Показатели работы машинно-тракторных агрегатов при использовании активированного топлива

Введение. Исследуя энергетические свойства сельскохозяйственных машин и орудий, инженеры при проектировании их стремятся уменьшить сопротивление рабочих органов, а в мобильных энергетических средствах (МЭС) - увеличить развиваемую ими мощность. Достичь максимальной производительности с уменьшением удельного расхода топлива при отклонении в меньшую сторону от оптимального режима работы энергетической установки (ЭУ) МЭС МТА, обеспечить хорошую приспосабли-ваемость к изменению внешней нагрузки, создаваемой сельхозорудием, и сохранить полную мощность на разных скоростях движения с увеличением крутящего момента не всегда удаётся [1,6, 7].

Одним из путей и способов решения этих вопросов является активизация дизельного топлива [4]. Обработка его проводится непосредственно перед впрыском в цилиндры двигателя импульсным электромагнитным полем, что спо- собствует повышению эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания и уменьшению выбросов вредных веществ в окружающую среду за счет более полного сгорания топлива. Параметры устройства для электромагнитной обработки дизельного топлива перед сгоранием были предварительно определены в процессе экспериментальных исследований в лабораторных условиях, выполненных в ГОУ ЛНР ЛНАУ. При этом двигатель развивал большую мощность с сохранением минимального расхода топлива.

Для проведения полевых экспериментальных исследований нами был выбран пахотный машинно-тракторный агрегат в составе трактора МТЗ-80 тягового класса 1,4 и плуга пЛн-3-35 шириной захвата В р = 1,05 м (рисунок 1). Выбор представленного МТА был обоснован тем, что тракторы производства Минского тракторного завода являются основой современного тракторного парка Луганской Народной Республики.

Рисунок 1 - Общий вид МТА в составе трактора МТЗ-80 и плуга ПЛН-3-35

Особенность полевого опыта состояла в том, что результаты применения устройства для активации топлива перед сгоранием в цилиндрах двигателя могут быть получены с учетом совокупности почвенных, климатических и агротехнических факторов, то есть проведение полевого опыта даёт возможность в производственной обстановке оценить агротехническую и экономическую эффективность исследуемого варианта МТА [2, 9, l0].

В устройстве для электромагнитной обработки топлива перед сгоранием используется электромагнит в виде катушки из диамагнитного (диэлектрического) материала, которая является частью топливопровода системы питания двигателя. В качестве источника питания использован генератор постоянного тока трактора. Катушка электромагнита выполнена многоряд- ной и имела одну секцию. Это устройство обеспечивало эффективную активацию топлива, которое используется в двигателях внутреннего сгорания, за счет действия электромагнитных полей повышенной напряженности.

Технический результат достигался тем, что воздействие электромагнитного поля повышенной напряженности на топливо происходило непосредственно перед впрыском в камеру сгорания цилиндра двигателя. Это позволяло увеличить эффективную мощность двигателя внутреннего сгорания и уменьшить выбросы вредных веществ в окружающую среду.

Устройство для электромагнитной обработки дизельного топлива перед сгоранием устанавливается на каждую из топливных фор-сунонок двигателя Д-240 трактора МТЗ-80 в составе пахотного агрегата.

Целью исследований была проверка полноты сгорания активированного топлива при работе МТА в полевых условиях и влияния его на эксплуатационные показатели машиннотракторного агрегата в целом.

В задачи исследований входило:

– определение показателей работы энергетических установок машинно-тракторных агрегатов с использованием устройства для предварительной обработки топлива;

– определение влияния частоты вращения коленвала двигателя на расходные характеристики агрегата;

– проверка экологической безопасности использования разработок.

Материалы и методы исследований. Исследования проводились в соответствии с ГОСТ 30745-2001 по определению тяговых по-

казателей тракторов и ГОСТ Р 52778-2007 по методам эксплуатационно-технологической оценки сельскохозяйственной техники.

Общий вид установки активатора на полноразмерный четырехтактный четырехцилиндровый дизельный двигатель 5 марки Д-65М трактора представлен на рисунке 2. Для определения энергетических показателей двигатель соединялся карданным валом с тормозным стендом 1 марки КИ-1363 Б. В ней использованы автоматический расходомер топлива 2 марки АИР-50 с погрешностью 0,5%, индикатор мощности 1 цифровой ИМД-Ц, магнитноимпульсный модулятор 4 и соленоид 6.

Измерения индукции магнитного поля соленоида производили при помощи миллитесла-метров портативных универсальных ТП2-2У и МТУ-1.

4 5 6

1 – индикатор мощности цифровой ИМД-Ц; 2 – автоматический расходомер топлива «АИР-50»;

3 – тормозной стенд КИ-1363 Б; 4 – магнитно-импульсный модулятор;

5 – дизельный двигатель Д-65М; 6 – соленоид

Рисунок 2 – Общий вид установки активатора топлива на дизельный двигатель Д-65М

По результатам этих опытов предполагается, что изменение температуры вспышки в большую сторону должно привести к более полному сгоранию модифицированного топлива в цилиндрах ДВС, а уменьшение плотности и кинематической вязкости улучшит процесс распыления (испарения) активированного топлива и, следовательно, интенсифицирует процесс его горения. Изменение физических характеристик дизельного топлива должно обеспечить не только повышение эффективности его сгорания, но и улучшение энергетических показателей работы дизельной ЭУ.

По результатам измеренного при помощи индикатора ИМД-Ц ускорения разгона ɛ изм подсчитывалась эффективная мощность двигателя N е :

N e = aε пр + b, (1) где а и b – эмпирические коэффициенты для определения мощности;

ε пр – приведенное значение ускорения разгона:

£ пр = £ изм + △ £, (2) где £_изм - измеренное прибором ИМД-Ц ускорение разгона;

Де - поправка к измеренному ускорению на температуру (при температуре воды в радиаторе 70-90 ° С принимают △ £ =0):

Δε = 0,00137 ε ивм + 0,0875ε ивм + 0,0037t – 0,075,

где t – температура воды в радиаторе в диапазоне ниже 70 ° С [3, 8,10].

Часовой расход топлива определялся с помощью прибора АИР-50, меняя нагрузку на двигатель от 50 до 350 Н с использованием МИМа.

Основной параметр экономичности работы двигателя – удельный эффективный расход топлива q е , который определяли по данным эффективной мощности N е и часового расхода топлива G Т дизелем [5]:

где L – длина мерного участка, м ; t о п – продолжительность опыта, с;

– мощность, развиваемая трактором на крюке:

Р ⋅V

N_K == К , кВт , КР     10 ³

где Р кр – среднее усилие на крюке трактора, Н ; – часовой расход топлива:

q = 1000 ⋅ ^т , г/кВт·ч . ^e         N e

q_кр ⋅ N_кр

G_T = —--- —, кг / ч ;

Т 1000

– тяговый КПД трактора:

В результате обработки опытных данных определялись:

– средняя скорость поступательного движения трактора:

N кр

η=

тяг

е

;

– коэффициент использования веса трак-

тора:

L

V =---, м / с

tОП

,

р КР п = ——, / G    g .

где G – конструктивный вес трактора, Н;

– производительность МТА:

^W ч ⁼

0,1 ⋅ В ⋅ 1000 ⋅ 3600 ⋅ G ⋅ τ

^qкр ^{⋅ (}

9550-N -г -п e тр ηтр

, га/ч ,

n ⋅ r e к

- m ⋅ g ⋅ f)

где τ – коэффициент использования времени смены; q кр – удельный расход топлива, г/кВт ⋅ ч; i тр – передаточное число трансмиссии; η тр – КПД трансмиссии; n е – число оборотов двигателя, об/мин; r к – радиус качения ведущих колёс трактора, м; m – масса трактора, кг; f – коэффициент сопротивления качению.

Физико-механические свойства почвы определяли согласно ГОСТ 5180–84 [2, 5], основными среди которых были её влажность и плотность.

Опыты проводились в два этапа. На первом этапе использовался трактор МТЗ-80, работающий на стандартном дизельном топливе. На втором этапе использовался такой же трактор МТЗ-80, работающий на модифицированном топливе после импульсного электромагнитного воздействия на него.

Среднюю скорость движения трактора определяли на контрольном отрезке длиной 100 м с отсчётом времени при помощи секундомера.

Эксперименты проводились на почвенном фоне «Стерня» согласно ГОСТ 30745-2001 [5].

Заключительным этапом полевых опытов, как и лабораторных, предусмотрены получение данных с измерительных приборов, обработка их по расчётным формулам, систематизация и сведение результатов в таблицы.

Дымность отработанных газов измеряли дымомером МЕТА-01 МП 0.1. Устройство для электромагнитной обработки топлива было установлено в топливную систему дизеля между топливопроводом высокого давления и форсункой (рисунок 3).

Испытания проводились на территории учебно-научного производственного аграрного комплекса Луганского НАУ при выполнении МТА отвальной пахоты, как наиболее энергоёмкой операции по обработке почвы.

При выполнении полевых исследований оценка технического состояния двигателя трактора производилась при помощи компрессомет-ра, прибора ИМД-ЦМ [1, 3], замер расхода топлива осуществлялся расходомером в виде мерной колбы с краном, тяговое усилие на крюке трактора определяли динамометром В.П. Горячкина.

Рисунок 3 – Фрагмент замера токсичности отработанных газов прибором МЕТА-01 МП 0.1 ГТН ЛТ

В процессе эксперимента производились замеры следующих величин: ускорения, развиваемого двигателем, сопротивления рабочего орудия, расхода горючего за опыт, а также температуры и плотности дизельного топлива в мерной колбе, масла в ЭУ и дистилированной воды в рубашке охлаждения, текущей скорости и пройдённого пути МТА, частоты вращения коленчатого вала двигателя, продолжительности эксперимента. Фиксировали также порядковый номер передачи, глубину обработки и погодные условия.

Результаты исследований и их обсуждение. К настоящему времени поиски направлений повышения производительности машинно-тракторных агрегатов в основном сводятся к увеличению мощности энергетических средств и устранению негативного влияния в агрегате неустановившихся режимов работы сцепления в моменты переключения передач, резких изменений подачи топлива, глубины пахоты, варьирования процессов трогания и разгона. Результаты проведённых нами полевых опытов показывают возможность улучшения показателей работы МТА активацией дизельного топлива (таблица 1).

Таблица 1 – Результаты работы МТА на вспашке в условиях применения устройства для электромагнитной обработки топлива перед сгоранием и без него

го о	Замеряемые величины			Расчётые величины
	Ускорение	Удельный расход топлива	Число оборотов двигателя	Мощность на преодоление внешних сил	Часовой расход топлива	Производительность МТА, Wч, га/ч
	ε а , с─2	q e , г/кВт ⋅ ч	n, мин1	N e , кВт	G т , кг/ч
Базовый вариант работы МТА без активизации дизельного топлива
1	92,76	309,8	1910	22,01092	6,81892	1,564086
2	93,06	310,2	1890	22,13602	6,8665	1,53337
3	92,78	309,6	1910	22,01926	6,8172	1,562101
4	93,06	310	1890	22,13602	6,86206	1,5333278
5	92,94	310	1910	22,08598	6,851	1,5593788
Среднее		309,92	1902	22,07764	6,86314	1,55045272
Работа МТА с использованием активированного топлива
1	104,8188	292,6	2010	27,0398	7,911874	1,6839894
2	105,1578	291,6	1990	27,18082	7,92581	1,6559462
3	104,8414	292,4	2010	27,04886	7,909074	1,6837244
4	105,1578	291,2	1990	27,1808	7,9149234	1,6559126
5	105,0222	291,8	2010	27,12426	7,914824	1,6813796
Среднее		291,92	2002	27,114908	7,9153011	1,67219044

В базовом варианте работы МТА без активации топлива перед сгоранием вспашка проводилась на 5-й передаче с глубиной обработки почвы 25 см при средней рабочей скорости V ср = 7,5-8,5 км/ч , ширин захвата плуга ПЛН-3-35 составляла 1,05 м . Передаточное число трансмиссии на пятой передаче і тр =51,27 было определено расчётным путём, как и масса трактора m=3390 кг. Коэффициенты составляли: сопротивления качению по стерне f=0,07, использования времени смены τ =0,85, а полезного действия трансмиссии η тр =0,881057.

В варианте работы МТА с использованием активированного топлива вспашка проводилась уже на 6-й передаче. Передаточное число трансмиссии на 6-й передаче составляло

і тр =47,97, остальные параметры вспашки и коэффициенты оставались неизменными.

По данным таблицы 1 применение устройства для электромагнитной обработки топлива непосредственно перед подачей в цилиндры двигателя положительно влияет на такие показатели, как удельный расход топлива, который уменьшился на 18 г/кВт·ч , и эффективная мощность двигателя, увеличившаяся на 5,04 кВт . Совокупность этих результатов повышает производительность МТА на 0,122 га/ч.

При этом установлено (рисунок 4), что удельный расход активированного топлива, снижаясь по сравнению с базовым агрегатом, остаётся практически постоянным до более высокой частоты вращения коленчатого вала двигателя (1750 об/мин, а без активации 1650 об/мин).

1 и 2 – в вариантах работы без активации и с активацией топлива Рисунок 4 – Зависимость удельного расхода топлива от частоты вращения коленвала двигателя

1 и 2 – в вариантах работы без активации и с активацией топлива

Рисунок 5 – Зависимость эффективной мощности N е от частоты вращения коленвала двигателя в пахотном агрегате

Более полное сгорание топлива обеспечивает и повышение эффективной мощности трактора (рисунок 5) в диапазоне частот вращения коленвала двигателя до номинальной. Приведенные на этих двух рисунках данные по удельному расходу топлива и эффективной мощности имеют полиноминальную зависимость от частоты вращения коленвала с высокой достоверностью их аппроксимации R.

По данным этих экспериментов активация топлива обеспечивает не только улучшение экономических и эксплуатационных показателей работы МТА, но и экологических показателей. На выполнение вспашки 382 га земель фермер- ского хозяйства потребовалось 14,95 тонн дизельного топлива в варианте работы МТА без активации топлива, а в варианте с активацией – 14,08 тонны, что на 5,8% меньше. При этом расход кислорода на сжигание этого топлива МТА составил с активацией на 2,9 тонны, а воздуха на 12,49 тонны (или на 10,6 тыс. м3) меньше, чем без его активации в общепринятой технологии обработки почвы.

В таблице 2 представлены данные по количеству образованных продуктов сгорания дизельного топлива за время вспашки всей указанной площади полей хозяйства.

Таблица 2 – Сводные данные по количеству образовавшихся продуктов полного сгорания дизельного топлива (ДТ) за время вспашки 382 га земли

№ п/п	Наименование показателя	ДТ до обработки	ДТ после обработки
1	Количество углерода в топливе, тыс. кг	12,93	12,178
2	Количество образующегося углекислого газа, тыс. кг	47,41	44,65
3	Количество водорода в топливе, тыс. кг	1,913	1,802
4	Количество образующихся паров воды, тыс. кг	17,22	16,218
5	Количество серы в топливе, кг	44,844	42,234
6	Количество образующейся двуокиси серы, кг	89,689	84,469

По данным этой таблицы при сжигании активированного дизельного топлива ЭУ с устройством для электромагнитной обработки выделяется в среднем на 5,82% меньше вредных выбросов в атмосферу, чем при сжигании неактивированного, что способствует охране окружающей среды.

Выводы. Таким образом применение устройства для электромагнитной обработки топлива в полевых условиях активизирует процесс горения топливовоздушной смеси в цилиндрах ЭУ МЭС МТА.

При этом удельный расход активированного топлива уменьшается на 18 г/кВт·ч , а эффективная мощность двигателя увеличивается на 5,04 кВт в сравнении с работой двигателя на обычном дизельном топливе, что способствует повышению производительности пахотного МТА на 0,122 га/ч и снижению вредных выбросов в атмосферу почти на шесть процентов.