Научная статья на тему 'ДВУХФАЗНОЕ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ В ТРАКТОРНОМ ДИЗЕЛЕ: ТЕОРИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТ, ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ'

ДВУХФАЗНОЕ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ В ТРАКТОРНОМ ДИЗЕЛЕ: ТЕОРИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТ, ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
20
5
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Нива Поволжья
ВАК
Ключевые слова
ТРАКТОРНЫЙ ДИЗЕЛЬ / ДВУХФАЗНОЕ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ / АКТИВАТОРЫ / ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕННОГО ВПРЫСКА АКТИВАТОРА / ПОКАЗАТЕЛИ

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Уханов А.П., Рыблов М.В., Дубин М.Д., Уханов Д.А.

Статья посвящена проблеме улучшения мощностных, топливно-экономических и экологических показателей дизелей тракторной техники за счет организации и практической реализации смесеобразования в две фазы. Первая фаза осуществляется в такте впуска путем распределенного впрыска определенной дозы мелкораспыленного активатора (бензина, керосина, спирта, биотоплива и др.) в ветви впускного трубопровода дизеля. Вторая фаза осуществляется в такте сжатия путем впрыска основной дозы моторного топлива в цилиндровую среду, содержащую локальные очаги воспламенения, образованные за счет предпламенной подготовки активаторно-воздушной смеси, поступившей в цилиндр в первой фазе. Приведены особенности расчета показателей дизеля при двухфазном смесеобразовании с учетом соотношения доз моторного топлива и активатора. Рассмотрены теоретические основы для программного обеспечения электронного управления впрыском активатора в первой фазе смесеобразования. Разработана электронная система распределенного впрыска активатора, обеспечивающая в такте впуска дозированный впрыск активатора в ветви впускного трубопровода дизеля электромагнитными форсунками, при этом доза активатора согласована с массовым расходом моторного топлива. Результаты экспериментальных исследований показывают, что в зависимости от вида и дозы активатора двухфазное смесеобразование способствует повышению мощности и крутящего момента дизеля на 3-12 %, снижению дымности отработавших газов до 50 % по сравнению с работой дизеля в штатной комплектации без впрыска активатора в первой фазе смесеобразования.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Уханов А.П., Рыблов М.В., Дубин М.Д., Уханов Д.А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

TWO-PHASE MIXING IN TRACTOR DIESEL:THEORY, EXPERIMENT, TECHNICAL SOLUTIONS

The article is devoted to the problem of improving the power, fuel-economic and environmental performance of tractor diesel engines due to the organization and practical implementation of mixing in two phases. The first phase is carried out in the intake stroke by distributed injection of a certain dose of finely dis-persed activator (gasoline, kerosene, alcohol, biofuels, etc.) into the branches of the diesel intake pipeline. The second phase is carried out in the compression stroke by injecting the main dose of motor fuel into the cylinder medium contain-ing local ignition centers formed due to the pre-flame preparation of the activa-tor-air mixture that entered the cylinder in the first phase. The features of the cal-culation of diesel indicators for two-phase mixing are given, taking into account the ratio of motor fuel and activator. Theoretical foundations for the software for electronic control of activator injection in the first phase of mixing are consid-ered. An electronic system of distributed activator injection has been developed, which provides metered injection of activator into the branches of the diesel in-take pipeline with electromagnetic injectors in the intake stroke, while the dose of the activator is coordinated with the mass consumption of motor fuel. The results of experimental studies show that, depending on the type and dose of the activa-tor, two-phase mixing increases the power and torque of the diesel engine by 3-12%, reducing the smoke content of exhaust gases by up to 50% compared to the operation of the diesel engine in standard configuration without injection of the activator in the first phase of mixing.

Текст научной работы на тему «ДВУХФАЗНОЕ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ В ТРАКТОРНОМ ДИЗЕЛЕ: ТЕОРИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТ, ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ»

УДК 621.436.24

DOI 10.36461^.2022.61.1.003

ДВУХФАЗНОЕ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ В ТРАКТОРНОМ ДИЗЕЛЕ: ТЕОРИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТ, ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ

А.П. Уханов1, д-р техн. наук, профессор; М.В. Рыблов1, д-р техн. наук, доцент; М.Д. Дубин1, аспирант; Д.А. Уханов2, д-р техн. наук, профессор

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пензенский государственный аграрный университет», г. Пенза, Россия, e-maiL: dispgau@maiL.ru;

2Федеральное автономное учреждение «25 Государственный научно-исследовательский институт химмотологии Министерства обороны Российской Федерации», г. Москва, Россия

Статья посвящена проблеме улучшения мощностных, топливно-экономических и экологических показателей дизелей тракторной техники за счет организации и практической реализации смесеобразования в две фазы. Первая фаза осуществляется в такте впуска путем распределенного впрыска определенной дозы мелкораспыленного активатора (бензина, керосина, спирта, биотоплива и др.) в ветви впускного трубопровода дизеля. Вторая фаза осуществляется в такте сжатия путем впрыска основной дозы моторного топлива в цилиндровую среду, содержащую локальные очаги воспламенения, образованные за счет предпламенной подготовки активаторно-воздушной смеси, поступившей в цилиндр в первой фазе. Приведены особенности расчета показателей дизеля при двухфазном смесеобразовании с учетом соотношения доз моторного топлива и активатора. Рассмотрены теоретические основы для программного обеспечения электронного управления впрыском активатора в первой фазе смесеобразования. Разработана электронная система распределенного впрыска активатора, обеспечивающая в такте впуска дозированный впрыск активатора в ветви впускного трубопровода дизеля электромагнитными форсунками, при этом доза активатора согласована с массовым расходом моторного топлива. Результаты экспериментальных исследований показывают, что в зависимости от вида и дозы активатора двухфазное смесеобразование способствует повышению мощности и крутящего момента дизеля на 3-12 %, снижению дымности отработавших газов до 50 % по сравнению с работой дизеля в штатной комплектации без впрыска активатора в первой фазе смесеобразования.

Ключевые слова: тракторный дизель, двухфазное смесеобразование, активаторы, электронная система распределенного впрыска активатора, показатели.

Для цитирования: Уханов А.П., Рыблов М.В., Дубин М.Д., Уханов Д.А. Двухфазное смесеобразование в тракторном дизеле: теория, эксперимент, технические решения. Нива Поволжья, 2022, 1 (61), с. 03002. DOI 10.36461fNP.2022.61.1.003.

Введение

Показатели эффективности работы сельскохозяйственных тракторов в составе машинно-тракторных агрегатов (производительность, погектарный расход топлива, энергозатраты, загрязнение окружающей среды) во многом зависят от мощностных, топливно-экономических и экологических показателей двигателя.

В свою очередь, улучшить показатели тракторного дизеля можно практической реализацией двухфазного смесеобразования. Первая фаза смесеобразования осуществляется дополнительной системой подачи активатора путем впрыска определенной дозы (10-20 % от цикловой подачи моторного топлива) мелкораспыленного жидкого активатора (бензина, керосина, спирта, биотоплива и др.) в поток воздушного заряда, движущегося по впускному трубопроводу дизеля в такте впуска. При этом происходит образование актива-

торно-воздушной смеси и её поступление в цилиндр дизеля. В такте сжатия (от начала такта сжатия до начала впрыска моторного топлива) ак-тиваторно-воздушная смесь под действием повышенной температуры начинает проходить пред-пламенную подготовку и образовывать локальные очаги воспламенения. Вторая фаза смесеобразования осуществляется штатной системой топливо-подачи путем впрыска основной дозы моторного топлива в конце такта сжатия в цилиндровую среду, содержащую очаги воспламенения. При этом образованная рабочая смесь (активаторно-воздушная смесь + моторное топливо) воспламеняется практически по всему объему камеры сгорания. Смесеобразование в две фазы способствует интенсификации процесса сгорания рабочей смеси и, как следствие, улучшению мощностных, топливно-экономических и экологических показателей дизеля [1-5].

Известные механические устройства [6-9] для впрыска активатора во впускной трубопровод дизеля в первой фазе двухфазного смесеобразования не нашли широкого применения в тракторной технике, поскольку обладали рядом существенных недостатков: несоответствие момента впрыска активатора тактам впуска, несогласованность заданной дозы активатора с массовым расходом моторного топлива на различных нагрузочных и скоростных режимах дизеля, неравномерность распределения активаторно-воздушной смеси по цилиндрам дизеля в такте впуска.

Для решения указанной проблемы необходимо разработать электронную систему распределенного впрыска жидкого активатора по цилиндрам дизеля, которая должна обеспечивать фазированный впрыск мелкораспыленного активатора в поток воздуха, движущегося по ветвям впускного трубопровода к каждому цилиндру дизеля с помощью электромагнитных форсунок (ЭФ), причем доза активатора, впрыскиваемого в первой фазе двухфазного смесеобразования, должна быть согласована с массовым расходом моторного топлива, подаваемого штатной системой топливоподачи во второй фазе [10].

Методы и материалы

Впрыск определенной дозы активатора, подаваемой в первой фазе двухфазного смесеобразования, может осуществляться двумя способами [11]:

- при цикловой подаче моторного топлива (ЦПТ), заниженной на величину дозы активатора;

- принормативный ЦПТ.

В первом случае улучшаются мощностные, топливно-экономические и экологические показателей дизеля на всех эксплуатационных режимах, во втором случае происходит форсирование дизеля в режиме кратковременных перегрузок [12-13].

При двухфазном смесеобразовании расчет показателей дизеля выполняется с учетом соотношения доз моторного топлива и активатора и их теплотворной способности.

Теплотворная способность (низшая теплота сгорания, МДж/кг) от совместного сгорания моторного топлива и активатора при двухфазном смесеобразовании определяется по формулам [14]:

- при заниженной ЦПТ

Ни = Нид • Кдт + НиА • КаА; (1)

- при нормативной ЦПТ

Ни = (Нид + НиА • KДА)/Кпр, (2)

где НиД, НиА — низшая теплота сгорания соответственно моторного топлива и активатора,

МДж/кг; КДТ, КДА — коэффициенты дозы моторного топлива и активатора; Кпр = (1 + КДА) — коэффициент приведения дозы активатора (например, если доза активатора, впрыскиваемого в первой фазе двухфазного смесеобразования, составляет 20 % от цикловой подачи моторного топлива, тогда КДА = 0,2, Кпр = 1,2).

С учетом указанных особенностей двухфазного смесеобразования рассчитываются показатели тракторного дизеля [15]. Например, эффективный крутящий момент дизеля (Н-м) рассчитывается по формулам:

- при заниженной ЦПТ

Ме =

103-г Г-(Стд+СТА)-^

1-1 I. 0,03 -п-г

(

Нид - КДТ + НиА '

Кда) - • (0,09 + 0,0008ГкР • п)]; (3)

- при нормативной ЦПТ

Ме =

0,03-п-г

г.А-КДА/

пр /

(0,09 + 0,0008гкр • п)

$ •

(4)

где z — число цилиндров; т — коэффициент тактности; гкр — радиус кривошипа коленчатого вала, м; п — частота вращения коленчатого вала, мин-1; п - индикаторный КПД; УИ — рабочий объём цилиндра, м3; СТД , СТА — часовой расход соответственно моторного топлива и активатора, кг/ч.

Основным элементом предлагаемой электронной системы распределенного впрыска активатора является электронный блок управления (ЭБУ) на основе программируемого микроконтроллера. Для программирования микроконтроллера необходимо разработать алгоритм электронного управления впрыском активатора электромагнитными форсунками [15].

Разработка алгоритма включает следующие этапы: обоснование порядка работы электромагнитных форсунок впрыска активатора в зависимости от количества форсунок и порядка работы многоцилиндрового дизеля; вывод формулы для программного обеспечения микроконтроллера; расчет требуемых цикловых подач активатора в различных режимах работы дизеля и соответствующих им значений длительности управляющих импульсов, подаваемых на электромагнитные форсунки; написание программы для микроконтроллера на машинном языке С++.

Порядок работы ЭФ согласован с числом цилиндров дизеля, числом ветвей впускного трубопровода и количеством форсунок, используемых для впрыска активатора [16, 17].

Формула для программного обеспечения микроконтроллера ЭБУ получена из условия, что массовая доза активатора, впрыскиваемого в первой фазе двухфазного смесеобразования, должна быть согласована с массовым расходом

моторного топлива через коэффициент дозы активатора КДА [18]:

GТА = КДД-СТД,

(5)

где GТА - массовая доза (часовой расход) активатора, кг/ч; GТД - массовая доза (часовой расход) моторного топлива, кг/ч.

Через часовой расход активатора выражается цикловая подача активатора (дца), которая является функцией параметров, характеризующих нагрузочный ^ТД) и скоростной (п) режим работы дизеля:

кулачкового вала топливного насоса высокого давления (ТНВД): п = 2пкул.в.. Путем соответствующих преобразований получаем формулу для программного обеспечения микроконтроллера ЭБУ [19]:

8

Твпр - 5 • КДА • К

В

(7)

дца = F (GТД, п).

(6)

Выходным параметром ЭБУ является длительность управляющего импульса (Твпр), подаваемого на электромагнитные форсунки. От длительности импульса зависит величина цикловой подачи активатора.

Изменение пропускной способности ЭФ при использовании активаторов с различными физико-химическими свойствами учитывается коэффициентом коррекции (КВ) цикловой подачи. Информация о параметрах нагрузочного и скоростного режимов дизеля поступает в ЭБУ от датчика массового расхода топлива и датчика фаз, который одновременно выполняет функцию датчика частоты вращения коленчатого вала (к.в.) дизеля. Датчик расхода топлива вырабатывает импульсы, частота (/) которых прямо пропорциональна часовому расходу топлива ^ТД). Частота вращения коленчатого вала (п) регистрируется датчиком фаз через частоту вращения

где С - коэффициент, получаемый путем умножения констант (число цилиндров дизеля, частота импульсных сигналов датчика массового расхода топлива, статическая производительность электромагнитной форсунки, плотность моторного топлива и др.).

Разработанный алгоритм электронного управления впрыском активатора в первой фазе двухфазного смесеобразования представляет собой набор операций, включающий ввод дозы активатора, ввод коэффициента коррекции дозы, обработку сигналов датчиков, вычисление длительности управляющего импульса, подача управляющего импульса в обмотку ЭФ (впрыск активатора) в соответствии с порядком работы цилиндров дизеля.

Для моторных исследований дизеля с двухфазным смесеобразованием была скомплектована экспериментальная установка (рис. 1), содержащая динамометрическую машину ^-56/4 с контрольно-измерительной аппаратурой и тракторный дизель Д-243, оснащенный штатной системой топливоподачи и разработанной электронной системой распределенного впрыска активатора.

Рис. 1. Общий вид экспериментальной моторной установки

кул.в

Электронная система распределенного впрыска активатора [20-24] содержит емкость для активатора, электрический насос, фильтр, модернизированный впускной трубопровод с рампой,

электромагнитными форсунками и регулятором давления, датчик массового расхода топлива, датчик фаз и частоты вращения к.в., программируемый электронный блок управления (рис. 2).

а)

б)

в)

г)

Рис. 2. Система распределенного впрыска активатора: а) модернизированный впускной трубопровода дизеля с рампой, электромагнитными форсунками и регулятором давления; б) датчик массового расхода топлива; в) датчик фаз и частоты вращения коленчатого вала; г) электронный блок управления

Электронный блок управления служит для управления работой ЭФ на основании сигналов, поступающих с датчика массового расхода топлива и датчика фаз. На панели управления ЭБУ размещены тумблер подключения системы к бортовой сети трактора, клавиша выключения электрического насоса и ЭФ, задающий переключатель дозы активатора (10 % или 20 %), задающие клавиши коррекции цикловой подачи активатора. Для визуального контроля задаваемых коэффициентов дозы активатора и коррекции цикловой подачи предусмотрены индикационные светодиоды.

Датчик массового расхода топлива используется в качестве датчика нагрузочного режима дизеля и служит для согласования заданной массовой дозы активатора с массовым расходом

топлива в различных нагрузочных и скоростных режимах дизеля. Датчик устанавливается в линии низкого давления топлива штатной системы питания тракторного дизеля между фильтром грубой очистки и топливоподкачивающим насосом [25].

Датчик фаз газораспределения и датчик частоты вращения к.в. выполнены в виде единого узла, изготовленного на основе микросхемы от датчика Холла [26]. Определение момента такта впуска в каком-либо из цилиндров дизеля осуществляется по углу поворота кулачкового вала ТНВД дизеля, частота вращения которого пропорциональна частоте вращения к.в. Для отработки конструктивных особенностей датчика была разработана 3D-модель привода ТНВД (рис. 3, а). Под съемной штатной передней

крышкой 1 ТНВД на скобе 2, на некотором радиусе от оси вращения приводной шестерни 3, закреплен неодимовый магнит 5. Магнит установлен между двумя пластинами 6 (рис. 3, б), соединенных заклепками 7. Снаружи на крышке 1 закреплена магнитоуправляемая микросхема от

датчика Холла 8, размещенная таким образом, чтобы вращающийся магнит своим магнитным полем воздействовал на микросхему в момент, когда в одном из цилиндров дизеля начинается такт впуска. Положение микросхемы можно изменять с помощью регулировочной шайбы 9.

Рис. 3. Узел датчика фаз и частоты вращения коленчатого вала: а) 3D-модель привода ТНВД; б) опытный образец; в) место установки датчика на дизеле; 1 - передняя крышка ТНВД; 2 - скоба;

3 - приводная шестерня; 4 - шайба регулировки момента впрыска активатора; 5 - неодимовый магнит; 6 - пластина; 7 - заклепка; 8 - микросхема от датчика Холла; 9 - регулировочная шайба;

10 - штекерный разъем

В качестве активаторов, подаваемых в первой фазе двухфазного смесеобразования, использовались автомобильные бензины АИ-80, АИ-92 и АИ-95, авиационный керосин ТС-1, нефтяное дизельное топливо (ДТ), этанол, метанол, метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ) и смесевые растительно-нефтяные активаторы [27, 28] на основе МЭРМ (50 % МЭРМ : 50 % ДТ), рапсового масла (50 % РМ : 50 % ДТ) и сафлорового масла (20 % СМ : 80 % ДТ).

Результаты и их обсуждение

Результаты расчетов показателей дизеля с двухфазным смесеобразованием при заниженной ЦПТ показывают, что использование активаторов, обладающих высокими теплотворными свойствами (бензин, керосин, дизельное топливо), способствует повышению эффективного крутящего момента на 3-11 % и уменьшению удельного эффективного расхода топлива на 3-10 % в зависимости от вида и дозы активатора. Впрыск активаторов, имеющих пониженную теплотворность (спирты, биотопливо, смесевое

топливо), способствует уменьшению эффективного крутящего момента на 3-10 % и увеличению удельного эффективного расхода топлива на 3-11 %, по сравнению с работой дизеля в штатной комплектации без впрыска активатора в первой фазе смесеобразования (однофазное смесеобразование).

Результаты расчетов показателей дизеля при нормативной ЦПТ показывают, что двухфазное смесеобразование способствует повышению максимального крутящего момента на 3-7 % и эффективной мощности на 3-10 %, однако при этом удельный эффективный расход топлива возрастает на 4-18 %.

Для дизеля Д-243, в зависимости от нагрузочного и скоростного режимов работы, необходимая цикловая подача активатора находится в пределах от 1 мг/цикл (при 10 % дозе активатора и работе дизеля в режиме холостого хода) до 13 мг/цикл (при 20 % дозе активатора и работе дизеля в режиме максимального крутящего момента). При этом длительность управляющего

импульса напряжения, подаваемого в обмотку ЭФ, варьируется от 0,27 до 3,47 мс.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что подача в первой фазе смесеобразования активаторов с высокими теплотворными свойствами при заниженной ЦПТ способствует повышению эффективной мощности дизеля на 4-12 % и уменьшению удельного эффективного расхода топлива на 6-14 % по сравнению с работой дизеля в штатной комплектации

без впрыска активатора в первой фазе смесеобразования.

Наиболее существенное повышение мощности достигается при подаче 10% дозы бензина АИ-92 (рис. 4). При этом дымность отработавших газов (ОГ) снижается на 4-6 %.

Наибольшее снижение дымности ОГ (до 4550 %) достигается при подаче 20 % дозы биотоплива МЭРМ или смесевого растительно-нефтяного активатора (рис. 5).

1800 2000 2200 Частота вращения к. в., мин-1

а) эффективная мощность

1600 1800 2000 2200 Частота вращения к. в., мин-1

б) удельный эффективный расход топлива

Рис. 4. Изменение мощностных (а) и топливно-экономических (б) показателей дизеля Д-243 (4411/12,5) с двухфазным смесеобразованием при заниженной ЦПТ в условиях регуляторной характеристики: 1 - однофазное смесеобразование; 2 - подача 10 % дозы нефтяного ДТ; 3 - подача 20 % дозы нефтяного ДТ; 4 - подача 10 % дозы бензина АИ-92

Рис. 5. Изменение дымности отработавших газов дизеля Д-243 (4411/12,5) с двухфазным смесеобразованием при заниженной ЦПТ в условиях регуляторной характеристики: 1 - однофазное смесеобразование; 2 - подача 10 % дозы керосина ТС-1, этанола или смесевого активатора 50 % МЭРМ : 50 % ДТ; 3 - подача 10 % дозы биотоплива МЭРМ; 4 - подача 20 % дозы смесевого активатора 50 % МЭРМ : 50 % ДТ; 5 - подача 20 % дозы биотоплива МЭРМ

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Двухфазное смесеобразование с подачей активаторов при нормативной ЦПТ (в режиме перегрузок) способствует повышению эффективной мощности на 3-10 % и крутящего момента на 3-7 %, удельный эффективный расход топлива при этом возрастает на 3-18 % в зависимости от вида и дозы активатора.

Активаторы нефтяного происхождения способствуют наиболее существенному увеличе-

нию крутящего момента и эффективной мощности, однако это приводит к увеличению дымно-сти ОГ на 2-15 %.

Подача в режиме перегрузок при нормативной ЦПТ смесевых растительно-нефтяных активаторов обеспечивает менее существенный рост крутящего момента и мощности, но в отличие от нефтяных активаторов способствуют некоторому снижению дымности ОГ (на 3-19 %).

Рис. 6. Изменение показателей дизеля Д-243 (4Ч 11/12,5) с двухфазным смесеобразованием при нормативной ЦПТ в режиме перегрузок: а) эффективный крутящий момент; б) дымность отработавших газов; 1 - однофазное смесеобразование; 2-12 - двухфазное смесеобразование с подачей активаторов: 2 - 10 % дозы 50 % РМ : 50 % ДТ; 3 - 20 % дозы 50 % РМ :50 % ДТ; 4 - 10 % дозы 20 % СМ : 80 % ДТ; 5 - 20 % дозы 20 % СМ : 80 % ДТ; 6 - 10 % дозы ДТ-Л-62; 7 - 20 % дозы ДТ; 8 - 10 % дозы ТС-1; 9 - 10 % дозы АИ-80; 10 - 10 % дозы АИ-92; 11 - 10 % дозы АИ-95; 12 - 20 % дозы ТС-1

Заключение

Расчет показателей дизеля при двухфазном смесеобразовании выполнялся с учетом соотношения доз моторного топлива и активатора и их теплотворной способности. Предложена формула для программного обеспечения микроконтроллера электронной системы распределенного впрыска активатора.

Разработанная электронная система распределенного впрыска активатора обеспечивает фазированный впрыск активатора в ветви впускного трубопровода дизеля электромагнитными форсунками, причем доза активатора согласована с массовым расходом моторного топлива при работе двигателя в различных нагрузочных и скоростных режимах.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что двухфазное смесеобразование способствует улучшению мощностных, топ-ливно-экономических и экологических показателей дизеля. Подача в первой фазе смесеобразования активаторов нефтяного происхождения (бензина, керосина, нефтяного ДТ) повышает эффективную мощность и крутящий момент дизеля на 3-12 %. Подача растительно-нефтяных активаторов способствует снижению дымности отработавших газов до 50 %.

Благодарности

Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) в рамках научного проекта № 20-38-90194.

Литература

1. Рыблов М.В., Уханов А.П., Уханов Д.А. Способ и средства улучшения эксплуатационных показателей тракторного дизеля. Научное обозрение, 2014, № 3, с. 42-49.

2. Imran A., Varman M., Masjuki H.H., KaLam M.A. Review on alcohol, fumigation on diesel engine: A viable alternative dual fuel technology for satisfactory engine performance and reduction of environment concerning emission. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, Vol. 26., р. 739-751.

3. Lijun Ou, Chunmei Wang, Yejian Qian [et al.]. Effect of Gasoline Fumigation on Diesel Engine Performance and Emissions. Applied Mechanics and Materials, 2012, Vols. 130-134, р. 1744-1748.

4. Chunde Yao, Wang Pan, Anren Yao. Methanol fumigation in compression-ignition engines: A critical review of recent academic and technological developments. Fuel, 2017, Vol. 209, р. 713-732.

5. Abu-Qudais M., Haddad O., Qudaisat M. The effect of alcohol fumigation on diesel engine performance and emissions. Energy Conversion and Management, 2000, Vol. 41, Issue 4, р. 389-399.

6. Mariasiu F., Burnete N.V., Moldovanu D. [et al.] Effects of bioethanol ultrasonic generated aerosols application on diesel engine performances. Thermal science, 2015, Vol. 19, № 5, р. 1931-1941.

7. Hansdah D., Murugan S. Bioethanol fumigation in a DI diesel engine. Fuel, 2014, Vol. 130, р. 324-333.

8. Patent US № 6679224, Int.Cl F02B7/06. Method and apparatus for operating a diesel engine under stoichiometric and slightly fuel-rich conditions. R.H. Stanglmaier. Publ. Jan, 20, 2004.

9. Cheng C.H., Cheung C.S., Chan T.L. [et al.]. Comparison of emissions of a direct injection diesel engine operating on biodiesel with emulsified and fumigated methanol. Fuel, 2008, Vol. 87, Issues 10-11, р. 1870-1879.

10. Уханов А.П., Рыблов М.В., Уханов Д.А. Обогащение воздушного заряда тракторных дизелей углеводородными активаторами: монография. Пенза: РИО ПГСХА, 2015, 199 с.

11. Патент РФ H 2383757, МПК F02D 39/08; F02B 3/10, F02M 45/00. Система для преодоления кратковременных перегрузок дизеля. А.П. Уханов, Д.А. Уханов, В.А. Рачкин, М.В. Рыблов, В.А. Матвеев. Опубл. 10.03.2010, Бюл. H 7.

12. Уханов А.П., Уханов Д.А., Рыблов М.В. Теоретические основы работы трактора на режиме перегрузок с обогащением воздушного заряда дизеля. Тракторы и сельхозмашины, 2013, H 3, с. 17-19.

13. Рыблов М.В., Уханов А.П., Уханов Д.А. Системы автоматического обогащения воздушного заряда дизеля активаторами: теория и технические решения. Тракторы и сельхозмашины, 2013, H 10, с. 29-32.

14. Рыблов М.В., Дубин М.Д., Сёмин И.В. Расчет показателей эффективности функционирования МТА при двухфазном смесеобразовании в дизеле. Эксплуатация автотракторной и сельскохозяйственной техники: опыт, проблемы, инновации, перспективы: сборник статей V Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию Пензенского государственного аграрного университета. Пенза: РИО ПГАУ, 2021, с. 60-65.

15. Ryblov M.V., Dubin М^., Ukhanov А.Р. Two-phase mixture formation in transport diesel engine: the control algorithm and the devise for its implementation. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science: III International scientific and practical conference "Actual problems of the energy complex: mining, production, transmission, processing and environmental protection" (APEC 2021), 2021, Vol. 808, р. 12039.

16. Рыблов М.В., Уханов Д.А., Уханов А.П. Разработка автоматической системы распределенного обогащения воздушного заряда тракторного дизеля. Вестник Мордовского университета, 2018, Т. 28, H 4, с. 523-536.

17. Ryblov M., Ukhanov A. Improving of transport diesel engines energy efficiency and environmental safety by fumigation of air charge. Scientific Papers. Series E. Land Reclamation, Earth Observation & Surveying, Environmental Engineering. 2020, Vol. IX, p. 53-58.

18. Рыблов М.В., Уханов Д.А., Черняков А.А. Методика расчета параметров управляющих импульсов электромагнитных форсунок при распределенном обогащении воздушного заряда дизеля. Эксплуатация автотракторной и сельскохозяйственной техники: опыт, проблемы, инновации, перспективы: сборник статей III Международной научно-практической конференции. Пенза: РИО ПГАУ, 2017, с. 116-119.

19. Рыблов М.В., Уханов А.П., Уханов Д.А. Теоретическое обоснование работы системы двухточечного обогащения воздушного заряда дизеля. Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии, 2017, H 2 (38), с. 185-191.

20. Рыблов М.В., Уханов Д.А., Уханов А.П. Распределенное обогащение воздушного заряда дизеля: технические решения и теоретические основы. Наука в центральной России, 2018, H 1 (31), с. 83-91.

21. Патент РФ на полезную модель H 157301, МПК F02D 19/12, F02M 43/00. Система впрыска активатора во впускной трубопровод дизеля. М.В. Рыблов, А.П. Уханов, Д.А. Уханов, С.А. Симаков. Опубл. 27.11.2015, Бюл. H 33.

22. Рыблов М.В., Уханов А.П., Дубин М.Д., Кишкин М.А. Система двухточечного обогащения воздушного заряда тракторного дизеля 4411/12,5. Эксплуатация автотракторной и сельскохозяйственной техники: опыт, проблемы, инновации, перспективы: сборник статей III Международной научно-практической конференции. Пенза: РИО ПГАУ, 2017, с. 108-112.

23. Патент РФ H 2392481, МПК F 02 М 25/00. Обогатитель воздушного заряда дизеля. А. П. Уханов, Д. А. Уханов, В. А. Рачкин, В.А. Матвеев, М.В. Рыблов. Опубл. 20.06.2010, Бюл. H 17.

24. Патент РФ на полезную модель H 72018, МПК F02D 19/12; F02M 43/00. Система подачи углеводородного активатора в дизель. А.П. Уханов, М.В. Рыблов, В.А. Рачкин, В.А. Матвеев. Опубл. 27.03.2008, Бюл. H 9.

25. Патент РФ на полезную модель H 177583, МПК F02M 43/00, F02D19/08, F02В 48/00. Устройство для дозированной подачи активатора в дизель. А.П. Уханов, Д.А. Уханов, М.В. Рыблов, С.А. Симаков. Опубл. 01.03.2018, Бюл. H 7.

26. Рыблов М.В., Абрамов Н.А., Носов В.С., Хвалов С.С. Датчик фаз для системы двухточечного обогащения воздушного заряда дизеля. Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. Том III. Пенза: РИО ПГАУ, 2017, с. 8-11.

27. Уханов А.П., Рачкин В.А., Уханов Д.А. [и др.]. Использование рапсового биотоплива на автотракторной технике. Организация и развитие информационного обеспечения органов управления, научных и образовательных учреждений АПК ("ИНФОРМАГРО-2007"): Материалы 3-й научно-практической конференции, посвященной 40-летию ФГНУ "Росинформагротех". Правдинский, 2007, с. 163-173.

28. Уханов А. П., Уханов Д.А., Адгамов И.Ф. Дизельное смесевое топливо: проблемы и инновационные разработки. Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии, 2016, H 2, с. 46-51.

UDC 621.436.24

DOI 10.36461/NP.2022.61.1.003

TWO-PHASE MIXING IN TRACTOR DIESEL: THEORY, EXPERIMENT, TECHNICAL SOLUTIONS

A.P. Ukhanov1, Doctor of Engineering Sciences, Professor; M.V. Ryblov1, Doctor of Engineering Sciences, Associate Professor; M.D. Dubin 1, postgraduate student; D.A. Ukhanov 2, Doctor of Engineering Sciences, Professor

1 Federal State-Funded Educational Institution of Higher Education Penza State Agrarian University,

Penza, Russia, e-mail: dispgau@mail.ru

2 Federal Autonomous Institution 25th State Research Institute of Chemmotology of the Ministry of Defense of the Russian Federation, Moscow, Russia

The article is devoted to the problem of improving the power, fuel-economic and environmental performance of tractor diesel engines due to the organization and practical implementation of mixing in two phases. The first phase is carried out in the intake stroke by distributed injection of a certain dose of finely dispersed activator (gasoline, kerosene, alcohol, biofuels, etc.) into the branches of the diesel intake pipeline. The second phase is carried out in the compression stroke by injecting the main dose of motor fuel into the cylinder medium containing local ignition centers formed due to the pre-flame preparation of the activator-air mixture that entered the cylinder in the first phase. The features of the calculation of diesel indicators for two-phase mixing are given, taking into account the ratio of motor fuel and activator. Theoretical foundations for the software for electronic control of activator injection in the first phase of mixing are considered. An electronic system of distributed activator injection has been developed, which provides metered injection of activator into the branches of the diesel intake pipeline with electromagnetic injectors in the intake stroke, while the dose of the activator is coordinated with the mass consumption of motor fuel. The results of experimental studies show that, depending on the type and dose of the activator, two-phase mixing increases the power and torque of the diesel engine by 312%, reducing the smoke content of exhaust gases by up to 50% compared to the operation of the diesel engine in standard configuration without injection of the activator in the first phase of mixing.

Keywords: tractor diesel, two-phase mixing, activators, electronic system of distributed injection of activator, indicators.

References

1. Ryblov M.V., Ukhanov A.P., Ukhanov D.A. The method and means of improving the performance of tractor diesel. Scientific Review, 2014, No. 3, pp. 42-49.

2. Imran A., Varman M., Masjuki H.H., Kalam M.A. Review on alcohol fumigation on diesel engine: A viable alternative dual fuel technology for satisfactory engine performance and reduction of environment concerning emission. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, Vol. 26., pp. 739-751.

3. Lijun Ou, Chunmei Wang, Yejian Qian [et al.]. Effect of Gasoline Fumigation on Diesel Engine Performance and Emissions. Applied Mechanics and Materials, 2012, Vols. 130-134, p. 1744-1748.

4. Chunde Yao, Wang Pan, Anren Yao. Methanol fumigation in compression-ignition engines: A critical review of recent academic and technological developments. Fuel, 2017, Vol. 209, p. 713-732.

5. Abu-Qudais M., Haddad O., Qudaisat M. The effect of alcohol fumigation on diesel engine performance and emissions. Energy Conversion and Management, 2000, Vol. 41, Issue 4, pp. 389-399.

6. Mariasiu F., Burnete N.V., Moldovanu D. [et al.] Effects of bioethanol ultrasonic generated aerosols application on diesel engine performances. Thermal science, 2015, Vol. 19, No. 5, p. 1931-1941.

7. Hansdah D., Murugan S. Bioethanol fumigation in a DI diesel engine. Fuel, 2014, Vol. 130, p. 324-333.

8. Patent US № 6679224, Int.Cl F02B7/06. Method and apparatus for operating a diesel engine under stoichiometric and slightly fuel-rich conditions. R.H. Stanglmaier. Publ. Jan, 20, 2004.

9. Cheng C.H., Cheung C.S., Chan T.L. [et al.]. Comparison of emissions of a direct injection diesel engine operating on biodiesel with emulsified and fumigated methanol. Fuel, 2008, Vol. 87, Issues 10-11, p. 1870-1879.

10. Ukhanov A.P., Ryblov M.V., Ukhanov D.A. Enrichment of the air charge of tractor diesel engines with hydrocarbon activators: monograph. Penza: EPU PSAA, 2015, 199 p.

11. Patent No. 2383757 Russia, IPC F02D 39/08; F02B 3/10, F02M 45/00. A system for overcoming short-term diesel overloads. A.P. Ukhanov, D.A. Ukhanov, V.A. Rachkin, M.V. Ryblov, V.A. Matveev. Publ. 10.03.2010, Bul. No. 7.

12. Ukhanov A.P., Ukhanov D.A., RybLov M.V. Theoretical foundations of tractor operation in overload mode with enrichment of diesel air charge. Tractors and agricultural machines, 2013, No. 3, pp. 17-19.

13. Ryblov M.V., Ukhanov A.P., Ukhanov D.A. Systems for automatic enrichment of diesel air charge with activators: theory and technical solutions. Tractors and agricultural machines, 2013, No. 10, pp. 29-32.

14. Ryblov M.V., Dubin M.D., Semin I.V. Calculation of the performance indicators of the MTA functioning during two-phase mixing in diesel. Operation of automotive and agricultural machinery: experience, problems, innovations, prospects: collection of articles of the V International Scientific and Practical Conference dedicated to the 70th anniversary of the Penza State Agrarian University. Penza: EPU PSAU, 2021, pp. 60-65.

15. Ryblov M.V., Dubin M.D., Ukhanov A.P. Two-phase mixture formation in transport diesel engine: the control algorithm and the devise for its implementation. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science: III International scientific and practical conference "Actual problems of the energy complex: mining, production, transmission, processing and environmental protection" (APEC 2021), 2021, Vol. 808, p. 12039.

16. Ryblov M.V., Ukhanov D.A., Ukhanov A.P. Development of an automatic system for distributed enrichment of the air charge of tractor diesel. Bulletin of the Mordovian University, 2018, vol. 28, No. 4, pp. 523-536.

17. Ryblov M., Ukhanov A. Improving of transport diesel engines energy efficiency and environmental safety by fumigation of air charge. Scientific Papers. Series E. Land Reclamation, Earth Observation & Surveying, Environmental Engineering. 2020, Vol. IX, p. 53-58.

18. Ryblov M.V., Ukhanov D.A., Chernyakov A.A. The method of calculating the parameters of the control pulses of electromagnetic injectors with distributed enrichment of the diesel air charge. Operation of automotive and agricultural machinery: experience, problems, innovations, prospects: collection of articles of the III International Scientific and Practical Conference. Penza: EPU PSAU, 2017, pp. 116-119.

19. Ryblov M.V., Ukhanov A.P., Ukhanov D.A. Theoretical justification of the operation of the two-point enrichment system of the diesel air charge. Bulletin of the Ulyanovsk State Agricultural Academy, 2017, No. 2 (38), pp. 185-191.

20. Ryblov M.V., Ukhanov D.A., Ukhanov A.P. Distributed enrichment of diesel air charge: technical solutions and theoretical foundations. Science in Central Russia, 2018, No. 1 (31), pp. 83-91.

21. Patent No. 157301 for utility model Russia, IPC F02D 19/12, F02M 43/00. The system of activator injection into the diesel intake pipeline. M.V. Ryblov, A.P. Ukhanov, D.A. Ukhanov, S.A. Simakov. Publ. 27.11.2015, Bul. No. 33.

22. Ryblov M.V., Ukhanov A.P., Dubin M.D., Kishkin M.A. The system of two-point enrichment of the air charge of tractor diesel 4H11/12.5. Operation of automotive and agricultural machinery: experience, problems, innovations, prospects: collection of articles of the III International Scientific and Practical Conference. Penza: EPU PSAU, 2017, pp. 108-112.

23. Patent No. 2392481 Russia, IPC F 02 M 25/00. Diesel air charge concentrator. A. P. Ukhanov, D. A. Ukhanov, V. A. Rachkin, V.A. Matveev, M.V. Ryblov. Publ. 20.06.2010, Bul. No. 17.

24. Patent No. 72018 for utility model Russia, IPC F02D 19/12; F02M 43/00. A supply system for a hydrocarbon activator to a diesel engine. A.P. Ukhanov, M.V. Ryblov, V.A. Rachkin, V.A. Matveev. Publ. 27.03.2008, Bul. No. 9.

25. Patent No. 177583 for utility model Russia, IPC F02M 43/00, F02D19/08, F02B 48/00. Device for dosed supply of activator to diesel. A.P. Ukhanov, D.A. Ukhanov, M.V. Ryblov, S.A. Simakov. Publ. 01.03.2018, Bul. No. 7.

26. Ryblov M.V., Abramov N.A., Nosov V.S., Khvalov S.S. Phase sensor for the system of two-point enrichment of diesel air charge. Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. Том III. Penza: EPU PSAU, 2017, pp. 8-11.

27. Ukhanov A.P., Rachkin V.A., Ukhanov D.A. [et al.]. The use of rapeseed biofuels on automotive equipment. Organization and development of information support for management bodies, scientific and educational institutions of the agro-industrial complex ("INFORMAGRO-2007"): Materials of the 3rd scientific and practical conference dedicated to the 40th anniversary of FSNU Rosinformagrotech. Pravdinsky, 2007, pp. 163-173.

28. Ukhanov A. P., Ukhanov D.A., Adgamov I.F. Diesel mixed fuel: problems and innovative developments. Proceedings of the Samara State Agricultural Academy, 2016, No. 2, pp. 46-51.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.