ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МТА ЗА СЧЁТ УЛУЧШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА В ЦИЛИНДРАХ ДВС Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 665.753:629.4.016

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МТА ЗА СЧЁТ УЛУЧШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА

В ЦИЛИНДРАХ ДВС

© 2020 г. К.В. Коршенко

В ходе выполнения машинно-тракторным агрегатом энергоемких сельскохозяйственных операций на коленчатом валу двигателя непрерывно изменяется внешний момент сопротивления, что приводит к варьированию скорости движения агрегата, а также изменению частоты вращения коленчатого вала двигателя трактора. Для повышения производительности машинотракторного агрегата и преодоления кратковременных перегрузок возникает необходимость улучшения мощностных и экономических показателей работы сельскохозяйственных тракторов. Энергетические установки на тракторах сжигают в настоящее время в среднем до 75% топлива, а остальные 25% топлива и продуктов его неполного сгорания выбрасывается в выхлопную трубу двигателя, то есть полноценно сгорает с преобразованием в тепло в существующих серийных двигателях не более 75% дизельного топлива. В статье показана необходимость поиска новых способов, обеспечивающих улучшение сгорания топлива в ДВС, что может оказать положительное влияние непосредственно на производительность МТА и повысить величину преобразовываемой в полезное тепло той части топлива, которая до этого практически «вылетала» в выхлопную трубу в объёме от 20 до 30%. Это, в свою очередь, позволит дизелю адаптироваться к изменчивым условиям эксплуатации МТА. В работе дан энергетический анализ использования предложенного нами устройства повышения степени сгорания топлива в ДВС, приведёны результаты количественной и качественной оценки мощностных возможностей ЭУ МЭС МТА, зависящих от физических (таких как магнитная проницаемость и восприимчивость) и химических (плотность, вязкость, температура вспышки, фракционный состав) свойств топлива, влияющих на его энергонасыщенность. Отмечено, что в основу модернизации топливной системы на базе нового устройства положена электромагнитная обработка дизельного топлива перед сгоранием. Достигается это посредством установки в форсунку соленоида с полым основанием из меди, который является частью топливопровода.

Ключевые слова: повышение производительности, дизельное топливо, энергетические показатели, машинно-тракторный агрегат, электромагнитная обработка.

THEORETICAL ASPECTS OF INCREASING THE PRODUCTIVITY OF MACHINE-TRACTOR AGGREGATORS DUE TO IMPROVING ENERGY INDICATORS OF DIESEL FUEL COMBUSTION IN THE CYLINDERS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

© 2020 K.V. Korshenko

The article presents proposals for increasing the productivity of machine-tractor units by modernizing the fuel system of internal combustion engines. It is known that the high-performance work of MTA under operating conditions is determined by the level of use of the tractor engine power. In the course of performing energy-intensive agricultural operations by the machine-tractor unit, continuous changes in the external moment of resistance are transmitted to the engine crankshaft, leading to a change in the speed of the unit and the rotation speed of the engine crankshaft. To increase the productivity of the machine-tractor unit and overcome short-term overloads, it is necessary to improve the power and economic indicators of agricultural tractors. Power plants on tractors currently burn on average no more than 75% of fuel, and 25% of fuel and products of incomplete combustion go into the exhaust pipe. That is, in the engines existing today, no more than 75% of the fuel fully burns and is converted into heat. On the scale of the Russian Federation, this amounts to about 8,8 million tons of fuel in 2019 alone. Considering that the total volume of diesel fuel production at Russian refineries (refineries) at the end of 2019 amounted to 76,1 million tons, and about 35,3 million tons were supplied to the domestic market, the annual fuel losses from this weight are significant. It is shown that it is necessary to search for new ways to improve the combustion of fuel in an internal combustion engine, which can have a positive effect directly on the performance of MTA and increase the amount of that part of the fuel converted into useful heat, which previously practically «flew» into the exhaust pipe in a volume of 20 to 30%. This, in turn, will allow the diesel engine to adapt to the changing operating conditions of the MTA. The paper gives an energy analysis of the use of our proposed device for increasing the degree of fuel combustion in an internal combustion engine, the results of a quantitative and qualitative assessment of the power capabilities of the EI MES MTA, which depend on physical (such as magnetic permeability and susceptibility) and chemical (density, viscosity, flash point, fractional composition) of the properties of the fuel that affect its energy saturation. It is noted that the basis for the modernization of the fuel system on the basis of the new device is the electromagnetic treatment of diesel fuel before combustion. This is achieved by installing a copper hollow base solenoid in the injector, which is part of the fuel line.

Keywords: productivity increase, diesel fuel, energy indicators, machine-tractor unit, electromagnetic treatment.

Введение. Основными энергетическими ском хозяйстве являются двигатели внутренне-установками (ЭУ) технических средств в сель- го сгорания. Наиболее распространенными тех-

ническими средствами с ЭУ являются тракторы, которые входят в состав сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов (МТА), с помощью которых выполняются практически все сельскохозяйственные работы.

В условиях эксплуатации высокопроизводительная работа МТА определяется уровнем полезного использования мощности двигателя, установленного на тракторе. При выполнении машинно-тракторным агрегатом сельскохозяйственных энергоемких операций (культивации, пахоты, чизелевания, дискования и др.) на коленчатом валу двигателя непрерывно изменяется внешний момент сопротивления, что вызывает существенные вариации как скорости движения агрегата, так и частоты вращения его коленчатого вала [6, 9].

Повышение внешнего сопротивления в процессе движения МТА сопровождается ростом момента сопротивления коленчатого вала, из-за этого у дизельного двигателя крутящий момент достигает значения, превышающего номинальное. В этом случае обычно срабатывает центробежный регулятор частоты вращения, увеличивая подачу топлива в среднем на 10-15% перемещением рейки ТНВД по сравнению с номинальной подачей. При дальнейшем же повышении внешнего сопротивления возможно возникновение кратковременных перегрузок двигателя, которые невозможно преодолеть описанным выше способом. Такой режим работы дизельного двигателя нестабилен, и он может остановиться.

Переключение на более пониженную передачу позволяет машинно-тракторному агрегату преодолеть такие кратковременные перегрузки, которые отрицательно влияют на ход выполняемого рабочего процесса. Однако этот вынужденный переход на более низкую передачу приводит к повышенному расходу топлива, падению рабочей скорости, из-за чего производительность МТА снижается.

Для повышения производительности машинно-тракторного агрегата и преодоления краткосрочных перегрузок возникает необходимость улучшения мощностных и экономических показателей сельскохозяйственных тракторов [6, 8].

Резервы совершенствования ДВС с точки зрения энергосбережения традиционными высокотехнологичными способами к настоящему времени практически полностью исчерпаны, из-за чего появилась потребность разработки но-

вых решений в дальнейших направлениях их модернизации. Их поиск целесообразен не в области механики, в которой достигнут коэффициент полезного действия (КПД) до 0,9, а в области совершенствования процесса работы двигателей, который всё ещё характеризуется достаточно низким КПД (на уровне 0,25-0,55%) [9, 10].

Методы исследований. В работе использованы в основном теоретические исследования, базирующиеся на известных законах математики, теоретической механики, физики, гидравлики и других наук. Для получения расчётных зависимостей привлечены методы экономической оценки работы МТА и их анализа.

Результаты исследований и их обсуждение. Основное внимание далее уделено следующим показателям эффективности работы ДВС: термическому и механическому КПД, а также топливной эффективности.

Основным показателем топливной эффективности является количество дизельного топлива, которое эффективно сгорает в двигателе. Термический КПД показывает, какое количество тепла из полученного в результате сжигания топлива превратилось в полезную работу, и одновременно даёт сведения о той части тепла, которая рассеивается в окружающем пространстве. Механический же КПД оценивает количество механической работы, которая превращается в силу крутящего момента на коленчатом валу двигателя внутреннего сгорания, и показывает, какая часть её расходуется бесполезно на трение.

В настоящее время ДВС по сумме термических и механических потерь имеют КПД до 30%. Однако этим значением КПД не учтена доля от не сгоревшего топлива, то есть не оценена полноценность процесса сгорания топлива в цилиндрах двигателя. С учётом этого параметра реальный КПД у бензиновых двигателей будет не более 20%, а у дизелей - примерно на 5-7% выше этого значения [7].

Таким образом, ЭУ в среднем сжигают до 75% топлива, а остальная часть топлива (25%) и продуктов неполного сгорания уходит в окружающий воздух через выхлопную трубу. Следовательно, полноценно сгорает в существующих отечественных и зарубежных двигателях и переводится в тепло только 75% топлива. Ежегодно потери горючего по этой причине в нашей стране превышают 8 миллионов тонн.

Это свидетельствует о необходимости и актуальности разработки нового способа, улучшающего процесс сгорания топлива в современных ДВС, что с учётом дополнительно преобразованной в полезное тепло той части топлива, которая до этого «вылетала» в выхлопную трубу, может повысить производительность МТА, увеличить энергоэффективность и позволит дизелю легче адаптироваться к изменчивым условиям эксплуатации МТА [3].

Под энергоэффективностью при этом понимается показатель удельного количества использования энергетических углеводородных ресурсов при производстве единицы продукции сельскохозяйственного назначения. А в качестве единицы продукции сельскохозяйственного назначения принята площадь, обработанная МТА, в состав которого входит МЭС с модернизированной топливной системой ЭУ.

Суть этой модернизации заключается в установке на двигателе устройства для электромагнитной обработки дизельного топлива перед сгоранием. Достигается это посредством монтажа в форсунке специального соленоида с полым основанием из меди, который представляет часть топливопровода.

Дадим далее количественную и качественную оценки мощностных возможностей ЭУ МЭС МТА, зависящих от физических (магнитная проницаемость и восприимчивость) и химических (плотность, вязкость, температура вспышки, фракционный состав) свойств топлива, оказывающих влияние на энергонасыщенность его.

Производительность МТА, как известно, определяется по формуле [5, 8]:

Ж, = См • Вр • ур • т, га/ч, (1)

где Вр - ширина захвата МТА;

Ур - скорость его движения;

т - коэффициент использования времени смены;

Си/ - коэффициент, равный для скорости движения в км/ч - Си = 0,1, а в м/с - Си = 0,36.

Производительность - это общепринятый выполненный определённый объём работ в единицу времени. Основываясь на этом, произ-

водительность МТА можно также определить по формуле

Wч — р га/ч. (2)

Согласно [2, 10] при вспашке, например:

Ne

Ж, = 0,1

&пл " & Т

■■%• %т • £Вп • т, га/ч, (3)

где %т и ев - степени использования мощности трактора и конструктивной ширины захвата; Ые - эффективная мощность трактора; кпл- удельное тяговое сопротивление плуга; цт - КПД трактора; а - глубина вспашки.

Правые части формул (2) и (3) равны, поэтому после преобразований получим для определения площади, обработанной МТА, в зависимости от мощности ЭУ МЭС выражение

5 = t • 0,1

■ ■ цт • %г • £вр • Т, га. (4)

Анализируя данное выражение, можно сделать вывод о том, что с повышением мощности ЭУ МЭС МТА возрастает возможная обрабатываемая МТА площадь.

Представим часовой расход топлива Сг[1, 3], приведенный к единицам объёмного его измерения с учётом удельного его расхода Цкр (г/кВт ч) и крюковой мощности Ыкр (кВт):

Ст —

Чкр • ^

кр

1000 р

, м3/ч,

(5)

где р- плотность топлива, кг/м3.

Учитывая намагниченность топлива и его молекулярный вес М (кг/моль) в определении р [3], получим:

п -М ■V

(6)

Ст — м3/ч

1000 •XV • М'

где хм - молярная магнитная восприимчивость топлива, м3/моль;

XV - объёмная магнитная восприимчивость (безразмерная величина).

Тогда известная формула для определения производительности МТА [4] с учётом мощности трактора на крюке [10] будет иметь вид:

_ 0,1 V 1000^3600^дкр^^Хы Р'У _ 0,1 В^Урт-хмР

»'и /асеп.ЛГ_.:_ \ . .

/9550 •Ыечтр \

^ {—¿¿^-т-д^) • 1000•ху • М • 3600

XV М

м2/с.

(7)

Критерием оптимальности при выборе МЭС для МТА являются минимальные удельные энергозатраты и расход топлива ЭУ [6]:

(8)

э„ = М^, МДж/м2,

вр • ^р

времени, то критерий удельных энергозатрат эквивалентен его максимальной производительности на единицу мощности [9]:

(9)

Ж, = га/ч.

Ые • п

где п - коэффициент использования мощности МЭС.

Так как произведение Вр • рр представляет производительность МТА за единицу чистого

Воспользовавшись правилом эквивалентности Эп=-1 [6] для известной формулы производительности [4], получим:

Эп =

Чкр" (

^9550• МеЛТр-п

тр

пе • гк

—т-д•

г)

3,6

0,1-Вр- 1000- 3600- вТ • т

, мДж/м2.

(10)

Таким образом, полученное выражение (10) представляет собой критериальную оценку энергозатрат МТА, в которой учитывается не только мощность, но и удельный расход топлива агрегатом.

Учитывая средние показатели работы агрегата, расчётные энергозатраты по использованию мощности на базовой ЭУ МЭС МТА составят 51,277 МДж/га.

На модернизированной ЭУ МЭС МТА эти энергозатраты по использованию мощности выросли до 58,451 МДж/га.

В этом случае затраты энергии повысились на 7,174 МДж/га, что связано с активацией топлива устройством для его электромагнитной обработки. Однако при этом улучшилась полнота сгорания с высвобождением большего количества энергии, что привело к увеличению производительности агрегата на 0,12 га/ч.

Используем далее общепринятую методику и формулу [5, 8, 10] для определения удельных энергозатрат по применению топлива в расчёте на единицу выполненной работы:

ЭЧкр=42,7-Чкр,МЖ. (11)

По ней при среднем значении расхода топлива на выполнение вспашки с использованием базовой ЭУ МЭС МТА удельные энергозатраты по расчётам будут равны 13235,292 МДж/га, а с использованием модернизированной ЭУ МЭС МТА они составят 12464,984 МДж/га, то есть снизятся почти на 6%.

Выводы. Под действием электромагнитного поля, создаваемого соленоидом предложенного устройства для обработки горючего, из него выделяется большее количество энергии в связи с увеличением полноты сгорания.

Применение такого устройства для электромагнитной обработки топлива обеспечивает снижение энергозатрат на используемое топливо в расчёте на единицу выполненных работ на 770 МДж/га в сравнении с используемой в настоящее время ЭУ МЭС МТА, что позволяет рекомендовать его к широкому внедрению в сельском хозяйстве.

Литература

1. Арженовский, А.Г. Совершенствование методики и средств определения энергетических и топливно-экономических показателей двигателей тракторов: монография / А.Г. Арженовский, С.В. Асатурян. - Зерноград: АЧГАА, 2013. - 120 с.

2. Арженовский, А.Г. Методика и средства определения энергетических и топливно-экономических показателей тракторов в эксплуатационных условиях: монография / А.Г. Арженовский, Д.В. Казаков. - Зерноград: АЧИИ ФГБОУ ВО Донской ГАУ, 2018. - 171 с.

3. Брюховецкий, А.Н. Метод повышения топливной эффективности работы энергосиловых установок в агро-биотехноценозах / А.Н. Брюховецкий, К.В. Коршенко // Кадастровое и эколого-ландшафтное обеспечение землеустройства в современных условиях: материалы Международной научно-практической конференции факультета землеустройства и кадастров ВГАУ. - Воронеж: ФГБОУ ВО Воронежский ГАУ, 2018. - С. 38-45.

4. Брюховецкий, А.Н. Некоторые результаты полевых испытаний устройства для электромагнитной обработки дизельного топлива перед сгоранием / А.Н. Брюховецкий, К.В. Коршенко, В.Н. Сударкин // Научный вестник ГОУ ЛНР «Луганский национальный аграрный университет». - Луганск: ГОУ ЛНР ЛНАУ, 2019. - № 8 (3). -579 с. - С. 33-41.

5. Карабаницкий, А.П. Комплектование энергосберегающих машинно-тракторных агрегатов / А.П. Карабаницкий, М.И. Чеботарев. - Краснодар: КубГАУ, 2012. - 97 с.

6. Карабаницкий, А.П. Теоретические основы производственной эксплуатации МТП / А.П. Карабаницкий, Е.А. Кочкин. - М.: КолосС, 2009. - 96 с.

7. КПД двигателя - тюнинг глобальных идей: есть ли перспективы совершенствования двигателей? [Элек-

тронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.rotor-motor.ru/page08.htm. (дата обращения 15.04.2017).

8. Кравченко, В.А. Улучшение разгонных характеристик сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов: монография / В.А. Кравченко, Л.В. Кравченко. -Зерноград: АЧИИ ФГБОУ ВО Донской ГАУ, 2018. - 189 с.

9. Кравченко, В.А. Повышение эксплуатационных показателей движителей сельскохозяйственных колёсных тракторов: монография / В.А. Кравченко, В.А. Оберемок, В.Г. Яровой. - Зерноград: АЧИИ ФГБОУ ВО Донской ГАУ, 2013. - 213 с.

10. Кравченко, В.А. Повышение динамических и эксплуатационных показателей сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов: монография / В.А. Кравченко. - Зерноград: АЧГАА, 2010. - 224 с.

References

1. Arzhenovskiy A.G., Asaturyan S.V. Sovershen-stvovanie metodiki i sredstv opredeleniya energeticheskikh i toplivno-ekonomicheskikh pokazateley dvigateley traktorov: monografiya [Improvement of methods and means for determining the energy and fuel and economic indicators of tractor engines: monograph], Zernograd: ACHGAA, 2013, 120 p.

(In Russian)

2. Arzhenovskiy A.G., Kazakov D.V. Metodika i sredstva opredeleniya energeticheskikh i toplivno-ekonomi-cheskikh pokazateley traktorov v ekspluatatsionnykh uslo-viyakh: monografiya [Methodology and means of determining the energy and fuel-economic indicators of tractors in operating conditions: monograph], Zernograd: ACHII FGBOU VO Donskoy GAU, 2018, 171 p. (In Russian)

3. Bryukhovetskiy A.N., Korshenko K.V. Metod po-vysheniya toplivnoy effektivnosti raboty energosilovykh usta-novok v agrobiotekhnotsenozakh [The method of increasing the fuel efficiency of power plants in agrobiotechnocenoses],

Kadastrovoe i ekologo-landshaftnoe obespechenie zem-leustroystva v sovremennykh usloviyakh: materialy Mezhdu-narodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii fakul'teta zem-leustroystva i kadastrov VGAU, Voronezh: FGBOU VO Voro-nezhskiy GAU, 2018, pp. 38-45. (In Russian)

4. Bryukhovetskiy A.N., Korshenko K.V., Sudar-kin V.N. Nekotorye rezul'taty polevykh ispytaniy ustroystva dlya elektromagnitnoy obrabotki dizel'nogo topliva pered sgoraniem // Nauchnyy vestnik GOU LNR «Luganskiy natsional'nyy agrarnyy universitet», Lugansk: GOU LNR LNAU, 2019, № 8 (3), 579 s., pp. 33-41. (In Russian)

5. Karabanitskiy A.P., Chebotarev M.I. Kom-plektovanie energosberegayuschikh mashinno-traktornykh agregatov, Krasnodar: KuBGAU, 2012, 97 s. (In Russian)

6. Karabanitskiy A.P., Kochkin E.A. Teoreticheskie osnovy proizvodstvennoy ekspluatatsii MTP, M.: KoloSS, 2009, 96 s. (In Russian)

7. KPD dvigatelya - tyuning global'nykh idey, est' li perspektivy sovershenstvovaniya dvigateley? [Elektronnyy resurs], Rezhim dostupa: http://www.rotor-motor.ru/ page08.htm. (data obrascheniya 15.04.2017). (In Russian)

8. Kravchenko V.A., Kravchenko L.V. Uluchshenie razgonnykh kharakteristik sel'skokhozyaystvennykh ma-shinno-traktornykh agregatov: monografiya, Zernograd: ACHII FGBOU VO Donskoy GAU, 2018, 189 s. (In Russian)

9. Kravchenko V.A., Oberemok V.A., Yarovoy V.G. Povyshenie ekspluatatsionnykh pokazateley dvizhiteley sel'skokhozyaystvennykh kolesnykh traktorov: monografiya, Zernograd: ACHII FGBOU VO Donskoy GAU, 2013, 213 s. (In Russian)

10. Kravchenko V.A. Povyshenie dinamicheskikh i ehkspluatatsionnykh pokazateley sel'skokhozyaystvennykh mashinno-traktornykh agregatov: monografiya, Zernograd: ACHGAA, 2010, 224 s. (In Russian)

Сведения об авторе

Коршенко Константин Викторович - старший преподаватель кафедры «Тракторы и автомобили», ГОУ ВО Луганской Народной Республики «Луганский государственный аграрный университет» (г. Луганск).

Information about the author Korshenko Konstantin Viktorovich - Senior Lecturer of the Tractors and cars department, SEI HE «Lugansk State Agrarian University» (Lugansk).

Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interest. The author declares no conflict of interest.

УДК 631.331

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ПРОПАШНЫХ СЕЯЛОК

© 2020 г. В.И. Хижняк, П.С. Мальцев, В.А. Таранов, Е.А. Онищенко, А.С. Каймакова,

В.Б. Хронюк, П.В. Лаврухин

Современное сельскохозяйственное производство отличается высоким уровнем механизации выполняемых процессов. Используются тысячи машин разнообразного назначения, устройства и принципов действия, что затрудняет их понимание при изучении и использовании. Пропашные сеялки отличаются разнообразием конструкций, рабочих органов, принципов действия, поэтому выявление особенностей и достоинств конструкций, принципов действия, а также направлений развития сеялок точного высева является актуальным научным вопросом. В статье приведены результаты анализа назначения, краткого устройства и технических характеристик, достоинств и недостатков широко распростра-