Улучшение эксплуатационных показателей автотракторной техники совершенствованием работы двигателей на холостом ходу

На правах рукописи

Уханов Денис Александрович

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКИ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

НА ХОЛОСТОМ ХОДУ

Специальность 05.20.03 – Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Саратов – 2009

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский аграрный университет им. Н.И. Вавилова»

Научный консультант	доктор технических наук, профессор Загородских Борис Павлович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Цыпцын Валерий Иванович
	доктор технических наук, профессор Сенин Петр Васильевич
	доктор технических наук, доцент Истомин Сергей Викторович
Ведущая организация	ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Защита состоится 24 апреля 2009 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова»

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл. 1, ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан «_____»______________2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Н.П. Волосевич

Общая характеристика работы

Актуальность темы. При остановках и стоянках автотракторной техники (тракторов, комбайнов, автомобилей и др.) с невыключенным двигателем последний работает на малых оборотах типового самостоятельного режима холостого хода (РХХ), который из-за пониженных цикловых подач топлива и некачественного смесеобразования характеризуется ухудшенным протеканием рабочего процесса в цилиндрах. Внешними признаками этого безнагрузочного режима являются нестабильная (неустойчивая) работа двигателя, непроизводительный расход топлива, повышенное содержание вредных веществ в отработавших газах и интенсивное нагаро- и смолоотложение на деталях и впускном тракте.

Хронометраж времени и замер расхода топлива у различной автотракторной техники при выполнении ими производственных функций показывают, что на типовом самостоятельном РХХ двигатели автомобилей работают 15-30%, с.-х. тракторов 4-29% и зерноуборочных комбайнов 5-16% фонда рабочего времени, сжигая при этом «впустую» (не производя полезной работы) соответственно 7-15%, 6-12% и 5-17% суммарного расхода топлива. В зимних условиях эксплуатации, и особенно в условиях Северных широт, время работы двигателей на РХХ еще более возрастает. Все это приводит к существенным потерям топлива и перерасходу денежных средств.

Таким образом, на самостоятельном РХХ двигатель расходует топливо, но при этом автотракторная техника полезную работу не выполняет. Однако этот режим объективно присущ поршневым ДВС, поэтому улучшить показатели самого двигателя и эксплуатационные показатели автотракторной техники можно только за счет принципиально новых подходов к реализации режима холостого хода.

В связи с этим исследования, направленные на улучшение эксплуатационных показателей автотракторной техники путем совершенствования работы двигателей на холостом ходу являются актуальными и практически значимыми для экономики страны и аграрного производства в частности.

Работа выполнена в соответствии с программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006 – 2010 г.г., по плану НИОКР Пензенского центра Поволжского отделения ООО «Российская академия транспорта», ФГОУ ВПО «Саратовский аграрный университет им. Н.И. Вавилова» и ФГОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия» при техническом содействии ОАО «Тракторная компания «Волгоградский тракторный завод», ГУП «Терновкаагросервис» г.Пенза, ООО «Евросервис-Беково» Пензенской области и Министерства сельского хозяйства Самарской области.

Цель исследований – улучшение эксплуатационных показателей автотракторной техники путем совершенствования работы двигателей на холостом ходу за счет управляющих воздействий на орган топливоподачи, обеспечивающих периодически повторяющиеся такты отключения и такты включения подачи топлива.

Объект исследования – процесс работы тракторных, комбайновых и автомобильных двигателей в типовом и экспериментальном режимах самостоятельного холостого хода.

Предмет исследований – технико-экономические показатели двигателей на холостом ходу (дизели 4Ч 11/12,5 (Д-240), 4ЧН 13/14 (Д-440), 6ЧН 12/14 (СМД-31А), 8Ч 13/14 (ЯМЗ-238М2), бензиновые карбюраторные двигатели 4Ч 9,2/9,2 (УМЗ-414, ЗМЗ-402) и 4Ч 7,6/8 (ВАЗ-2103), бензиновый впрысковый двигатель 4Ч 8,2/7,1 (ВАЗ-2111)) и эксплуатационные показатели автотракторной техники (тракторы МТЗ-80 и ДТ-75М, з/у комбайн ДОН-1500, автомобили МАЗ-53366, ГАЗ-33021, ВАЗ-21061 и ВАЗ-2112).

Научную новизну работы представляют:

0. способ работы двигателей автотракторной техники на режиме самостоятельного холостого хода;
1. математическая модель управления работой двигателя в экспериментальном режиме холостого хода;
2. расчетно-теоретическое обоснование параметров управляющих воздействий и показателей рабочего процесса двигателей в экспериментальном режиме холостого хода;
3. критерии выбора нижнего значения интервала изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя в цикле экспериментального режима холостого хода;
4. системы автоматического управления тракторными, комбайновыми и автомобильными двигателями в экспериментальном режиме холостого хода;
5. эксплуатационные показатели автотракторной техники с учетом работы двигателей на экспериментальном режиме холостого хода.

Новизна способа работы двигателей автотракторной техники на холостом ходу и устройств для его осуществления подтверждена патентами РФ на изобретения (№ 2170914, № 2204730, № 2296236, № 2302542).

Практическая значимость работы. Системы автоматического управления, реализующие разработанный способ (экспериментальный режим), позволяют существенно повысить эффективность работы автотракторной техники и улучшить технико-экономические и экологические показатели тракторных, комбайновых и автомобильных двигателей на холостом ходу.

При работе дизеля Д-240 трактора МТЗ-80 на экспериментальном режиме холостого хода (400 мин-1) часовой расход топлива снижается в 2,2 раза, общая загрязненность поверхности поршней – 1,9 раза, содержание продуктов износа в моторном масле на 10,4%, интенсивность закоксовывания распылителей форсунок – 4,6%, содержание в отработавших газах оксида углерода, углеводородов и оксидов азота – 20…50% по отношению к типовому режиму (800 мин-1). При этом погектарный и производительный расход топлива трактора, работающего с использованием экспериментального РХХ, уменьшился соответственно на 0,3 кг/га и 0,25 кг/мото-ч.

У дизеля СМД-31А зерноуборочного комбайна ДОН-1500 на эксплуатационных режимах с использованием экспериментального РХХ (600 мин-1) суммарный расход топлива снижается в 1,09 раза, расход топлива на единицу выполненной работы комбайном на 0,01 кг/ц и 0,5 кг/га по сравнению с работой дизеля с использованием типового РХХ (800 мин-1). При этом на экспериментальном РХХ концентрация в отработавших газах оксида углерода и углеводородов снижается в 1,2-1,4 раза по отношению к работе дизеля на типовом РХХ.

При работе дизеля ЯМЗ-238М2 автомобиля МАЗ-53366 на экспериментальном РХХ (600 мин-1) часовой расход топлива снижается в 1,3 раза, содержание оксида углерода в отработавших газах на 14% по отношению к типовому РХХ (600 мин-1). При этом путевой и транспортный расходы топлива с использованием типового РХХ составили соответственно 39,37 л/100 км и 4,54 л/100, а с использованием экспериментального РХХ – 38,96 л/100 км и 4,49 л/100.

У двигателя ЗМЗ-402 автомобиля ГАЗ-33021, карбюратор которого оснащен электропневматическим клапаном ЭПХХ, при работе на экспериментальном РХХ (800 мин-1) часовой расход топлива снижается на 8…22% (в зависимости от типа системы зажигания) по сравнению с работой двигателя на типовом РХХ (800 мин-1).

У двигателя ВАЗ-2103 автомобиля ВАЗ-21061, карбюратор которого оснащен электромагнитным клапаном ЭПХХ, часовой расход топлива на экспериментальном РХХ (850 мин-1) снижается на 4…10% (в зависимости от типа системы зажигания) по сравнению с типовым РХХ (850 мин-1).

Достоверность результатов работы подтверждается сравнительными исследованиями дизельных и бензиновых двигателей в стендовых и эксплуатационных условиях с использованием тензотермометрической и осциллографической аппаратуры, контрольно-измерительных приборов и разработанных средств для воспроизведения экспериментального режима холостого хода на различной автотракторной технике. В работе применялись основные положения теории поршневых ДВС и эксплуатации машинно-тракторного парка, теории автоматизации быстропротекающих процессов с обработкой опытных данных на ПЭВМ.

Реализация исследований. Разработанный способ работы двигателей на режиме самостоятельного холостого хода и устройства для его осуществления (системы автоматического управления) внедрены в ОАО «Тракторная компания «Волгоградский тракторный завод» и в агропредприятиях Пензенской и Самарской областей.

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты доложены и одобрены на постоянно-действующих международных семинарах по проблемам эксплуатации ДВС и улучшению их показателей Санкт-Петербургского ГАУ (2000, 2002 и 2003г.г.) и Саратовского ГАУ (2002, 2006, 2007, 2008г.г.), научно-технических конференциях Пензенской ГСХА (2001-2007г.г.), Самарской ГСХА (2001, 2002, 2005, 2008г.г.) и Чебоксарского института (филиала) МГОУ (2005г.), международных научно-технических конференциях Мордовского государственного университета (2002г.), Пензенского государственного университета (2000, 2001г.г.), Пензенской ГАСА (2000, 2002г.г.), Приволжского Дома знаний (2000г.), научно-практических конференциях вузов Поволжья и Предуралья (2004, 2005г.г.), Всероссийских НПК Ульяновской ГСХА (2008г.) и Московского ГАУ (2008г.).

Системы автоматического управления работой двигателей автотракторной техники на экспериментальном РХХ экспонировались на V, VI и VII Всероссийской выставке «НТТМ-2005», «НТТМ-2006» и «НТТМ-2007» (г. Москва – ВВЦ), IV Ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов Приволжского Федерального округа (г. Саранск, 2006г.), VII Московском международном салоне инноваций и инвестиций (ВВЦ, 2007г.), I Инновационном форуме Пензенской области (2007г.), областных и городских выставках г.Пензы (2000-2003, 2007г.г.), где отмечены медалью и дипломами.

Публикации результатов исследований. По результатам исследований опубликовано 67 печатных работ, в т. ч. 13 статей в изданиях, указанных в «Перечне … ВАК», получено 4 патента РФ, в т.ч. 2 патента на способ и устройство. Общий объем публикаций составляет 25,9 п.л., из них 13,4 п.л. принадлежит соискателю.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 316 наименований (в т.ч. 9 на иностранных языках) и приложения на 64 страницах. Работа изложена на 386 страницах, содержит 187 рисунков и 39 таблиц.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

6. способ работы двигателей автотракторной техники на режиме самостоятельного холостого хода;
7. математическое описание процесса управления работой двигателей автотракторной техники в экспериментальном режиме холостого хода;
8. расчетно-теоретическое обоснование состава топливовоздушной смеси, показателей рабочего процесса двигателей и эксплуатационных показателей автотракторной техники в экспериментальном режиме холостого хода;
9. параметры управляющих воздействий на орган топливоподачи и конструктивные варианты систем автоматического управления двигателей автотракторной техники в экспериментальном режиме холостого хода;
10. технико-экономические и экологические показатели (индикаторная мощность, удельный индикаторный расход топлива, износ, виброколебания, лаконагарные отложения; часовой, погектарный, путевой и транспортный расходы топлива, расход масла на угар; дымность, содержание в отработавших газах углеводородов, оксидов углерода и азота) двигателей автотракторной техники при их работе на типовом и экспериментальном режимах холостого хода.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика работы, изложены научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе «Особенности работы тракторных, комбайновых и автомобильных двигателей на типовом режиме самостоятельного холостого хода» рассмотрены особенности работы двигателей на типовом режиме самостоятельного холостого хода, выполнен обзор и анализ существующих способов улучшения работы двигателей на холостом ходу, а также устройств для их осуществления.

Известные способы и устройства не нашли широкого применения на автотракторной технике с.-х. назначения, так как они не улучшают в комплексе основные технико-экономические и экологические показатели двигателя в РХХ и, особенно, на малых частотах вращения коленчатого вала (к.в.).

Проблемная ситуация заключается в том, что на типовом РХХ, в связи с отсутствием внешней нагрузки (момента сопротивления) на коленчатом валу, вся индикаторная работа () от сгораемого топлива расходуется на преодоление механических потерь двигателя, т.е. . Величина работы механических потерь () на пониженных частотах вращения к.в. имеет небольшое значение, поэтому для обеспечения такой же по величине индикаторной работы требуются малые подачи топлива за рабочий цикл двигателя. В свою очередь, из-за малых цикловых подач топлива ухудшаются процессы смесеобразования и сгорания топливовоздушной смеси, что негативным образом сказывается на показателях двигателя и, как следствие, на эксплуатационных показателях автотракторной техники.

Для решения этой проблемы предлагается экспериментальный РХХ, на котором работа двигателя осуществляется периодически повторяющимися циклами, состоящими из тактов включения подачи топлива (тактов разгона) и тактов полного отключения подачи топлива (тактов выбега). Такой режим позволяет перераспределить индикаторную работу по тактам: на такте разгона за счет повышенной цикловой подачи топлива (по сравнению с типовым РХХ) обеспечивается ее прирост на величину работы, затрачиваемой на преодоление сил инерции () подвижных деталей двигателя (), т.е. на накопление кинетической энергии; на такте выбега за счет нулевой цикловой подачи топлива индикаторная работа равна нулю (, ), т.е. кинетическая энергия, накопленная в такте разгона, расходуется на преодоление механических потерь. Следовательно, на такте выбега рабочий процесс в двигателе не осуществляется, однако за это время цилиндры практически полностью очищаются от отработавших газов и они лучше подготовлены к осуществлению рабочего процесса в такте разгона. На такте разгона рабочий процесс двигателя осуществляется с повышенными цикловыми подачами топлива при незначительном присутствии в цилиндрах остаточных газов, что способствует более качественному смесеобразованию и полному сгоранию топливовоздушной смеси.

Таким образом, периодически повторяющиеся такты отключения и такты включения подачи топлива создают условия для совершенствования работы двигателей на холостом ходу и улучшения эксплуатационных показателей автотракторной техники. При этом важной составляющей этой научной проблемы является теоретическое обоснование закономерностей перемещения органа топливоподачи и параметров управляющих воздействий, которые обеспечивают работу двигателя на экспериментальном режиме.

Существенный вклад в разработку способов и устройств для улучшения работы двигателей в РХХ внесли А.В. Николаенко (ЛСХИ-СПбГАУ), В.Д. Дудышев (РЭА), В.М. Архангельский, Б.С. Стечкин (МАДИ-ГТУ), Б.Д. Ефремов (СПбГАУ), N.A. Gershenfeld (General Motors), С.В. Тимохин (ПГСХА) и другие исследователи.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Разработать способ работы двигателей автотракторной техники на режиме самостоятельного холостого хода.
2. Математически описать процесс управления работой двигателей в экспериментальном режиме холостого хода и теоретически обосновать параметры управляющих воздействий на орган топливоподачи двигателей.
3. Разработать критерии выбора нижнего значения интервала изменения частоты вращения коленчатого вала в цикле экспериментального режима холостого хода.
4. Разработать, изготовить и исследовать в лабораторных и эксплуатационных условиях системы автоматического управления тракторными, комбайновыми и автомобильными двигателями в экспериментальном режиме холостого хода.
5. Выполнить моторные исследования дизельных и бензиновых двигателей при работе на типовом и экспериментальном режимах холостого хода по показателям рабочего процесса, топливно-экономическим, экологическим, лаконагарным, износным и вибрационным показателям.
6. Проанализировать и оценить результаты эксплуатационных исследований автотракторной техники с учетом работы двигателей на экспериментальном режиме холостого хода.

7. Экономически обосновать и внедрить в производство результаты теоретических, опытно-конструкторских и экспериментальных исследований.