CC BY
19
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Научная статья
УДК 621.43.038
doi: 10.37670/2073-0853-2022-93-1-89-93
Способы повышения эффективности работы тракторных дизельных двигателей
Эльмир Маликович Гайсин1, Филюс Раисович Сафин1,
Александр Сергеевич Рожков2
1 Башкирский государственный аграрный университет, Уфа, Россия
2 Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, Калининградский филиал, Полесск,
Россия
Аннотация. Применяемые в сельском хозяйстве тракторы, автомобили и комбайны оснащены дизельными двигателями внутреннего сгорания. Тракторные двигатели работают в широких диапазонах нагрузок, из них до 20 % времени приходится на режимы небольших нагрузок и холостого хода, где экономические показатели существенно ухудшаются. Эффективным методом повышения показателей их работы на этих режимах является последовательное отключение цилиндров. Отключение цилиндров только прекращением подачи топлива нецелесообразно, поскольку их механизмы продолжают работать, отнимая энергию на свой привод. При этом КПД двигателя снижается и повысить его можно путём сокращения потерь энергии в отключённых цилиндрах. Экспериментальные исследования проводились на двухцилиндровом дизельном двигателе 2410,5/12,0 с воздушным охлаждением. Один из цилиндров отключался прекращением подачи топлива в него, и деактивировались его клапаны газораспределительного механизма (фиксировались в закрытых положениях). Установлено, что большее влияние на потери энергии в узлах с подвижными деталями в отключённых цилиндрах оказывает степень сжатия. Она изменялась за счёт увеличения объёма камеры сгорания и снятия головки цилиндра. Проведено испытание двигателя со сниженной производительностью вентилятора обдува системы охлаждения. Наиболее высокие экономические показатели работы двигателя установлены при снижении производительности вентилятора и снятии головки у отключённого цилиндра. При этом удельный расход топлива на режиме, равном 2 кВт, уменьшился на 362 г/(кВт^ч). Метод отключения цилиндров может считаться одним из высокоэффективных для дальнейшего повышения топливной экономичности тракторных двигателей.
Ключевые слова: двигатели тракторные, отключение цилиндров, степень сжатия, расход топлива.
Для цитирования: Гайсин Э.М., Сафин Ф.Р., Рожков А.С. Способы повышения эффективности работы тракторных двигателей // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 1 (93). С. 89 - 93. https://doi.org/10.37670/2073-0853-2021-93-1-89-93.
Original article
Ways to improve the efficiency of diesel engines
Ilmir M. Gaysin1, Filyus R. Safin1, Aleksandr S. Rozhkov2
1 Bashkir State Agrarian University, Ufa, Russia
2 Saint-Petersburg State Agrarian University, Kaliningrad Branch, Polessk, Russia
Abstract. Tractors, automobiles and combines used in agriculture are equipped with diesel internal combustion engines. Tractor engines operate in wide load ranges, of which up to 20 % of the time falls on low load and idle modes, where economic performance deteriorates significantly. An effective method of increasing their performance in these modes is the sequential disconnection of the cylinders. Turning off the cylinders only by stopping the fuel supply is impractical, since their mechanisms continue to work, taking away energy to their drive. At the same time, the efficiency of the engine decreases and it can be increased by reducing energy losses in the disabled cylinders. Experimental studies were carried out on a 2Ch10.5 / 12.0 two-cylinder diesel engine with air cooling. One of the cylinders was turned off by stopping the fuel supply to it and its valves of the gas distribution mechanism were deactivated (fixed in closed positions). It was found that the compression ratio has a greater effect on energy losses in units with moving parts in disabled cylinders. It was changed by increasing the volume of the combustion chamber and removing the cylinder head. The engine was tested with a reduced performance of the cooling fan. The highest economic performance of the engine is established when the fan performance decreases and the head is removed from the disabled cylinder. At the same time, the specific fuel consumption at a mode equal to 2 kW decreased by 362 g/(kW-h). The method of shutting down the cylinders can be considered one of the most effective for further increasing the fuel efficiency of tractor engines.
Keywords: engines tractors, cylinder deactivation, compression ratio, fuel consumption
For citation: Gaysin I.M., Safin F.R., Rozhkov A.S. Ways to improve the efficiency of diesel engines. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 93(1): 89-93. (In Russ.). https://doi.org/10.37670/2073-0853-2021-93-1-89-93.
Наибольшие затраты при получении сельскохозяйственной продукции приходятся на топливо, смазочные материалы, обслуживание и ремонт сельскохозяйственной техники. В основной массе применяемые в сельском хозяйстве тракторы, автомобили и комбайны оснащены двигателями внутреннего сгорания, работающими на дизельном топливе (далее двигатели) [1 - 5].
В настоящее время активно внедряются гибридные и электрические энергетические установки. В автомобилестроении они применяются достаточно давно и позволяют существенно снизить расход энергоресурсов. В тракторостроении использование гибридных и электрических установок пока широкого распространения не получило, но уже имеются экспериментальные образцы, готовые к массовому производству [6, 7].
Результаты теоретических расчётов показали, что затраты на обслуживание гибридной энергоустановки применительно к трактору Беларус 82 на 14 % выше, чем с традиционным двигателем, а при полном переводе на электрическую тягу этот же трактор может быть, наоборот, экономичен на 30 % [8]. В то же время необходимо отметить, что это лишь результаты теоретических расчётов, которые не учитывают режимы эксплуатации, особенности сельскохозяйственного производства, климатические условия и т.д. В этой связи совершенствование рабочих процессов традиционных двигателей, применяемых в сельском хозяйстве, не теряет свою актуальность.
Тракторные двигатели работают в широких диапазонах нагрузок. Установлено, что до 20 % времени их работы приходится на режимы небольших нагрузок и холостого хода. При работе на этих режимах экономические показатели существенно ухудшаются. Эффективным методом повышения показателей работы на этих режимах является последовательное отключение цилиндров. Этот метод в настоящее время применяется на некоторых моделях автомобилей (фирм Honda, Volkswagen и др.), но широкого применения не получил из-за ряда недостатков, связанных с усложнением конструкции. Анализ работ по этой тематике показал, что потенциал совершенствования этого метода ещё не исчерпан [9 - 12].
Материал и методы. Метод отключения цилиндров был реализован, к примеру, на тракторном двигателе Д-130 (Челябинский тракторный завод). Он оснащался специальным топливным насосом высокого давления, позволяющим выключать подачу топлива в два цилиндра из четырёх при переходе на режим холостого хода [13].
Эффективность отключения цилиндров только прекращением подачи топлива низка, поскольку механизмы у отключённых цилиндров продолжают работать, отнимая энергию
на свой привод. При этом эффективный КПД двигателя снижается. Одновременно с прекращением подачи топлива, например, у современных автомобильных двигателей, работающих с отключением цилиндров, ещё и деактивируются клапаны газораспределительного механизма (ГРМ). При этом снижаются потери на насосные ходы поршней отключённых цилиндров и на привод ГРМ [14, 15].
В.Н. Хусаинов предложил коэффициент ^, учитывающий потери энергии в отключённых цилиндрах с числом г. Коэффициент ^ представлен в виде функции значимых параметров, таких, как число отключённых цилиндров г, степень сжатия е, нарастание давления в процессе сгорания X и потери энергии на насосные ходы поршней х [16]:
^ = f(z, е, X, х). (1)
С учётом предложенного коэффициента было получено выражение по определению эффективного КПД:
Пе = ni
Пм
1 - z
■ К ■(1 -Пм)
(2)
где п и пм - индикаторный и механический КПД двигателя.
По выражению (2) видно, что повысить эффективный КПД при работе двигателя с отключением цилиндров можно снижением потерь энергии, приходящихся на отключённые цилиндры.
Графическая зависимость це от ^ и г для четырёхцилиндрового двигателя при пм = 0,8 и П = 0,5 представлена на рисунке 1.
3 3.2
Рис. 1 - Графическая зависимость це от ^ и г
В идеальном случае ^ должен быть равен нулю, что соответствует полному отсутствию потерь энергии у отключённых цилиндров, т.е. работа двигателя осуществляется с отключением всех механизмов этих цилиндров. Коэффициент
z
Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 93(1) _
Technical Sciences
^ равный единице, соответствует случаю, когда механизмы отключённых цилиндров работают при сохранении всех потерь.
Для четырёхцилиндрового двигателя при Пм = 0,8 максимальное число отключённых цилиндров на холостом ходу равняется г = 3,2. При этом вся энергия включённых цилиндров идёт на преодоление механических потерь, т.е. Ыг =
Результаты и обсуждение. Анализ зависимости (1) показывает, что большее влияние на коэффициент ^ оказывает степень сжатия, определяющая потери энергии в узлах с подвижными деталями в отключённых цилиндрах. Для исследования степени его влияния был принят наиболее подходящий под это двухцилиндровый дизельный двигатель 2410,5/12,0 с воздушным охлаждением. Один из цилиндров отключался прекращением подачи топлива в него, и деак-тивировались клапаны ГРМ (фиксировались в закрытых положениях). Испытания двигателя проводились на обкаточно-тормозном стенде DS-926-4/V-1.
Степень сжатия отключённого цилиндра изменялась путём увеличения объёма камеры сжатия установкой колец разной толщины между цилиндром 1 и блоком 5 двигателя (рис. 2).
Рис. 2 — Схема изменения степени сжатия цилиндра двигателя:
1 и 3 - цилиндр двигателя и его головка;
2 - поршень; 4 - сменное кольцо; 5 - блок двигателя; Ус - увеличенный объём камеры сжатия после установки кольца 4 толщиной h
Развиваемая мощность двигателя изменялась за счёт подачи топлива и нагрузки, создаваемой обкаточно-тормозным стендом. На первом этапе испытания проводились при малой частоте вращения коленчатого вала, равной 1100 мин-1. Изменение удельного расхода топлива при разных значениях степени сжатия отключённого цилиндра показано на рисунке 3.
Рис. 3 — Изменение удельного расхода топлива ge при разных значениях степени сжатия е и развиваемых мощностях двигателем
По графикам видно, что при снижении е наблюдалось и снижение удельного расхода топлива. Так, при развиваемой мощности, равной 2 кВт, и уменьшении степени сжатия от 16,5 до 1 снижение удельного расхода топлива составляло 63 г/(кВт^ч), а при мощности 3 кВт -52 г/(кВт^ч). Минимальный удельный расход топлива достигался при снятой головке цилиндра (при этом е = 1).
Для режима работы двигателя на одном цилиндре с частотой вращения 1100 мин-1 максимально развиваемая мощность двигателя составляла 3 кВт. Дальнейшие исследования проводились на более высокой частоте вращения с целью расширения диапазона нагрузок.
Полученные данные при номинальной частоте вращения коленчатого вала, равной 1800 мин-1, представлены на рисунке 4. Максимальная развиваемая мощность одним цилиндром на этом режиме составляла 6 кВт.
Рис. 4 — Изменение удельного расхода топлива ge при разных значениях степени сжатия е и развиваемых мощностях двигателем
На рисунке 4 показано, что на всех режимах наблюдалось снижение удельного расхода топлива. К примеру, на режиме 6 кВт удельный расход топлива уменьшился на 148 г/(кВт^ч), а на режиме 2 кВт - на 196 г/(кВт^ч).
Следует также рассмотреть систему охлаждения двигателя. В связи с тем что не требуется охлаждение отключённых цилиндров, то можно снизить производительность вентилятора обдува.
Поскольку испытуемый двигатель имел воздушное охлаждение, то снижение производительности вентилятора достигалось увеличением передаточного отношения его привода. Результаты исследований при частоте вращения коленчатого вала 1800 мин-1 и снижении производительности вентилятора на 40 % показаны на рисунке 5.
Рис. 5 - Изменение удельного расхода топлива gе от развиваемой мощности двигателя Ые\
1 - без отключения цилиндров; 2 -отключён один цилиндр; 3 - у отключённого цилиндра снята головка и снижена производительность вентилятора
По графикам видно, что при отключении одного цилиндра прекращением подачи топлива удельный расход топлива, наоборот, возрастает, обусловленный, на наш взгляд, сохранением механических потерь у отключённого цилиндра. При снижении производительности вентилятора и снятии головки у отключённого цилиндра удельный расход топлива уменьшился. К примеру, на режиме 2 кВт уменьшение составило 362 г/(кВт^ч), что на 166 г/(кВт^ч) больше в сравнении с таким же режимом работы, но только со снятой головкой.
Вывод. Повысить эффективность работы тракторных двигателей на режимах малых нагрузок и холостого хода можно отключением части цилиндров. Эффективность отключения цилиндров существенно возрастает при снижении потерь энергии в отключённых цилиндрах, а именно фиксировании клапанов ГРМ в закрытом положении, снижением степени сжатия и затрат энергии на привод механизмов системы охлаждения.
При реализации предлагаемых способов отключение цилиндров может считаться одним из высокоэффективных методов для дальнейшего повышения топливной экономичности тракторных двигателей.
Список источников
1. Баширов Р.М. Автотракторные двигатели: конструкция, основы теории и расчёта: учебник. Уфа: Башкирский ГАУ, 2017. 336 с.
2. Шуханов С.Н., Степанов Н.В., Хабардина А.В. Совершенствование технического средства для заправки маслом автотракторных двигателей // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 3 (89). С. 140 - 143.
3. Шепелев А.Б., Припоров Е.В., Ширин Д.В. Повышение тягово-сцепных свойств колёсного трактора в составе тракторно-транспортного агрегата // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 1 (81). С. 85 - 89.
4. Сторожев И.И., Пальянов А.Т. Расчётно-теоретические характеристики работы газодизельного двигателя // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 4 (84). С. 182 - 186.
5. Повышение эффективности использования машинно-тракторных агрегатов путём применения водной инжекции во впускной коллектор двигателя / А.В. Старцев, С.В. Романов, И.И. Сторожев и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 2(88). С. 109 - 113.
6. Тракторы и уборочные машины Fendt: офиц. сайт [Электронный ресурс]. URL: https://www.fendt.com.
7. Kellogg E., Smith J. Heavy-Duty PHEVY ard Tractor: Controlled Testing and Field Results. World Electr. Veh. J. 2012; 5: 246-253.
8. Раков В.А., Литвинов В.И. Оценка экономической эффективности использования комбинированных и электрических энергоустановок в сельскохозяйственных машинах // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2020. № 2 (59). С. 123 - 128.
9. Баширов Р.М. Топливные системы для автотракторных дизелей. Уфа: Гилем, 2005. 204 с.
10. Гоц А.Н., Гуськов В.Ф., Фомин В.М. Оценка топливной экономичности автотракторных дизелей, работающих с отключением части цилиндров // Тракторы и сельхозмашины. 2020. № 3. С. 19 - 27.
11. Галиуллин Р.Р. Эффективность регулирования режимов работы тракторных дизелей пропуском подачи топлива // Тракторы и сельхозмашины. 2012. № 2. С. 20 - 21.
12. Федосеев С.Ю. Повышение топливной экономичности тракторно-транспортного агрегата отключением части цилиндров двигателя: дис. ... канд. техн. наук. Челябинск, 2015. 156 с.
13. Трактор Т-130: учеб. пособ. / М.И. Злотник, Е.И. Иванов и др. М.: Высшая школа, 1973. 207 с.
14. Баширов Р.М., Хусаинов В.Н., Миннигалеев А.М. Методика исследования дизелей, регулируемых пропуском впрыска топлива. Уфа: Башкирский ГАУ, 2011. 111 с.
15. Баширов Р.М., Сафин Ф.Р. Особенности определения механического КПД тракторных и комбайновых дизелей по методике Башкирского ГАУ // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 3 (77). С. 172 - 176.
Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 93(1)
Technical Sciences
16. Хусаинов В.Н. Обоснование методики и разработка технических средств для исследования эффективности конвертации дизелей на регулирование режимов работы пропуском подачи топлива: дис. ... канд. техн. наук. СПб. - Пушкин, 2011. 116 с.
References
1. Bashirov R.M. Autotractor engines: design, fundamentals of theory and calculation: textbook. Ufa: Bashkir GAU. 2017: 336.
2. Shukhanov S.N., Stepanov N.V., Khabardina A.V. Improvement of technical facility for oil filling of autotrac-tor engines. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 89(3): 140-143.
3. Shepelev A.B., Priporov E.V., Shirin D.V. Improving the towing-traction properties of a wheeled tractor as part of a tractor-transport unit. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2020; 81(1): 85-89.
4. Storozhev I.I., Palyanov A.T. Calculated theoretical characteristics of the gas-diesel engine. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2020; 84(4): 182-186.
5. Improving the efficiency of the use of machine and tractor units by applying water injection into the intake manifold of the engine / A.V. Startsev, S.V. Romanov, I.I. Storozhev et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 88(2): 109-113.
6. Fendt tractors and sweepers: official. site. URL: https://www. fendt.com.
7. Kellogg E.; Smith J. Heavy-Duty PHEV Yard Tractor: Controlled Testing and Field Results. WorldElectr. Veh. J. 2012; 5: 246-253.
8. Rakov V.A., Litvinov V.I. Evaluation of the economic efficiency of the use of combined and electric power plants in agricultural machines. Izvestiya Saint-Petersburg State Agrarian University. 2020; 2(59): 123-128.
9. Bashirov R.M. Fuel systems for automotive diesel engines. Ufa: Gilem. 2005. 204 p.
10. Gots A.N., Guskov V.F., Fomin V.M. Estimation of the fuel efficiency of auto-tractor diesel engines operating with the disconnection of some of the cylinders. Tractors and agricultural machinery. 2020; 3: 19-27.
11. Galiullin R.R. Efficiency of regulation of operating modes of tractor diesel engines by fuel supply. Tractors and agricultural machinery. 2012; 2: 20-21.
12. Fedoseev S.Yu. Improving the fuel efficiency of the tractor-transport unit by disabling part of the engine cylinders: dis. ... Cand. Tech. Sciences. Chelyabinsk, 2015. 156 p.
13. Zlotnik M.I., Ivanov E.I. and etc. Tractor T-130: tutorial. M.: Vysshaya shkola, 1973. 207 p.
14. Bashirov R.M., Khusainov V.N., Minnigaleev A.M. Research technique for diesel engines controlled by fuel injection. Ufa: Bashkir GAU, 2011. 111 p.
15. Bashirov R.M., Safin F.R. Features of determining the mechanical efficiency of tractor and combine diesel engines according to the methodology of the Bashkir State Agrarian University. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2019; 3(77): 172-176.
16. Khusainov V.N. Substantiation of the methodology and development of technical means for studying the efficiency of converting diesel engines to regulate operating modes by passing the fuel supply: dis. ... Cand. Tech. Sciences. St. Petersburg - Pushkin, 2011. 116 p.
Эльмир Маликович Гайсин, кандидат технических наук, доцент, gaisin@inbox.ru, https://orcid.org/0000-0002-7951-0251
Филюс Раисович Сафин, кандидат технических наук, доцент, fils02mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-2228-3278
Александр Сергеевич Рожков, кандидат технических наук, alex-ser-rozhkov@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-5661-7005
Ilmir M. Gaysin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, gaisin@inbox.ru, https://orcid.org/0000-0002-7951-0251
Filyus R. Safin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, fils02mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-2228-3278
Aleksandr S. Rozhkov, Candidate of Technical Sciences, alex-ser-rozhkov@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-5661-7005
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 30.12.2021; одобрена после рецензирования 18.01.2022; принята к публикации 22.01.2022.
The article was submitted 30.12.2021; approved after reviewing 18.01.2022; accepted for publication 22.01.2022. -♦-
