Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Анализ использования различных активаторов для обогащения воздушного заряда дизеля 10
1.2 Обзор устройств для обогащения воздушного заряда дизеля 30
1.3 Обоснование цели и задачи исследования 37
2 Расчетно-теоретическое обоснование показателей рабочего процесса тракторного дизеля с обогащением воздушного заряда активатором 39
2.1 Методика определения молекулярного состава и низшей теплоты сгорания метилового эфира рапсового масла и смесевого минерально-растительного топлива 39
2.2 Уточненная методика расчета показателей рабочего процесса дизеля при обогащении воздушного заряда активатором 44
2.3 Методика определения показателей «жесткости» работы дизеля
при обогащении воздушного заряда активатором 49
2.4 Результаты расчета показателей рабочего процесса
тракторного дизеля при обогащении воздушного заряда 56
ВЫВОДЫ 58
3 Конструктивные варианты исполнения системы для обогащения воздушного заряда дизеля 60
3.1 Система одноточечного обогащения воздушного заряда 60
3.2 Система распределенного обогащения воздушного заряда 63
3.3 Система одноточечного обогащения воздушного заряда с устройством для ультразвуковой обработки активатора 67
ВЫВОДЫ 69
4 Программа и методика экспериментальных исследований 71
4.1 Программа экспериментальных исследований 71
4.2 Методика контрольных испытаний агрегатов дизельной топливной аппаратуры 71
4.3 Методика экспериментальных исследований пропускной способности электромагнитной форсунки 74
4.4 Методика моторных исследований тракторного дизеля при обогащении воздушного заряда активатором 75
4.4.1 Оборудование и приборное обеспечение 75
4.4.2 Методика моторных исследований тракторного дизеля при обогащении воздушного заряда активатором 82
4.5 Методика эксплуатационных исследований трактора, оснащенного системой для обогащения воздушного заряда 88
4.6 Методика обработки экспериментальных данных и оценка точности измерений 92
ВЫВОДЫ 96
5 Результаты экспериментальных исследований 97
5.1 Результаты контрольных испытаний агрегатов дизельной топливной аппаратуры 97
5.2 Результаты оценки длительности управляющих импульсов на пропускную способность электромагнитной форсунки 97
5.3 Результаты сравнительных моторных исследований тракторного дизеля 4411/12,5 (Д-240) в штатной комплектации и оснащенного системой для одноточечного обогащения воздушного заряда 99
5.4 Результаты эксплуатационных исследований трактора МТЗ-82 в штатной комплектации и оснащенного системой
для одноточечного обогащения воздушного заряда 105
ВЫВОДЫ 107
6 Оценка экономической эффективности работы трактора, оснащённого системой для обогащения воздушного заряда активатором
выводы 117
общие выводы 118
список литературы
- Обзор устройств для обогащения воздушного заряда дизеля
- Уточненная методика расчета показателей рабочего процесса дизеля при обогащении воздушного заряда активатором
- Система одноточечного обогащения воздушного заряда с устройством для ультразвуковой обработки активатора
- Методика моторных исследований тракторного дизеля при обогащении воздушного заряда активатором
Введение к работе
Современные тенденции развития дизельных ДВС таковы, что, с одной стороны, неуклонно повышается экономичность и уровень удельной мощности, снимаемой с двигателя, с другой - ужесточаются экологические ограничения, накладываемые на состав выхлопных газов. В то же время ограниченность нефтяных запасов, рост цен на энергоносители диктует необходимость экономии топлив нефтяного происхождения. Одним из направлений решения этой проблемы является замещение дизельного топлива (частичное или полное) возобновляемыми альтернативными энергоносителями.
Основным потребителем моторных углеводородных топлив нефтяного происхождения в АПК РФ является автотракторная техника. Причем доля такой техники, оснащенной поршневым дизельным двигателем, в общей структуре машинно-тракторного парка возрастает из года в год. Такая тенденция характерна и для зарубежных производителей с.-х. продукции.
К настоящему времени дизели достигли высокого уровня совершенства. Однако опыт использования дизелей на тракторах с.-х. назначения показывает, что темпы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по улучшению их технико-эксплуатационных показателей в последние годы снизились. Одной из основных причин этого, на наш взгляд, является недостаточная информативность, некоторый «консерватизм», а зачастую и нежелание заводов-производителей использовать научные идеи с целью доведения их до практического применения, причем во многом из-за слабых творческих связей между вузовской наукой и производством.
Примером этого может служить достаточно широко известный специалистам в области двигателе- и тракторостроения способ обогащения воздушного заряда углеводородным активатором (низко- и высокооктановым бензином, керосином, спиртом, биотопливом, смесевым минерально-растительным топливом и др.) путем подачи последнего во впускной трубопровод дизеля на такте впуска [1, 2, 3].
Наиболее известным техническим решением, реализующим данный способ, является устройство, выполненное в виде карбюратора, распылитель которого сообщен с впускным трубопроводом дизеля. При падении давления во впускном трубопроводе на такте впуска активатор начинает вытекать из распылителя и перемешиваться со свежим зарядом. При этом в цилиндры двигателя поступает уже не воздух, а смесь, состоящая из воздуха и активатора в определенном процентном соотношении.
Основным препятствием к широкому применению этого способа на автотракторной технике явилось отсутствие на тот момент «думающих» устройств, которые бы обеспечивали точную дозировку необходимого количества активатора в зависимости от нагрузочного, скоростного и теплового режимов работы дизеля. От точности дозировки того или иного вида активато-pa и качества перемешивания его с воздухом зависит и величина получаемого эффекта по мощности дизеля, расходу топлива, содержанию вредных веществ в отработавших газах и другим показателям.
Эффективным способом устранения указанного недостатка является использование наряду со штатной системой подачи дизельного топлива разработанной на кафедре «Тракторы, автомобили и теплоэнергетика» ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» впрысковой системы для одноточечного обогащения воздушного заряда, основными элементами которой являются электрический насос, электромагнитную форсунка, электронный блок управления и датчики скоростного и нагрузочного режимов, температуры охлаждающей жидкости и допустимого снижения напряжения [3, 4].
К достоинствам системы относятся универсальность по отношению к различным типам дизелей, компактность, дешевизна, малый срок окупаемости; на ее производство и монтаж не требуется больших капитальных вложений и исполнителей высокой квалификации.
Количество подаваемого активатора обычно не превышает 10 - 30 % от нормативного часового расхода моторного топлива. Для обеспечения суммарного расхода моторного топлива и активатора в нормативных пределах предварительно занижают подачу ТНВД на величину, соответствующую количеству впрыскиваемого активатора.
Система для обогащения воздушного заряда может устанавливаться на любой автомобильной, тракторной и комбайновой технике, оснащенной дизельными двигателями. Реализация способа обогащения воздушного заряда активатором позволяет улучшить качество протекания рабочего процесса в цилиндрах двигателя, увеличить эффективную мощность дизеля, сократить расход минерального дизельного топлива за счет его замещения активатором, снизить дымность отработавших газов.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» на 2006-2010 гг. по теме № 29 «Энергоресурсосбережение при эксплуатации автотракторной техники» (Раздел II «Улучшение параметров рабочего цикла и эксплуатационных показателей тракторных дизелей обогащением воздушного заряда углеводородным активатором»).
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ - улучшение эксплуатационных показателей тракторов обогащением воздушного заряда дизеля на впуске.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ - процесс работы сельскохозяйственного трактора с обогащением воздушного заряда дизеля активаторами с различными теплотворными и физико-химическими свойствами.
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЙ - эксплуатационные показатели трактора МТЗ-82 с обогащением воздушного заряда дизеля минеральным дизельным топливом (ДТ), метиловым эфиром рапсового масла (МЭРМ), смесевым растительно-минеральным топливом (50%МЭРМ +50%ДТ), метанолом и авиационным керосином ТС-1.
НАУЧНУЮ НОВИЗНУ РАБОТЫ представляют:
расчетно-теоретическое обоснование показателей рабочего процесса тракторного дизеля с обогащением воздушного заряда активатором;
оценка «жесткости» работы тракторного дизеля с обогащением воздушного заряда в зависимости от дозы и вида активатора;
впрысковая система для обогащения воздушного заряда тракторного дизеля;
результаты моторных исследований дизеля и эксплуатационных исследований трактора с обогащением воздушного заряда различными активаторами.
Новизна технических решений подтверждена патентом РФ на изобрете-
8 ниє № 2330173 «Устройство для обогащения воздушного заряда» и патентом РФ на полезную модель № 72018 «Система подачи углеводородного активатора в дизель».
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Обогащение воздушного заряда дизеля на впуске исследуемыми активаторами позволяет на тракторе МТЗ-82 сократить на 10 - 20% расход моторного топлива за счет его замещения активатором в том же количестве. При этом обогащение воздушного заряда керосином ТС-1 позволяет повысить эксплуатационную мощность трактора на 8 %, сократить погектарный расход топлива на 7 %, снизить дымность отработавших газов на 12,5 %. При обогащении метанолом дым-ность снижается на 19 %, биотопливом МЭРМ - в 2,2 раза, смесевым топливом - в 2,1 раза при незначительном изменении мощности и погектарного расхода топлива. Возможно также использование в качестве активатора минерального моторного топлива, при этом эксплуатационная мощность возрастает на 4 %, погектарный расход топлива снижается на 3,5 %, дымность отработавших газов — в 2 раза.
ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ подтверждается моторными исследованиями дизеля и эксплуатационными исследованиями трактора в штатной комплектации и оснащенных системой для обогащения воздушного заряда, а также высокой степенью сходимости результатов расчетов показателей рабочего процесса, индикаторных и эффективных показателей дизеля с результатами моторных исследований.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. Опытный образец системы для обогащения воздушного заряда дизеля прошел экспериментальную оценку в лаборатории испытаний автотракторных двигателей ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» и производственную проверку в ООО «Агрофирма Евросервис-Беково» Пензенской области.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты исследований опубликованы в открытой печати и доложены на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2005 - 2008 гг.), ФГОУ ВПО «Нижегородская ГСХА» (2007 г.), ФГОУ ВПО «Вятская ГСХА» (2007 г.), ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ» (2007 г.) и ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА» (2008 г.),
9 XIX и XX межгосударственном постоянно действующем научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова (2006 — 2007 гг.), научно-практической конференции, посвященной 40-летию ФГНУ «Росинформагротех» (г. Москва, 2007 г.).
Опытно-конструкторский вариант системы для обогащения воздушного заряда дизеля активатором экспонировался на VII Всероссийской выставке «НТТМ-2007» (г. Москва - ВВЦ), региональной выставке «Шаг в будущее» (г. Пенза, 2007 г.) и Инвестиционном форуме Пензенской области (2007 г.). По итогам Международного форума по проблемам науки, техники и образования работа отмечена «Золотым Дипломом-2007».
ПУБЛИКАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. По результатам исследований опубликовано 27 научных работ, в т. ч. 1 статья в издании, указанном в «Перечне ... ВАК». Получен 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель. Три статьи опубликованы без соавторов. Общий объем публикаций составляет 5,94 п.л., из них 1,7 п.л. принадлежит автору.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка литературы из 147 наименований и приложения. Работа изложена на 135 с, содержит 31 рис. и 9 табл.
НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:
теоретическое обоснование дозы активатора для обогащения воздушного заряда тракторного дизеля с учетом его теплотворных и физико-химических свойств;
конструктивное исполнение системы для обогащения воздушного заряда тракторного дизеля активатором;
технико-экономические и экологические показатели трактора, оснащенного системой для обогащения воздушного заряда.
Обзор устройств для обогащения воздушного заряда дизеля
Недостатком системы является невозможность управления подачей активатора в дизель в широком диапазоне и регулирования процентного соотношения активатора и топлива в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов его работы.
Известна [61] система для обогащения воздушного заряда дизеля на впуске (рис. 1.5), содержащая устройство для подачи активатора, выполненное в виде карбюратора 4 и дроссельную заслонку 2, установленную в дополнительном канале впускного трубопровода 1 и соединенную с рейкой топливного насоса высокого давления 3. Для раздельного ввода активатора (водновоздушной смеси) и воздуха в цилиндры дизеля тарелка впускного клапана со стороны дополнительного канала содержит ширму 5. Процентное соотношение активатора и топлива изменяется автоматически поворотом дроссельной заслонки карбюратора в зависимости от нагрузочного режима работы двигателя при перемещении рейки ТНВД.
Недостатком системы является невозможность управления подачей активатора в дизель в широком диапазоне и регулирования процентного соотношения активатора и топлива в зависимости от скоростного режима его работы.
Известна [62] система для обогащения воздушного заряда дизеля на впуске (рис. 1.6), содержащая устройство для подачи активатора, выполненное в виде карбюратора 4, две дроссельные заслонки 1, сблокированные с педалью управления топливоподачей 3 и установленные в дополнительном канале впускного трубопровода 2. Процентное соотношение активатора (водо-топливной эмульсии) и топлива зависит от нагрузочного режима работы дизеля, то есть величины разряжения в дополнительном канале впускного трубопровода, изменяемой положением дроссельных заслонок.
Недостатком системы является невозможность управления подачей активатора в дизель в широком диапазоне и регулирования процентного соотношения активатора и топлива в зависимости от скоростного режима его работы.
Известна [63] система для обогащения воздушного заряда дизеля на впуске (рис. 1.7), содержащая устройство для подачи активатора 6 и распылитель 3, размещенный во впускном трубопроводе дизеля 4 и управляемый электромагнитом 2, связанным с источником питания 5. Рейка топливного насоса высокого давления снабжена замыкателем контактов, выполненным в виде магнитного якоря 1.
Включение и отключение системы происходит вручную (при пуске дви 35 гателя) и автоматически замыканием рейкой топливного насоса высокого давления контактов при работе двигателя на режимах больших нагрузок и номинальной частоте вращения коленчатого вала. На режимах холостого хода и частичных нагрузках система не управляет подачей активатора.
Недостатком системы является невозможность управления подачей активатора в дизель в широком диапазоне и регулирования процентного соотношения активатора и топлива в зависимости от скоростного режима его работы и режима частичных нагрузок.
Известна [64] система для обогащения воздушного заряда дизеля на впуске (рис. 1.8), содержащая емкость 1 для активатора, фильтры 2 и 3 грубой и тонкой очистки активатора, насос 4, редукционный клапан 5, испаритель 6, установленный во впускном трубопроводе 7, и нагреватель 8, установленный непосредственно в испарителе. Нагреватель соединен с электронным регулятором 9, который связан с датчиками температуры 10. Датчики измеряют температуру на входе и выходе из испарителя и подают сигнал на электронный регулятор, который в зависимости от сигналов датчиков задает определенную температуру нагревателю, тем самым реагирую на изменение режима работы дизеля. При этом степень нагрева воздушного потока нахо 36 дится в зависимости от скоростного режима дизеля и количества испаренного активатора.
Рисунок 1.8- Система для обогащения воздушного заряда дизеля (наименование позиций в тексте)
Недостатком системы является невозможность управления подачей активатора в дизель в широком диапазоне и регулирования процентного соотношения активатора и топлива в зависимости от скоростного и нагрузочного режима его работы. Кроме того, возникает необходимость отбора мощности для работы нагревателя.
Известна [4] система для обогащения воздушного заряда дизеля на впуске (рис. 1.9), содержащая электромагнитную форсунку 1, размещенную во впускном трубопроводе 3 дизеля и сообщенную соединительным трубопроводом с электрическим насосом 2, датчики 9 и 10 частоты вращения коленчатого вала и положения рейки ТНВД, электронный блок управления 5, электрически соединенный с источником 8 питания через датчики 6 и 7 температуры охлаждающей жидкости и допустимого снижения напряжения бортовой сети. Включение и отключение электронного блока управления осуществляется по сигналам датчиков температуры охлаждающей жидкости и допустимого снижения напряжения бортовой сети. Количество подаваемого активатора зависит от продолжительности открытия иглы 4 электромагнитной
Уточненная методика расчета показателей рабочего процесса дизеля при обогащении воздушного заряда активатором
При обогащении воздушного заряда важной задачей является выбор рационального соотношения основного топлива и активатора, при котором достигаются наилучшие технико-экономические и экологические показатели без существенного увеличения «жесткости» работы дизеля, т.е. определение такой дозы активатора, при которой скорость нарастания давления газов в цилиндре не выходит за пределы оптимальных значений. Существенное увеличение жесткости работы дизеля может привести к резкому возрастанию механической нагруженности дизеля и повышенному износу деталей цилиндро-поршневой группы. Поэтому оптимальная доза активатора для обогащения воздушного заряда требует теоретического обоснования.
Жесткость работы дизеля характеризуется такими величинами, как максимальная и средняя скорости нарастания давления газов в цилиндре. Для дизеля Д-240 данные величины не должны превышать нормативных значений соответственно 1,5-2,0 и 0,4-0,6 МПа/град. п.к.в [80].
Известно, что в дизеле процесс сгорания подразделяется на 4 основных фазы (периода): период задержки воспламенения (ПЗВ), быстрого горения, основного горения и догорания [66].
Длительность первого периода оценивается углом п.к.в. от начала поступления топлива в камеру сгорания до момента отрыва линии сгорания от линии сжатия. Рабочее тело представляет собой смесь, состоящую из впрыскиваемого в цилиндр дизельного топлива, остаточных отработавших газов и свежего заряда (воздуха, обогащенного активатором). Дозы топлива и активатора, испарившиеся за ПЗВ, будут определять характер протекания процесса сгорания во втором периоде.
Длительность второго периода оценивается углом п.к.в. от момента воспламенения до момента достижения максимального давления Pz. В данном периоде начинается образование продуктов сгорания значительной части заряда: воздуха, активатора, дизельного топлива, впрыснутого в первом периоде и части топлива, впрыскиваемого во втором периоде. Давление и температура быстро повышаются. Этому периоду соответствуют наибольшие значения скорости топливоподачи, скорости тепловыделения и, как следствие, скорости нарастания давления газов. Обогащение воздушного заряда активатором способствует увеличению скорости сгорания и тепловыделения, что уменьшает продолжительность второго периода и увеличивает жесткость процесса сгорания.
Максимальная и средняя скорости нарастания давления газов определяются по формулам [5, 81, 82, 83]: ґ 6-n-io-3 р7-рг f. - юо 2/3 z Ас dp 1-Х, Л/К7-Р Фі I Цч МПа/ градп.к.в., (2.44) dq . МПа/градп.к.в. ;(2.43) max АР Pz-Pc V"4V Аф ф2 где Кт - фактор, характеризующий свойства топлива и активатора (характеристический фактор); р — аддитивная плотность топлива и активатора, г/см3; фі - период задержки воспламенения (ПЗВ), град, п.к.в.; і — относительная степень испарения топлива и активатора за ПЗВ; т1=т1/хвпр - отношение продолжительности ПЗВ к продолжительности впрыскивания; ЦЧ - аддитивное цетановое число топлива и активатора; ф2 — период быстрого горения, град, п.к.в. Характеристический фактор - величина, зависящая от плотности и испаряемости топлива (активатора) — определяется по выражению [5,81,82,83] 1,216-з/Т Кт= , (2.45) Р где Т50 — температура 50 % отгона топлива (активатора).
В работах [84, 85] отмечается, что для суммарного расхода топлива и активатора плотность, характеристический фактор и цетановое число могут быть определены по принципу аддитивности, т.е. P = prvi + p2-v2; (2.46) Кт = КТ1 vt + КТ2 У2; (2.47) ЦЧ = ЦЧі V! + ЦЧ2 v2 ± АЦЧ, (2.48) где pi , pi - относительная плотность соответственно топлива и активатора; V] , v2 - объемные доли топлива и активатора в суммарном расходе топлива; К п , КТ2 - характеристический фактор топлива и активатора; ЦЧі , ЦЧ2 - цетановое число топлива и активатора, АЦЧ - поправка.
Поправка АЦЧ учитывает неравенство скоростей физических и химических реакций при окислении и воспламенении топлива и активатора ввиду различия их оценочных показателей испаряемости. При использовании высокоцетановых активаторов (минеральное ДТ, керосин, биотопливо) поправкой АЦЧ можно пренебречь. При использовании низкоцетановых активаторов (спирты, бензины), данную поправку необходимо учитывать. При использовании в качестве активатора бензина АЦЧ принимается со знаком «+», при использовании спиртов - со знаком «—» [84]: АЦЧ = [Щ100 v2) - 1 ] п ЦЧі . (2.49) Относительная степень испарения і определяется как отношение i = mi = «bsLM!b«. (250) 8ц ёцЦ+ёцА где mvj — общая масса топлива (тУІД) и активатора (ГПУІА), испарившихся за ПЗВ, кг; gu - суммарная цикловая подача топлива (g ) и активатора (guA), кг. При работе дизеля без обогащения воздушного заряда степень испарения топлива т. (2.51) 1УІД 1 = 1д = ёцД
В работах [82, 86] отмечается, что степень испарения ід с достаточной точностью может быть принята равной ід = 0,55, т.е. тущ = O g . Чтобы определить массу mvlA , примем допущение [5], что к моменту воспламенения весь активатор, поданный во впускной трубопровод на такте впуска, испаряется полностью, т.е. mviA = g .
Система одноточечного обогащения воздушного заряда с устройством для ультразвуковой обработки активатора
Использование в качестве активаторов биотоплива и смесевого минерально-растительного топлива затруднено тем, что данные активаторы отличаются утяжеленным фракционным составом и сложными молекулами углеводородов, что затрудняет их мелкое распыливание во впускном трубопроводе и однородное перемешивание с воздухом.
С целью улучшения физико-химических свойств (плотности, вязкости, сжимаемости, испаряемости и др.) данных активаторов путем разрыва сложных межмолекулярных связей разработан конструктивный вариант системы одноточечного обогащения воздушного заряда (рис. 3.6) с излучателем 11 ультразвуковых колебаний частотой 20-100 кГц.
Излучатель ультразвуковых колебаний устанавливается в системе одноточечного обогащения воздушного заряда на соединительном трубопроводе в непосредственной близости от электромагнитной форсунки 3 и электрически соединяется с источником питания 6.
Система одноточечного обогащения воздушного заряда с излучателем ультразвуковых колебаний работает следующим образом.
После пуска и прогрева дизеля до температуры 50 + 5 С при напряжении 9 — 14 В по сигналам датчиков 9 и 10 температуры охлаждающей жидкости и допустимого снижения напряжения происходит автоматическое подключение ЭБУ 5 к источнику питания 10 и включение электрического насоса 2, который подает активатор к форсункам 3.
Работа электронного блока управления аналогична работе ЭБУ системы распределенного обогащения воздушного заряда.
В зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы дизеля информативные сигналы от датчика 7 частоты вращения к.в., датчика 8 перемещения рейки ТНВД поступают в ЭБУ, который формирует командный импульсный сигнал (высокого или низкого уровня напряжения) и посылает его в цепь электромагнитной форсунки. При подаче напряжения низкого уровня с электронного блока управления в цепь электромагнитной форсунки обмотка ее обесточится, игла перекроет канал форсунки и подача активатора прекратится. При подаче напряжения высокого уровня в обмотку форсунки игла откроет канал форсунки и подача активатора возобновится.
При движении активатора по соединительному трубопроводу ультразвуковые колебания, формируемые в излучателе 11, способствуют ослаблению сложных углеводородных молекулярных связей активатора, что приводит к интенсификации процессов смесеобразования и сгорания и, как следствие, к улучшению параметров рабочего цикла, индикаторных, эффективных и экологических показателей дизеля.
Система одноточечного обогащения воздушного заряда с устройством для ультразвуковой обработки активатора защищена патентом РФ на полезную модель № 72018 [89] (Приложение 3.3).
1. Для обогащения воздушного заряда тракторного дизеля активатором разработан ряд конструктивных вариантов системы для обогащения воздушного заряда, основными элементами которой являются фильтр, электрический насос, электромагнитная форсунка и электронный блок управления. Электронный блок системы, содержащий генератор прямоугольных импульсов с регуляторами частоты и продолжительности, коммутатор, включатель системы и индикатор, позволяет формировать необходимые параметры управляющих импульсов электромагнитной форсунки для подачи требуемого количества активатора. 2. Для улучшения равномерности распределения активатора по цилиндрам дизеля разработана система с распределенного обогащения воздушного заряда, в которой в котором число электромагнитных форсунок увеличено до числа цилиндров дизеля и размещены они во впускном трубопроводе напротив впускных клапанов газораспределения с возможностию подачи активатора на их поверхность, а электронный блок формирует командный сигнал в зависимости от нагрузочного и скоростного режимов работы дизеля. При этом исходные сигналы в блок управления поступают с различных датчиков: частоты вращения коленчатого вала, перемещения рейки топливного насоса высокого давления, температуры охлаждающей жидкости и допустимого снижения напряжения бортовой сети трактора, а подача активатора осуществляется по сигналам датчика согласования фаз газораспределения на поверхность впускного клапана того цилиндра дизеля, в котором происходит такт впуска.
3. Для улучшения физико-химических свойств активаторов с утяжеленным фракционным составом разработан конструктивный вариант системы одноточечного обогащения воздушного заряда, в котором в непосредственной близости от электромагнитной форсунки установлен излучатель ультразвуковых колебаний частотой 20-100 кГц.
Методика моторных исследований тракторного дизеля при обогащении воздушного заряда активатором
Моторные исследования предусматривали определение эффективных и экологических показателей дизеля в условиях регуляторнои характеристики с частотами вращения коленчатого вала от 1400 мин"1 (режим максимального крутящего момента) до 2200 мин"1 (режим номинальной мощности) с интервалом 200 мин"1 и в условиях характеристики холостого хода с частотами вращения коленчатого вала от 800 мин"1 (минимально-устойчивая частота вращения) до 2330 мин"1 (максимальная частота вращения).
Экспериментальные исследования на различных нагрузочных и скоростных режимах проводились путем сравнения показателей работы дизеля в штатной комплектации (без обогащения) и оснащенного системой для обогащения воздушного заряда (с подачей активатора в количестве 10, 20 и 30 % от нормативной подачи топлива), при этом цикловая подача ТНВД занижалась на величину, соответствующую количеству подаваемого активатора.
В качестве активаторов использовались минеральное дизельное топливо Л-0,2-62 (ДТ), биотопливо метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ), смесевое минерально-растительное топливо 50%МЭРМ+50%ДТ, авиационный керосин ТС-1 и метанол.
Коэффициент избытка воздуха определялся как отношение действительного количества воздуха (GBfl) к теоретически необходимому (GnT) для полного сгорания моторного топлива и активатора а = GBJ GBT (4.5)
Действительный расход воздуха определялся по выражению Gw=360af-9-V2 H-pB,Kr/4, (4.6) где f — площадь проходного сечения сопла, м , ф - коэффициент расхода воздуха че-рез сопло; g - ускорение свободного падения, м/с ; Н — перепад давлений в сопле, Па; рв - плотность воздуха, кг/м3. Плотность воздуха рв = (р-273-Во) / (760- Т0), кг/м3, (4.7) где р - плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м , (р = 1,293 кг/м ); В0 - барометрическое давление окружающего воздуха, МПа; Т0 - температура окружающего воздуха, К (Т0 = to + 273). Теоретический расход воздуха определялся по выражению: G«T= -G -К, -Ю-2 + G -К -Ю-2, кг, (4.8) од тд 1 оа та 2 где G-гд , GTa - часовой расход моторного топлива и активатора, кг/ч; Кь К2 — процентное содержание дизельного топлива и активатора в суммарном расходе топлива, %.
Для анализа рабочего процесса дизеля в соответствии с ГОСТ 18509-88 [106] на установившихся режимах работы с обогащением воздушного заряда различными активаторами снимались развернутые индикаторные диаграммы [107].
Статическая тарировка каналов регистрации давления газов в цилиндре производилась на приборе с образцовым манометром сквозным методом, т.е. находилась взаимосвязь между точными значениями параметров, измеренных образцовым манометром и соответствующими им ординатами диаграммы давления, отображаемой на дисплее компьютера. Тарировочные характеристики требуемых параметров снимались до и после исследований.
Динамическая тарировка канала регистрации давления газов в цилиндре осуществлялась методом прокрутки дизеля на динамометрической машине KS-56/4 с отображением на дисплее и записью на жесткий диск компьютера сигнала давления газов в цилиндре двигателя и отметок ВМТ на в интервале от максимальной до минимально устойчивой частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу. Сравнение величин давления сжатия, полученных при статической и динамической тарировках на постоянной частоте вращения, позволили определить ошибку измерения давлений.
При записи индикаторных диаграмм на установившихся режимах работы дизеля требуемая длина кадра устанавливалась такой, чтобы обеспечить запись 3...4-Х индикаторных диаграмм. Одновременно производилась непрерывная запись и других исследуемых параметров.
Отклонения показателей рабочего процесса дизеля при работе с подачей активаторов определялись по отношению к их значениям при работе на товарном дизельном топливе с неизменными регулировочными параметрами основных механизмов и систем.
Скоростные режимы работы дизеля из диапазона от номинальной частоты вращения (пен= 2200МИН"1) до частоты вращения, соответствующей максимальному крутящему моменту (п = ИООмин"1) задавались вручную, путем установки рычага РЧВ в требуемое положение.
Перед измерениями параметров и регистрацией электрических сигналов в условиях стабильного протекания рабочего процесса в цилиндре двигатель на заданном режиме работал не менее 5 мин [108].
Результаты измерений заносились в протокол журнала испытаний в трехкратной повторности на данном режиме работы дизеля.
Обработка развернутых индикаторных диаграмм производилась по методике ЦНИДИ [109] с расчетом основных показателей рабочего процесса дизеля по уточненной методике.
За оценочные показатели рабочего процесса дизеля были приняты: максимальное давление цикла (Pz), среднее индикаторное давление (Pi), средняя (АР/Аф)ср и максимальная (dP/d(p)max скорости нарастания давления газов, индикаторная мощность (Nj), индикаторный КПД (г);), удельный индикаторный расход топлива ().
