Теоретические аспекты повышения производительности МТА за счёт улучшения энергетических показателей сгорания дизельного топлива в цилиндрах ДВС

Введение. Основными энергетическими   ском хозяйстве являются двигатели внутренне- установками (ЭУ) технических средств в сель-   го сгорания. Наиболее распространенными тех- ническими средствами с ЭУ являются тракторы, которые входят в состав сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов (МТА), с помощью которых выполняются практически все сельскохозяйственные работы.

В условиях эксплуатации высокопроизводительная работа МТА определяется уровнем полезного использования мощности двигателя, установленного на тракторе. При выполнении машинно-тракторным агрегатом сельскохозяйственных энергоемких операций (культивации, пахоты, чизелевания, дискования и др.) на коленчатом валу двигателя непрерывно изменяется внешний момент сопротивления, что вызывает существенные вариации как скорости движения агрегата, так и частоты вращения его коленчатого вала [6, 9].

Повышение внешнего сопротивления в процессе движения МТА сопровождается ростом момента сопротивления коленчатого вала, из-за этого у дизельного двигателя крутящий момент достигает значения, превышающего номинальное. В этом случае обычно срабатывает центробежный регулятор частоты вращения, увеличивая подачу топлива в среднем на 10-15% перемещением рейки ТНВД по сравнению с номинальной подачей. При дальнейшем же повышении внешнего сопротивления возможно возникновение кратковременных перегрузок двигателя, которые невозможно преодолеть описанным выше способом. Такой режим работы дизельного двигателя нестабилен, и он может остановиться.

Переключение на более пониженную передачу позволяет машинно-тракторному агрегату преодолеть такие кратковременные перегрузки, которые отрицательно влияют на ход выполняемого рабочего процесса. Однако этот вынужденный переход на более низкую передачу приводит к повышенному расходу топлива, падению рабочей скорости, из-за чего производительность МТА снижается.

Для повышения производительности машинно-тракторного агрегата и преодоления краткосрочных перегрузок возникает необходимость улучшения мощностных и экономических показателей сельскохозяйственных тракторов [6,8].

Резервы совершенствования ДВС с точки зрения энергосбережения традиционными высокотехнологичными способами к настоящему времени практически полностью исчерпаны, из-за чего появилась потребность разработки но- вых решений в дальнейших направлениях их модернизации. Их поиск целесообразен не в области механики, в которой достигнут коэффициент полезного действия (КПД) до 0,9, а в области совершенствования процесса работы двигателей, который всё ещё характеризуется достаточно низким КПД (на уровне 0,25-0,55%) [9,10].

Методы исследований. В работе использованы в основном теоретические исследования, базирующиеся на известных законах математики, теоретической механики, физики, гидравлики и других наук. Для получения расчётных зависимостей привлечены методы экономической оценки работы МТА и их анализа.

Результаты исследований и их обсуждение. Основное внимание далее уделено следующим показателям эффективности работы ДВС: термическому и механическому КПД, а также топливной эффективности.

Основным показателем топливной эффективности является количество дизельного топлива, которое эффективно сгорает в двигателе. Термический КПД показывает, какое количество тепла из полученного в результате сжигания топлива превратилось в полезную работу, и одновременно даёт сведения о той части тепла, которая рассеивается в окружающем пространстве. Механический же КПД оценивает количество механической работы, которая превращается в силу крутящего момента на коленчатом валу двигателя внутреннего сгорания, и показывает, какая часть её расходуется бесполезно на трение.

В настоящее время ДВС по сумме термических и механических потерь имеют КПД до 30%. Однако этим значением КПД не учтена доля от не сгоревшего топлива, то есть не оценена полноценность процесса сгорания топлива в цилиндрах двигателя. С учётом этого параметра реальный КПД у бензиновых двигателей будет не более 20%, а у дизелей - примерно на 5-7% выше этого значения [7].

Таким образом, ЭУ в среднем сжигают до 75% топлива, а остальная часть топлива (25%) и продуктов неполного сгорания уходит в окружающий воздух через выхлопную трубу. Следовательно, полноценно сгорает в существующих отечественных и зарубежных двигателях и переводится в тепло только 75% топлива. Ежегодно потери горючего по этой причине в нашей стране превышают 8 миллионов тонн.

Это свидетельствует о необходимости и актуальности разработки нового способа, улучшающего процесс сгорания топлива в современных ДВС, что с учётом дополнительно преобразованной в полезное тепло той части топлива, которая до этого «вылетала» в выхлопную трубу, может повысить производительность МТА, увеличить энергоэффективность и позволит дизелю легче адаптироваться к изменчивым условиям эксплуатации МТА [3].

Под энергоэффективностью при этом понимается показатель удельного количества использования энергетических углеводородных ресурсов при производстве единицы продукции сельскохозяйственного назначения. А в качестве единицы продукции сельскохозяйственного назначения принята площадь, обработанная МТА, в состав которого входит МЭС с модернизированной топливной системой ЭУ.

Суть этой модернизации заключается в установке на двигателе устройства для электромагнитной обработки дизельного топлива перед сгоранием. Достигается это посредством монтажа в форсунке специального соленоида с полым основанием из меди, который представляет часть топливопровода.

Дадим далее количественную и качественную оценки мощностных возможностей ЭУ МЭС МТА, зависящих от физических (магнитная проницаемость и восприимчивость) и химических (плотность, вязкость, температура вспышки, фракционный состав) свойств топлива, оказывающих влияние на энергонасыщенность его.

Производительность МТА, как известно, определяется по формуле [5, 8]:

W₄ = C_w-B p -V p -T , га/ч, (1) где В р – ширина захвата МТА;

V p - скорость его движения;

т - коэффициент использования времени смены;

C w – коэффициент, равный для скорости движения в км/ч – C w = 0,1, а в м/с – C w = 0,36.

Производительность – это общепринятый выполненный определённый объём работ в единицу времени. Основываясь на этом, произ- водительность МТА можно также определить по формуле

W₄ = | , га/ч.                   (2)

Согласно [2, 10] при вспашке, например:

^W = ^0,1 •      • П • ^£ n_t • ^£ В р •^T , га/ч, (3)

^пл и                р где sNt и Евр — степени использования мощности трактора и конструктивной ширины захвата;

N_e - эффективная мощность трактора; к пл - удельное тяговое сопротивление плуга; η т – КПД трактора;

а - глубина вспашки.

Правые части формул (2) и (3) равны, поэтому после преобразований получим для определения площади, обработанной МТА, в зависимости от мощности ЭУ МЭС выражение

S = t • 0,1 •       • п • ^£ n_t • ^£ в_р • т , га. (4)

^К пл *^{а                   р}

Анализируя данное выражение, можно сделать вывод о том, что с повышением мощности ЭУ МЭС МТА возрастает возможная обрабатываемая МТА площадь.

Представим часовой расход топлива G_T [1, 3], приведенный к единицам объёмного его измерения с учётом удельного его расхода q кр (г/кВт·ч) и крюковой мощности N кр (кВт):

G = Q k_e:ⁿkp , м^з/ч,               (5)

^T       1000-р        ^,                  ' '

где ρ – плотность топлива, кг/м³.

Учитывая намагниченность топлива и его молекулярный вес М (кг/моль) в определении ρ

[3], получим:

GT

Q kp ’^N kp ’X m

1000-/УМ ,

м3/ч

где χ м – молярная магнитная восприимчивость топлива, м³/моль;

χ v – объёмная магнитная восприимчивость (безразмерная величина).

Тогда известная формула для определения производительности МТА [4] с учётом мощности трактора на крюке [10] будет иметь вид:

W4 = ^

9кр^("

0,^В_рЛ000^600Ч1 кр^кр -1?Хм^У    _ 0,1^В_р-ир-С^Х м ^Р

’9550-jV_e-i_Tp B-e'Tk

■ -т^у/^^ІООО^/уМ^ЗбОО

/уМ

, м²/с.

Критерием оптимальности при выборе МЭС для МТА являются минимальные удельные энергозатраты и расход топлива ЭУ [6]:

Э п = -^ , МДж/м 2 ,     (8)

Dp'Vp где η – коэффициент использования мощности МЭС.

Так как произведение Вр • vp представляет производительность МТА за единицу чистого времени, то критерий удельных энергозатрат эквивалентен его максимальной производи тельности на единицу мощности [9]:

W₄ =        га/ч.              (9)

• ⁴       N_e- п ^,

Воспользовавшись правилом эквива лентности Эп = ^ [6] для известной формулы производительности [4], получим:

Э

9кр'("

•9550-ЛГ_е-Ітр- птр ^е-тқ

m-g-f)

■Ne"3,6

0,1-5p-1000-3600-GT-T

, мДж/м2.

Таким образом, полученное выражение (10) представляет собой критериальную оценку энергозатрат МТА, в которой учитывается не только мощность, но и удельный расход топлива агрегатом.

Учитывая средние показатели работы агрегата, расчётные энергозатраты по использованию мощности на базовой ЭУ МЭС МТА составят 51,277 МДж/га.

На модернизированной ЭУ МЭС МТА эти энергозатраты по использованию мощности выросли до 58,451 МДж/га.

В этом случае затраты энергии повысились на 7,174 МДж/га, что связано с активацией топлива устройством для его электромагнитной обработки. Однако при этом улучшилась полнота сгорания с высвобождением большего коли- чества энергии, что привело к увеличению производительности агрегата на 0,12 га/ч.

Используем далее общепринятую методику и формулу [5, 8, 10] для определения удельных энергозатрат по применению топлива в расчёте на единицу выполненной работы:

МДж га "

^Э Ч кр ^42,7'9 кр '

По ней при среднем значении расхода топлива на выполнение вспашки с использованием базовой ЭУ МЭС МТА удельные энергозатраты по расчётам будут равны 13235,292 МДж/га, а с использованием модернизированной ЭУ МЭС МТА они составят 12464,984 МДж/га, то есть снизятся почти на 6%.

Выводы. Под действием электромагнитного поля, создаваемого соленоидом предложенного устройства для обработки горючего, из него выделяется большее количество энергии в связи с увеличением полноты сгорания.

Применение такого устройства для электромагнитной обработки топлива обеспечивает снижение энергозатрат на используемое топливо в расчёте на единицу выполненных работ на 770 МДж/га в сравнении с используемой в настоящее время ЭУ МЭС МТА, что позволяет рекомендовать его к широкому внедрению в сельском хозяйстве.