. Про регулювання потужності тракторних двигунів// Науковий вісник Національного аграрного університету. – К., 1997 - Вип.34.- 2001. – С. 191-195.

2. Водяник І.І., Чекменьов В.В. Безступінчасте регулювання потужності дизельного двигуна при постійній частоті обертання колінчастого вала// Науковий вісник Національного аграрного університету. – К., 1997 - Вип.41.- 2001. – С. 150 -154.

Автором проаналізовано стан питання про існуючі методи вибору режимів (регулювання) потужності дизеля.

3. Чекменьов В.В. Підвищення експлуатаційних властивостей МТА при виконанні сільськогосподарських робіт// Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. “Підвищення надійності відновлюємих деталей машин”. – Харків. Вип. 8, т. 2. –2001. – С. 139–143.

4. Чекменьов В.В. Раціональне використання тракторів у складі машинно-тракторних агрегатів шляхом зменшення циклової подачі палива//Збірник наукових праць. – Кам’янець-Подільський. ПДАТА. Вип. 9. – 2001. – С. 458–461.

5. Повышение загрузки дизеля путем бесступенчатого регулирования его мощности при неизменяемой частоте вращения коленчатого вала. // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка. „Технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосподарському машинобудуванні”. – Харків . Вип.. 40, - 2005 – С. 366-374.

6. Деклараційний патент на винахід 50051 А Україна 7 Н02Р5/00. Регулятор частоти обертання колінчастого вала/ Водяник І.І., Чекменьов В.В. (Україна). – № 2001042498; Заявл. 13.04.2001; опубл.15.10.2002, Бюл. № 10.

Здобувачем запропонований принцип роботи механізму, а також, безпосередньо, реалізовано й проведено теоретичні і практичні дослідження роботи механізму вмонтованого в серійний регулятор УТН-5А з паливним насосом 4-УТНМ із метою зменшення витрати палива дизелем під час виконання ним польових робіт у складі МТА, які викладені в матеріалах дисертації. Іншим співавтором запропоновано схему механізму корекції подачі палива і його кінематичну модель.

7. Чекменьов В.В. Підвищення завантаженості дизеля шляхом безступінчастого регулювання потужності при постійній частоті обертання колінчастого вала// Збірник наукових праць. “Аграрна освіта і наука на початку третього тисячоліття”. – Львів. Т. 2 – 2001. – С. 313-321.

8. Чекменьов В. В. Безступінчасте регулювання потужності тракторних двигунів з метою підвищення їх завантаженості без зміни частоти обертання колінчастого вала// Тези Міжнародної науково-практичної конференції, присвяченої пам’яті професора Євгена Храпливого. “Теорія і практика розвитку агропромислового комплексу” – Львів. – 1999. – С. 153–154.

АНОТАЦІЇ

Чекменьов В.В. Підвищення паливної економічності дизеля на польових роботах застосуванням універсального регулятора. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03. – теплові двигуни. НТУ, Київ, 2006.

У дисертаційній роботі викладено результати наукових досліджень, які направлені на адаптацію дизеля до експлуатаційних умов для зниження погектарної