Улучшение эксплуатационных показателей автотракторной техники совершенствованием работы двигателей на холостом ходу

• тракторным, комбайновым и автомобильным дизелям;
• автомобильным карбюраторным и впрысковым двигателям.

Основными частями САУ являются электронный блок управления и исполнительный механизм, электрически соединенные между собой. Блок управления подключается к бортовой сети электрооборудования того или иного вида автотракторной техники (трактор, комбайн, автомобиль и др.). В качестве исполнительного механизма у дизелей служит электромагнит (соленоид), сердечник которого кинематически соединен с органом управления топливоподачей (рейкой или дозатором ТНВД, рычагом центробежного РЧВ, скобой останова двигателя). У бензиновых двигателей функции исполнительного механизма выполняют штатные электромагнитные устройства (электромагнитные или электропневматические клапаны ЭПХХ карбюратора, электромагнитные форсунки и регулятор холостого хода).

У дизелей, в зависимости от командных сигналов, формируемых на выходе блока управления, исполнительный механизм перемещает орган управления топливоподачей в сторону отключения и последующего включения подачи топлива, создавая последовательно чередующие относительно продолжительные такты выбега и разгона в области пониженных частот вращения к.в. от некоторого верхнего предела (например, мин-1) до нижнего предела (например, мин-1). При этом средняя частота вращения к.в. за цикл экспериментального РХХ составит мин-1.

а) САУ тракторного дизеля	б) САУ комбайнового дизеля
в) САУ автомобильного дизеля	г) САУ карбюраторного двигателя с электромагнитным клапаном
д) САУ карбюраторного двигателя с электропневматическим клапаном	е) САУ впрыскового двигателя

Рисунок 4 – Системы автоматического управления двигателями автотракторной техники на экспериментальном РХХ: 1 – электронный блок управления;

2 – электромагнитный исполнительный механизм (соленоид или

клапан); 3 – тахометр; 4 – штекер; 5 – разъемы

Отличительной особенностью САУ дизеля Д-440, оснащенного антидымным пневматическим корректором, является электромагнитный исполнительный механизм, якорь которого перемещаясь в предварительно просверленном осевом отверстии штока диафрагмы корректора воздействует на вильчатый рычаг РЧВ в сторону отключения и включения подачи топлива. При пуске дизеля антидымный корректор сохраняет свои прямые функции.

У бензиновых карбюраторных двигателей по командным сигналам блока управления периодически повторяющиеся такты отключения и включения подачи топлива (или ТВС) осуществляются перекрытием и открытием электромагнитным (или электропневматическим) клапаном ЭПХХ топливного жиклера (или выходного канала) системы холостого хода карбюратора. При этом подача топлива (или ТВС) в цилиндры двигателя осуществляется через кратковременные интервалы дозированными порциями.

У бензиновых впрысковых двигателей за счет обмена информации между блоком управления САУ и штатным контроллером двигателя происходит перенастройка (перепрограммирование) последнего на более обедненный состав ТВС, необходимый для работы двигателя на пониженной частоте вращения к.в. экспериментального РХХ.

В четвертом разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» излагаются общая программа и частные методики исследований с описанием объектов и аппаратуры для исследований.

Программа исследований включала: контрольные испытания агрегатов дизельной топливной аппаратуры, карбюраторов и агрегатов электрооборудования на соответствие их параметров технического состояния требованиям соответствующих госстандартов и технических условий; эксплуатационные наблюдения за работой автотракторной техники для определения фактического времени работы двигателей на самостоятельном РХХ; безмоторные исследования дизельной топливной аппаратуры для оценки влияния хода рейки (дозатора) ТНВД на цикловую подачу топлива и параметры процесса впрыскивания (давление топлива перед форсункой, объемная скорость впрыскивания и скорость нарастания давления); лабораторные исследования карбюраторов по определению пропускной способности топливного жиклера (или выходного канала) карбюратора, перекрываемого электромагнитным (или электропневматическим) клапаном ЭПХХ в зависимости от параметров управляющих импульсных сигналов, а также агрегатов системы зажигания и генератора переменного тока; моторные исследования дизельного и карбюраторного двигателей для определения минимальной частоты вращения к.в. на экспериментальном РХХ; моторные исследования дизельных и бензиновых двигателей для оценки их работы на типовом и экспериментальном РХХ по показателям рабочего процесса и параметрам впрыскивания топлива, индикаторным и эффективным показателям, износным и лаконагарным показателям, по показателям безопасности (виброколебания) и экологичности; эксплуатационные исследования тракторов, комбайнов и автомобилей с учетом работы двигателей как на типовом РХХ, так и экспериментальном РХХ, по экономическим, экологическим, вибрационным, износным и лаконагарным показателям.

При проведении экспериментальных исследований использован принцип сопоставления оценочных показателей работы на типовом и экспериментальном РХХ на основе анализа различных характеристик дизельных и карбюраторных двигателей и снятых осциллограмм рабочего процесса.

Хронометраж рабочего времени проводился в условиях городской и сельской езды автомобилей (ГАЗ-33021, ГАЗ-32213, ГАЗ-3307, УАЗ-3741) при выполнении ими производственных функций, а также в процессе уборки урожая зерноуборочными комбайнами ДОН-1500 и СК-5М «НИВА».

Пропускная способность топливного жиклера и выходного канала системы холостого хода (СХХ) карбюратора, перекрываемого электромагнитным (электропневматическим) клапаном ЭПХХ в зависимости от параметров управляющих импульсов САУ (длительности и паузы), поступающих в обмотку клапана, измерялась прибором К-2 с выводом информации на ПЭВМ через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) LA-2USB.

Моторные исследования двигателей Д-240 и УМЗ-414 проводились в стендовых условиях на динамометрической машине КИ-5543 и KS-56/4 со штатными контрольно-измерительными приборами (весовое устройство тормоза, измерители температуры, манометр, тахометр) и скомплектованным измерительно-регистрирующим комплексом, включающим в себя датчики температуры топлива и воздуха, пьезокварцевый и тензометрический датчик давления газов DW-150 и ДАВ-078-18, датчик давления топлива конструкции ЦНИТА, индуктивный датчик частоты вращения коленчатого вала (к.в.), фотодатчик ВМТ, осциллографы Н-117/1 и С1-99, усилители ТОПАЗ-3-02 и 8АНЧ-7М, диагностические приборы ЭМДП и ИМД-ЦМ, мультиметр, газоанализатор-дымомер (АВТОТЕСТ СО-СН-Д), газоанализаторы ГИАМ-27.01, ГИАМ-27.02, ГИАМ-27.04, АЦП LA-2USB и ПЭВМ.

В процессе экспериментов измерялись и регистрировались следующие параметры: давление цилиндровых газов, частота вращения к.в., концентрация вредных веществ в отработавших газах, расход топлива и воздуха, температура охлаждающей жидкости, моторного масла, окружающего воздуха, топлива в поплавковой камере карбюратора, воздуха на впуске в карбюратор, износ деталей кривошипно-шатунного механизма (КШМ) двигателя, расход масла на угар. Замер расхода топлива и воздуха производился соответственно с помощью расходомера топлива и диафрагменного газового счётчика. Износ определялся после определенной наработки двигателя УМЗ-414 в стендовых условиях и дизелей Д-240, СМД-31А в составе машины на типовом и экспериментальном РХХ при минимально-устойчивой частоте вращения к.в. соответственно 800…650 мин-1 и 600…400 мин-1 путем микрометража и взвешивания деталей, а также по наличию в пробах моторного масла продуктов износа. Замеры износа основных деталей КШМ производились микрометрами МК 75-100 мм, МК 50-75 мм и нутромером индикаторным НИ-100М. Для определения износа поршневых колец и подшипников скольжения по их массе использовались весы AND GR 200. Анализ проб моторного масла проводился в аккредитованных лабораториях ООО «Пенза-Терминал», ГУП «Терновкаагросервис» (г.Пенза) и НИИАР (г.Димитровград).

Экспериментальный режим самостоятельного холостого хода на всех типах двигателей осуществлялся с помощью разработанных САУ.

Моторные исследования двигателей Д-240, СМД-31А, ЯМЗ-238М2, ЗМЗ-402 и ВАЗ-2103 проводились непосредственно на тракторе МТЗ-80, комбайне ДОН-1500 и автомобилях МАЗ-53366, ГАЗ-33021, ВАЗ-21061 с использованием приборов для замеров расхода топлива, виброколебаний, экологических показателей и приспособлений для оценки лаконагарных отложений. На тракторе ДТ-75М и автомобиле ВАЗ-2112 выполнялись исследования, связанные только с проверкой работоспособности САУ и замером расхода топлива при работе двигателей Д-440 и ВАЗ-2111 на типовом и экспериментальном режимах холостого хода. Двигатели автомобилей ГАЗ-33021 и ВАЗ-21061 оснащались контактной и бесконтактной системами зажигания.

Нижнее значение частоты вращения к.в. в конце такта выбега экспериментального РХХ определялось по величине наведенной ЭДС в сопряжениях двигателя и по резонансной частоте виброколебаний. ЭДС замерялась с помощью миллимикровольтамперметра и ртутного токосъемного датчика, подсоединенного к коленчатому валу. Осциллограммы виброколебаний снимались с помощью виброкомплекта К001 (осциллограф НО41УЧ2, регулятор увеличения Р001 и вибродатчики И001Г).

Сравнительные эксплуатационные исследования проводились на тракторе МТЗ-80, комбайне ДОН-1500, автомобилях МАЗ-53366, ГАЗ-33021 и ВАЗ-21061.

Контроль за наработкой тракторов и комбайнов осуществлялся по мотосчетчику и по заборной карте текущего и суммарного расходов топлива, одновременно велся учет выполненных работ. У автомобиля контролировался текущий и суммарный расходы топлива, пробег и величина транспортной работы.

За эксплуатационные показатели автотракторной техники приняты: производительный, погектарный, путевой и транспортный расходы топлива, а также относительный расход масла на угар.

Обработка экспериментальных данных производилась на ПЭВМ с использованием программ Microsoft Excel, MahtCAD 2001 RUS, Mahtcad 14, Дизель-РК и др.

В пятом разделе «Результаты экспериментальных исследований» приводятся результаты и анализ безмоторных, моторных и эксплуатационных исследований.

Экспериментальные исследования проводились на двигателях: трактора МТЗ-80, комбайна ДОН-1500 и автомобилях МАЗ-53366, ГАЗ-33021 и ВАЗ-21061.

а) дизель Д-240 (4Ч 11/12,5)

По результатам безмоторных исследований насоса УТН-5А, отрегулированного на показатели дизеля Д-240, установлено, что с уменьшением хода рейки и частоты вращения кулачкового вала () средняя цикловая подача топлива () и другие параметры топливоподачи снижаются. Наиболее интенсивное их снижение в зависимости от происходит при фиксированном положении рейки, когда обеспечивается менее 50% от номинальной подачи (). Так, например, при ходе рейки, обеспечивающей и частоте вращения мин-1 давление топлива перед форсункой понижается по отношению к номинальной подаче с 26,5 до 14,6 МПа, объемная скорость впрыскивания с 5,6 до 0,76 мм3/град, а скорость нарастания давления топлива с 2,3 до 1,5 МПа/град. Поэтому для получения наилучших параметров процесса впрыскивания топлива (при прочих равных условиях) на каждом скоростном режиме холостого хода необходимо, чтобы при фиксированном положении рейки цикловая подача соответствовала величине более 50% от номинальной подачи. Это является основополагающим моментом для практической реализации экспериментального РХХ, т.к. такт разгона происходит при .

По результатам моторных исследований дизеля Д-240 при его работе на типовом и экспериментальном РХХ сняты индикаторные диаграммы и построены характеристики холостого хода, показывающие изменение среднего индикаторного давления (), индикаторной мощности (), удельного индикаторного расхода топлива () и индикаторного КПД () в зависимости от частоты вращения к.в. (n). При этом установлено, что на малых оборотах типового РХХ дизель работает в области, близкой к максимальным значениям . Например, на минимальной частоте вращения к.в. (мин-1) типового режима расход топлива (рис. 5), на экспериментальном режиме при мин-1 расход топлива составил .

По результатам эксплуатационных исследований трактора МТЗ-80 при работе дизеля Д-240 на типовом и экспериментальном РХХ построены характеристики холостого хода, показывающие изменение часового расхода топлива () и содержание оксида углерода в отработавших газах (СО) в функции от частоты вращения к.в.

а) среднее индикаторное давление б) удельный индикаторный расход топлива

-х- экспериментальный РХХ; -а- типовой РХХ

Рисунок 5 – Изменение индикаторных показателей дизеля Д-240 на холостом ходу

При одинаковой частоте вращения к.в. мин-1 часовой расход топлива составил: на типовом РХХ – 1,56 кг/ч, на экспериментальном РХХ – 1,17

1 кг/ч; при уменьшении частоты вращения на экспериментальном РХХ до 400 мин-1 расход топлива уменьшился до 0,71 кг/ч (рис. 6). Следовательно, за счет создания экспериментального режима уменьшение частоты вращения к.в. с 800 до 400 мин-1 приводит к снижению расхода топлива более чем в два раза по сравнению с типовым режимом при 800 мин-1. Снижение расхода топлива в единицу времени при одинаковой частоте вращения к.в. объясняется тем, что в экспериментальном РХХ на такте разгона обеспечивается наиболее экономичное протекание рабочего процесса, т.к. цикловая подача топлива в 2,4...3,0 раза больше, чем на типовом РХХ, а такт выбега, как более продолжительный чем такт разгона, осуществляется при полном отключении подачи топлива. Вследствие более высокой на экспериментальном РХХ (при мин-1) давление топлива перед форсункой () и угол опережения впрыскивания () составили соответственно 22,6 МПа и 23,5 град п.к.в., а на типовом РХХ (при мин-1) = 17,5 МПа и =29,5 град. п.к.в.. Уменьшение и увеличение приводит к ухудшению распыливания и смесеобразования, снижению эффективности рабочего процесса и увеличению выбросов продуктов неполного сгорания.

За счет улучшения качества смесеобразования и более полного сгорания рабочей смеси выбросы оксида углерода СО при работе дизеля на экспериментальном РХХ снижаются на 20…50% (рис. 6).

Массовый и относительный расходы моторного масла на угар составили соответственно: на типовом РХХ – 800г и 1,07% (при мин-1); на экспериментальном РХХ – 300г и 0,8% (при мин-1). Больший расход масла на угар на типовом РХХ объясняется более повышенной частотой вращения к.в., некоторым утолщением масляной пленки на зеркале гильзы цилиндров и возрастанием инерционных сил, действующих на «валик» масла перед верхним компрессионным кольцом при ходе поршня к ВМТ.