СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ МОДЕРНИЗИРОВАННОГО ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ

Овтов В.А.; Орехов А.А.; Поликанов А.В.; Полывяный Ю.В.; Шитов Е.П.

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

05.20.00 Процессы и машины агроинженерных систем

УДК 621.43.038

DOI 10.36461 .NP.2021.59.2.003

СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ МОДЕРНИЗИРОВАННОГО ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ

В.А. Овтов, канд. техн. наук, доцент; А.А. Орехов, канд. техн. наук, доцент; А.В. Поликанов, канд. техн. наук, доцент; Ю.В. Полывяный, канд. техн. наук, доцент;

Е.П. Шитов, студент

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пензенский государственный аграрный университет», г. Пенза, Россия т.: 89093192710, е-mail: [email protected]

Использование автотракторных дизелей осуществляется в различных природно-климатических зонах страны, где температура окружающего воздуха изменяется в широком диапазоне. Эффективные показатели дизеля во многом зависят от эксплуатационных свойств топливных и смазочных материалов, подверженных воздействию температуры окружающего воздуха. Целью данной работы является исследование и обоснование температуры топлива в наполнительной полости топливного насоса высокого давления, обеспечивающей оптимальные технико-экономические показатели дизеля. Цель работы реализована анализом научных публикаций в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах, проведением стендовых испытаний топливного насоса и тормозными испытаниями дизеля в условиях вынужденного изменения температуры топлива. Методом планирования многофакторного эксперимента был определен оптимальный температурный диапазон дизельного топлива, при котором обеспечиваются эффективные показатели тракторного дизеля. Проведенные исследования позволили определить оптимальные технико-экономические показатели тракторного дизеля.

Ключевые слова: дизель, дизельное топливо, крутящий момент, эффективная мощность, температура, давление._

Введение

Повышение эффективности использования автотракторной техники, оснащенной дизелями, во многом зависит от эксплуатационных свойств топливных и смазочных материалов. Эксплуатация тракторных дизелей осуществляется в различных природно-климатических зонах страны, где температура окружающего воздуха варьируется в широком диапазоне от -35 °С до +30 °С и выше [1-5].

В наибольшей степени воздействию температуры окружающего воздуха подвержено топливо в агрегатах топливной системы (ТС). В летний период при температуре окружающего воздуха +23 °С, при

работе трактора МТЗ-80 на летнем дизельном топливе, оборудованного штатной топливной системой, и при загрузке двигателя, близкой к номинальной, температура топлива в наполнительной полости топливного насоса составила +78 °С, а зимой при температуре воздуха -26 °С и заправленного зимним дизельным топливом температура топлива составила +2 °С [1-5].

На температуру топлива в агрегатах ТС оказывают влияние как конструктивные факторы (место расположения топливного бака, фильтра тонкой очистки, протяженность магистрали низкого давления), так и режимы работы дизеля в эксплуатации (нагрузочный, скоростной, температурный режимы).

Изменение физических свойств топлива, зависящих от его температуры, влияет на изменение выходных показателей топливного насоса высокого давления (ТНВД) (средняя цикловая и часовая подачи топлива, неравномерность подачи топлива по линиям нагнетания) и эффективные показатели дизеля (эффективная мощность, удельный эффективный расход топлива,

эффективный крутящий момент на коленчатом валу двигателя).

Для автоматического поддержания оптимальной температуры топлива в ТНВД на работающем дизельном двигателе трактора в условиях умеренного климата предложена модернизированная топливная система дизеля с теплообменником-смесителем [6], схема которой представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема системы топливоподачи дизеля с терморегулирующим устройством: 1 - топливный бак; 2 и 5 - фильтры грубой и тонкой очистки; 3 - подкачивающий насос;

4 - редукционный клапан; 6 - топливный насос высокого давления; 7 и 8 - впускная и отсечная полости ТНВД; 9 - редукционный клапан; 10 - электрический нагреватель, 11 - теплообменник-смеситель; 12 и 17 - воздухоотделители; 13 и 14 - внешняя и внутренняя трубы смесителя; 15 - нагнетательная магистраль; 16 - разделительный конус; 18 - клапан

Методы и материалы

При проведении исследований применялись аналитические методы расчета параметров рабочего процесса дизеля с использованием прикладных компьютерных программ, а также метод планирования многофакторного эксперимента при проведении стендовых испытаний топливного насоса и тормозных испытаний дизеля в условиях вынужденного изменения температуры топлива.

Результаты

Одним из способов изменения эффективного крутящего момента тракторного дизеля является обеспечение равномерности средней цикловой подачи моторного топлива ТНВД по линиям нагнетания.

Расчет показателей рабочего процесса дизеля, в том числе и крутящего момента, проводится для одного кг дизельного топлива.

Известно, что эффективный крутящий момент двигателя равен [7]:

Ме=М1- Мт = (р1 - рМП),

где М| - индикаторный крутящий момент, Н м;

Ммп - момент механических потерь, Н м; Vh - рабочий объем цилиндра, л; z - число цилиндров двигателя; т - тактность двигателя; р - среднее индикаторное давление, МПа; рмп - среднее давление механических потерь, МПа.

Среднее индикаторное давление может быть определено через цикловую подачу топлива по формуле [7]:

„ = ац-т-Ни Р1= УП '

где дц - массовая цикловая подача топлива, г/цикл;

П - индикаторный КПД двигателя; Ни - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Среднее давление механических потерь равно [7]:

рМП = 0,09 + 0,012СП = 0,09 + 0,0008#кр •

где Сп = S•n/30 = 2гкрП/30 - средняя скорость поршня (м/с); S - ход поршня, м;

Гкр - радиус кривошипа коленчатого вала, м;

п - частота вращения коленчатого вала, мин-1.

Эффективная мощность дизеля (кВт) определяется по формуле

' = РеУуп е 30 т '

где ре - средняя эффективное давление, МПа, ре = pi - Рмп.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что изменить величину эффективной мощности и эффективного крутящего момента возможно за счет изменения цикловой подачи (дц) и теплотворных свойств (Ни) топлива.

Низшая теплота сгорания летнего дизельного топлива определяется по формуле [8]:

Ни = 34,013 • С + 125 -2,52(9 •

10,9(0 -3) + 4),

где S и W - содержание серы и воды (S = 0, W = 0) и Hu = 42,4 МДж/кг.

Цикловая подача топлива определится из выражения

5ц = V Рт-

где Vц - средняя цикловая подача, мм3/цикл;

р - плотность топлива, г/мм3 [1]: рт = ро-10-4(18-13ро)(Мо), где ро - плотность топлива при нормальных условиях (to = 20 °С); U - температура топлива, °С. При постоянстве исходного температурного состояния, характеризуемого начальной температурой топлива перед поступлением в полости сжатия ТНВД выше стандартной, плотность топлива в полостях практически остается неизменной в связи с тем, что при возрастании температуры плотность уменьшается по зависимости [1]

рт(Т) = ро -10-4(18-13) ро(Т-То),

а при увеличении давления плотность возрастает по закону [9]

, ч , 400р

рт(р) = р°+!^'

где ро - плотность топлива при стандартных условиях (То = 293 К, ро = Ю1325 Па).

В пределах изменения давления (от 2 до 1 оо МПа) и температуры (от 293 до 373 К) топлива в ТНВД положительное приращение плотности [Дрт(р)] при увеличении давления практически компенсируется отрицательным линейным приращением (падением) плотности [Дрт(Т)] от возрастания

температуры. В этом случае плотность топлива в функции двух переменных рт(р,Т) = const = рт.

Однако начальная температура топлива на работающем дизеле является случайной функцией многих переменных и зависит в любой момент времени от температуры окружающей среды, нагрузочного, скоростного и температурного режимов работы двигателя [10-21].

Экспериментальные данные, полученные по результатам безмоторных испытаний по оценке влияния температуры топлива на гидродинамические и регулировочные показатели ТС и показатели насоса 4УТНМ, показывают, что в результате вынужденного изменения температуры топлива от +20 °С до +60 °С, при номинальной частоте вращения кулачкового вала насоса, средняя объемная цикловая подача топлива снижается на 6,1 %, часовая подача -на 9,1 %.

Аппроксимирующие уравнения, устанавливающие зависимости средней объемной цикловой подачи (Уц) и часовой подачи ^ч) в диапазоне температуры топлива от +15 °С до +65 °С:

Уц = 73,338787 + 0,5973218tr - 0,036896Ъ2 + 0,0007481tr3 - 0,00000516t/;

Gч =19,17098 - 0,1392795tr + 0,0023881Ъ2 -0,0000175 tr3.

При этом стабилизация объемной цикловой подачи, оказывающей непосредственное влияние на эффективные показатели дизеля, происходит при температурном диапазоне +35...+50 °С, что соответствует величине объемной цикловой подаче (Уц), равной 73,5...72,3 мм3/цикл.

Исходя из полученных результатов, проведены тормозные исследования дизеля 4Ч 11/12,5 с использованием метода планирования многофакторного эксперимента.

В качестве действующих факторов были приняты: температура топлива в наполнительной полости ТНВД, температура моторного масла (twi) в поддоне картера, температура охлаждающей жидкости ^в) на входе в радиатор.

В результате проведения тормозных испытаний дизеля и обработки полученных экспериментальных данных были получены зависимости, устанавливающие связь эффективной мощности двигателя (Ne) и удельного расхода топлива (ge) с температурами топлива в наполнительной полости ТНВД, моторного масла в картере и охлаждающей жидкости в системе:

N6 = -17,2 + 0,018551т + 1,25811м + 0,3347tв -0,0023Ъ2 - 0,00771м2 - 0,00331в2 + 0,0015Мв +

0,00278Ыв; де = 753,469 - 0,2767Ь - 7,42531м -3,07221в + 0,0077Ъ2ь + 0,043861м2 + 0,026751в2 - 0,007Мв - 0,0125Ыв.

Полученные математические модели позволяют найти оптимальные диапазоны температуры топлива с учетом влияния эксплуатационных материалов на технико-экономические показатели дизеля. Анализ полученных экспериментальных данных с помощью двухмерных сечений поверхностей

откликов (рисунок 2) в области варьирования факторами позволил найти оптимальные диапазоны температуры топлива с учетом влияния эксплуатационных материалов на технико-экономические показатели дизеля. Из анализа двухмерных сечений следует, что с увеличением температуры топлива от +32 °С до +58 °С (движение по оси х) мощность дизеля снижается с 57,247 до 54,283 кВт, а при увеличении температуры моторного масла (движение по оси у) происходит увеличение мощности до 57,247 кВт при достижении температуры равной 93 °С.

Температура топлива, С

Рис. 2. Двухмерное сечение поверхности отклика, характеризующее эффективную мощность дизеля Д-240 в зависимости от величин температуры топлива и моторного масла при температуре охлаждающей жидкости, равной 85°3

Заключение

Рассчитанный и обоснованный оптимальный температурный диапазон топлива в наполнительной полости насоса 4УТНМ, равный Ъ = +38...+41 °С при температуре моторного масла = +94...+97 °С,

температуре охлаждающей жидкости tв = +87...+93 °С обеспечивает повышение эксплуатационной мощности и эффективного крутящего момента на коленчатом валу двигателя на 3...5 %, и снижение расхода топлива на 2... 4 %.

Литература

1. Терморегулирование топливно-смазочных материалов в системах мобильных машин. Под редакцией П.А. Власова, А.П. Уханова, И.А. Спицына. Пенза: РИО ПГСХА, 2001, 140 с.

2. Николаенко А.В., Уханов А.П., Овтов В.А. Исследование параметров топливоподачи и эффективных показателей дизеля в условиях вынужденного изменения температуры топлива. Двигателестроение, 1999, № 3, с. 13-16.

3. Овтов В.А. Повышение эффективности работы тракторного дизеля оптимизацией температуры впрыскиваемого топлива: диссертация кандата технических наук. Пенза, 1999, 189 с.

4. Балабин В.Н., Васильев В.Н. Особенности применения термофорсирования топлива на локомотивных дизелях. Современные наукоемкие технологии, 2015, № 4, с. 107-113.

5. Овтов В.А. Температурные условия эксплуатации и экономичность дизеля. Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2007, № 12, с. 24-25.

6. Патент РФ № 1746033, МКИ F02 М37/00. Система топливоподачи дизельного двигателя. А.П. Уханов. Заявл. 02.10.89., Опубл. 06.05.93.

7. Рыблов М.В., Уханов Д.А., Симаков С.А. Расчет крутящего момента дизеля при работе с обогащением воздушного заряда. Образование, наука, практика: инновационный аспект: сборник материалов Международной научно-практической конференции, посвященной Дню российской науки. Пенза: РИО ПГСХА, 2015, с. 61-65.

8. Година Е.Д. Определение степени теплоты сгорания дизельного смесевого топлива из соевого масла. Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова, 2013, № 5, с. 25-29.

9. Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. Ленинград: Машиностроение, 1990, 349 с.

10. Власов П.А., Спицын И.А., Ашаков С.В., Орехов А.А. Масло подогреешь - топливо сэкономишь. Сельский механизатор, 2000, № 3, с. 2, 25.

11. Спицын И.А., Орехов А.А., Поликанов А.В., Рылякин Е.Г. Оценка эффективности работы техники в условиях отрицательных температур окружающего воздуха. Нива Поволжья, 2017, № 4 (45), с. 169-175.

12. Glushenko A.A., Khokhlov A.L., Molochnikov D.E., Salakhutdinov I.R., Proshkin E.N., Ga-yaziev I.N. Development of a model for improving operating performance of vehicles. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 2019, v. 403, 012099, ISSN: 1755-1315.

13. Khokhlov A.L., Golubev V.A., Khokhlov A.A., Maryin D.M., Golubev S.V. Decreasing the wear of precision pairs of fuel injection equipment in diesel engines. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 2019, v. 403, 012101, ISSN: 1755-1315.

14. Khokhlov A.L., Khokhlov A.A., Marin D.M., Molochnikov D.E., Gayaziev I. Design adaptation of the automobile and tractor diesel engine for work on mixed vegetable-mineral fuel. BIO Web of Conferences. International Scientific-Practical Conference "Agriculture and Food Security: Technology, Innovation, Markets, Human Resources" (FIES 2019), 2000, v 17, 00077, eISSN: 2117-4458.

15. 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, v. 9, p. 53-58.

16. Ou L.J., Wang C.M., Qian W.J., Huang W., Zhu S.W., Sun J. Effect of gasoline fumigation on diesel engine performance and emissions. Applied Mechanics and Materials, 2012, 130-134, 1744-1748, DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.130-134.1744

17. Chauhan B.S. Experimental studies on fumigation of ethanol in a small capacity Diesel engine. Energy, 2011, v. 36, № 2, p. 1030-1038, DOI: 10.1016/j.energy.2010.12.005.

18. Liu B., Cheng X., Pu H., Yi L., Liu J. Combustion and particulate matter emission characteristics for diesel engine run by partially-premixed low-temperature combustion mode. SAE Technical Papers, 2017, № september.

19. Liu B., Cheng X., Pu H., Lu H., Gong Z., Liu J. Effects of injection strategy on emission characteristics for diesel engine run by partially-premixed low temperature combustion mode. Nei-ranji Xuebao, 2019, № 37 (1), p. 1-8.

20. Abdrazakov F.G., Plotnikov D.O., Rafikova R.R. Modernized discharge valve for fuel supply system with electronic control. Journal of Advanced Research in Technical Science, 2019, № 16, p. 38-41.

21. Leschuk O. Modernization of the fuel supply system for the internal combustion engine of a generator set. Scientific Works of Vinnytsia National Technical University, 2014, № 1, p. 4.

UDC 621.43.038

DOI 10.36461 .NP.2021.59.2.003

BENCH TESTS OF THE MODERNIZED TRACTOR DIESEL

V.A. Ovtov, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor; A.A. Orekhov, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor; A.V. Polikanov, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor; Yu.V. Polyvyany, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor;

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

E.P. Shitov, student

Federal State-Funded Educational Institution of Higher Education Penza State Agrarian University, Penza, Russia tel.: 89093192710, e-mail: [email protected]

The car and tractor diesel engines are used in various natural and climatic zones of the country, where the ambient temperature varies in a wide range. The effective performance of a diesel engine largely depends on the performance properties of fuel and lubricants exposed to ambient temperatures. The purpose of this work is to study and substantiate the temperature of the fuel in the filling cavity of the high-pressure fuel pump, which ensures the optimal technical and economic performance of the diesel engine. The purpose of the work was achieved by analyzing scientific publications in domestic and foreign peer-reviewed journals, by conducting bench tests of the fuel pump and brake tests of a diesel engine

under conditions of a forced change in fuel temperature. Using the method of planning a multifactorial experiment, the optimal temperature range of diesel fuel was determined, which provides the effective performance of a tractor diesel engine. The studies made it possible to determine the optimal technical and economic indicators of a tractor diesel engine.

Key words: diesel, diesel fuel, torque, effective power, temperature, pressure.

References

1. Thermal regulation of fuel and lubricants in the systems of mobile machines. Edited by P.A. Vlasov, A.P. Ukhanova, I.A. Spitsyn. Penza: Editorial and Publishing Unit of PSAA, 2001, 140 p.

2. Nikolaenko A.V., Ukhanov A.P., Ovtov V.A. Investigation of the parameters of fuel supply and effective indicators of a diesel engine under conditions of a forced change in fuel temperature. Dvigatelestroyeniye, 1999, No. 3, p. 13-16.

3. Ovtov V.A. Improving the efficiency of a tractor diesel engine by optimizing the temperature of the injected fuel: dissertation of the candidate of technical sciences. Penza, 1999, 189 p.

4. Balabin V.N., Vasiliev V.N. Features of the use of thermal boosting of fuel on locomotive diesel engines. Modern high technologies, 2015, no. 4, p. 107-113.

5. Ovtov V.A. Operating temperature and efficiency of the diesel engine. Tractors and agricultural machines, 2007, No. 12, p. 24-25.

6. Patent No. 1746033 Russia, MKI F02 M37/00. Diesel fuel supply system. A.P. Ukhanov. Appl. 02.10.89., Publ. 06.05.93.

7. Ryblov M.V., Ukhanov D.A., Simakov S.A. Calculation of the diesel engine torque when working with air charge enrichment. Education, science, practice: an innovative aspect: a collection of materials from the International Scientific and Practical Conference dedicated to the Day of Russian Science. Penza: Editorial and Publishing Unit of PSAA, 2015, p. 61-65.

8. Godina E.D. Determination of the heat-producing value of mixed diesel fuel from soybean oil. Bulletin of the North-Eastern Federal University. M.K. Ammosova, 2013, No. 5, p. 25-29.

9. Fainleib B.N. Fuel equipment for automotive diesel engines. Leningrad: Mechanical Engineering, 1990, 349 p.

10. Vlasov P.A., Spitsyn I.A., Ashakov S.V., Orekhov A.A. Heat up the oil to save fuel. Rural mechanic, 2000, No. 3, p. 2, 25.

11. Spitsyn I.A., Orekhov A.A., Polikanov A.V., Rylyakin E.G. Evaluation of the efficiency of the equipment in conditions of negative ambient temperatures. Niva Povolzhya, 2017, No. 4 (45), p. 169-175.