Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

Уханов Денис Александрович

УЛУЧШЕНИЕ  ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ  ПОКАЗАТЕЛЕЙ  АВТОТРАКТОРНОЙ  ТЕХНИКИ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ  РАБОТЫ  ДВИГАТЕЛЕЙ 

НА  ХОЛОСТОМ  ХОДУ

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического

  обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Саратов - 2009

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Саратовский аграрный университет им. Н.И. Вавилова

Научный консультант	доктор технических наук, профессор Загородских Борис Павлович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Цыпцын Валерий Иванович
	доктор технических наук, профессор Сенин Петр Васильевич
	доктор технических наук, доцент Истомин Сергей Викторович
Ведущая организация	ГОУ ВПО Саратовский государственный технический университет

Защита состоится 24 апреля 2009 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60,  ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл. 1, ученому секретарю диссертационного совета.

       Автореферат разослан л___________________2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Н.П. Волосевич

Общая характеристика работы

Актуальность темы. При остановках и стоянках автотракторной техники (тракторов, комбайнов, автомобилей и др.) с невыключенным двигателем последний работает на малых оборотах типового самостоятельного режима холостого хода (РХХ), который из-за пониженных цикловых подач топлива и некачественного смесеобразования характеризуется ухудшенным протеканием рабочего процесса в цилиндрах. Внешними признаками этого безнагрузочного режима являются нестабильная (неустойчивая) работа двигателя, непроизводительный расход топлива, повышенное содержание вредных веществ в отработавших газах и интенсивное нагаро- и смолоотложение на деталях и впускном тракте.

Хронометраж времени и замер расхода топлива у различной автотракторной техники при выполнении ими производственных функций показывают, что на типовом самостоятельном РХХ двигатели автомобилей работают 15-30%, с.-х. тракторов 4-29% и зерноуборочных комбайнов 5-16% фонда рабочего времени, сжигая при этом впустую (не производя полезной работы) соответственно 7-15%, 6-12% и 5-17% суммарного расхода топлива. В зимних условиях эксплуатации, и особенно в условиях Северных широт, время работы двигателей на РХХ еще более возрастает. Все это приводит к существенным потерям топлива и перерасходу денежных средств.

Таким образом, на самостоятельном РХХ двигатель расходует топливо, но при этом автотракторная техника полезную работу не выполняет. Однако этот режим объективно присущ поршневым ДВС, поэтому улучшить показатели самого двигателя и эксплуатационные показатели автотракторной техники можно только за счет принципиально новых подходов к реализации режима холостого хода.

В связи с этим исследования, направленные на улучшение эксплуатационных показателей автотракторной техники путем совершенствования работы двигателей на холостом ходу являются актуальными и практически значимыми для экономики страны и аграрного производства в частности.

Работа выполнена в соответствии с программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006 - 2010 г.г., по плану НИОКР Пензенского центра Поволжского отделения ООО Российская академия транспорта, ФГОУ ВПО Саратовский аграрный университет им. Н.И. Вавилова и ФГОУ ВПО Пензенская государственная сельскохозяйственная академия при техническом содействии ОАО Тракторная компания Волгоградский тракторный завод, ГУП Терновкаагросервис г.Пенза, ООО Евросервис-Беково Пензенской области и Министерства сельского хозяйства Самарской области.

Цель исследований - улучшение эксплуатационных показателей автотракторной техники путем совершенствования работы двигателей на холостом ходу за счет управляющих воздействий на орган топливоподачи, обеспечивающих периодически повторяющиеся такты отключения и такты включения подачи топлива.

Объект исследования Ц процесс работы тракторных, комбайновых и автомобильных двигателей в типовом и экспериментальном режимах самостоятельного холостого хода.

Предмет исследований - технико-экономические показатели двигателей на холостом ходу (дизели 4Ч 11/12,5 (Д-240), 4ЧН 13/14 (Д-440), 6ЧН 12/14 (СМД-31А), 8Ч 13/14 (ЯМЗ-238М2), бензиновые карбюраторные двигатели 4Ч 9,2/9,2  (УМЗ-414, ЗМЗ-402) и 4Ч 7,6/8 (ВАЗ-2103), бензиновый впрысковый двигатель 4Ч 8,2/7,1  (ВАЗ-2111)) и эксплуатационные показатели автотракторной техники (тракторы МТЗ-80 и ДТ-75М, з/у комбайн ДОН-1500, автомобили МАЗ-53366, ГАЗ-33021, ВАЗ-21061 и ВАЗ-2112).

Научную новизну работы представляют:

0. способ работы двигателей автотракторной техники на режиме самостоятельного холостого хода;
1. математическая модель управления работой двигателя в экспериментальном режиме холостого хода;
2. расчетно-теоретическое обоснование параметров управляющих воздействий и показателей рабочего процесса двигателей в экспериментальном режиме холостого хода;
3. критерии выбора нижнего значения интервала изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя в цикле экспериментального режима холостого хода;
4. системы автоматического управления тракторными, комбайновыми и автомобильными двигателями в экспериментальном режиме холостого хода;
5. эксплуатационные показатели автотракторной техники с учетом работы двигателей на экспериментальном режиме холостого хода.

Новизна способа работы двигателей автотракторной техники на холостом ходу и устройств для его осуществления подтверждена патентами РФ на изобретения (№ 2170914, № 2204730, № 2296236, № 2302542).

Практическая значимость работы. Системы автоматического управления, реализующие разработанный способ (экспериментальный режим), позволяют существенно повысить эффективность работы автотракторной техники и улучшить технико-экономические и экологические показатели тракторных, комбайновых и автомобильных двигателей на холостом ходу.

При работе дизеля Д-240 трактора МТЗ-80 на экспериментальном режиме холостого хода (400 мин-1) часовой расход топлива снижается в 2,2 раза, общая загрязненность поверхности поршней - 1,9 раза, содержание продуктов износа в моторном масле на 10,4%, интенсивность закоксовывания распылителей форсунок - 4,6%, содержание в отработавших газах оксида углерода, углеводородов и оксидов азота - 20Е50% по отношению к типовому режиму (800 мин-1). При этом погектарный и производительный расход топлива трактора, работающего с использованием экспериментального РХХ, уменьшился соответственно на 0,3 кг/га и 0,25 кг/мото-ч.

У дизеля СМД-31А зерноуборочного комбайна ДОН-1500 на эксплуатационных режимах с использованием экспериментального РХХ (600 мин-1) суммарный расход топлива снижается в 1,09 раза, расход топлива на единицу выполненной работы комбайном на 0,01 кг/ц и 0,5 кг/га по сравнению с работой дизеля с использованием типового РХХ (800 мин-1). При этом на экспериментальном РХХ концентрация в отработавших газах оксида углерода и углеводородов снижается в 1,2-1,4 раза по отношению к работе дизеля на типовом РХХ.

При работе дизеля ЯМЗ-238М2 автомобиля МАЗ-53366 на экспериментальном РХХ (600 мин-1) часовой расход топлива снижается в 1,3 раза, содержание оксида углерода в отработавших газах на 14% по отношению к типовому РХХ (600  мин-1). При этом путевой и транспортный расходы топлива с использованием типового РХХ составили соответственно 39,37 л/100 км и 4,54 л/100, а с использованием экспериментального РХХ - 38,96 л/100 км и 4,49 л/100.

У двигателя ЗМЗ-402 автомобиля ГАЗ-33021, карбюратор которого оснащен электропневматическим клапаном ЭПХХ, при работе на экспериментальном РХХ (800 мин-1) часовой расход топлива снижается на 8Е22% (в зависимости от типа системы зажигания) по сравнению с работой двигателя на типовом РХХ (800 мин-1).

У двигателя ВАЗ-2103 автомобиля ВАЗ-21061, карбюратор которого оснащен электромагнитным клапаном ЭПХХ, часовой расход топлива на экспериментальном РХХ (850 мин-1) снижается на 4Е10% (в зависимости от типа системы зажигания) по сравнению с типовым РХХ (850 мин-1).

Достоверность результатов работы подтверждается сравнительными исследованиями дизельных и бензиновых двигателей в стендовых и эксплуатационных условиях с использованием тензотермометрической и осциллографической аппаратуры, контрольно-измерительных приборов и разработанных средств для воспроизведения экспериментального режима холостого хода на различной автотракторной технике. В работе применялись основные положения теории поршневых ДВС и эксплуатации машинно-тракторного парка, теории автоматизации быстропротекающих процессов с обработкой опытных данных на ПЭВМ.

Реализация исследований. Разработанный способ работы двигателей на режиме самостоятельного холостого хода и устройства для его осуществления (системы автоматического управления) внедрены в ОАО Тракторная компания Волгоградский тракторный завод и в агропредприятиях Пензенской и Самарской областей.

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты доложены и одобрены на постоянно-действующих международных семинарах по проблемам эксплуатации ДВС и улучшению их показателей Санкт-Петербургского ГАУ (2000, 2002 и 2003г.г.) и Саратовского ГАУ (2002, 2006, 2007, 2008г.г.), научно-технических конференциях Пензенской ГСХА (2001-2007г.г.), Самарской ГСХА (2001, 2002, 2005, 2008г.г.) и Чебоксарского института (филиала) МГОУ  (2005г.), международных научно-технических конференциях Мордовского государственного университета (2002г.), Пензенского государственного университета (2000, 2001г.г.), Пензенской ГАСА (2000, 2002г.г.), Приволжского Дома знаний (2000г.), научно-практических конференциях вузов Поволжья и Предуралья (2004, 2005г.г.), Всероссийских НПК Ульяновской ГСХА (2008г.) и Московского ГАУ (2008г.).

Системы автоматического управления работой двигателей автотракторной техники на экспериментальном РХХ экспонировались на V, VI и VII Всероссийской выставке НТТМ-2005, НТТМ-2006 и НТТМ-2007 (г. Москва - ВВЦ), IV Ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов Приволжского Федерального округа (г. Саранск, 2006г.), VII Московском международном салоне инноваций и инвестиций (ВВЦ, 2007г.), I Инновационном форуме Пензенской области (2007г.), областных и городских выставках г.Пензы (2000-2003, 2007г.г.), где отмечены медалью и дипломами.

Публикации результатов исследований. По результатам исследований опубликовано 67 печатных работ, в т. ч. 13 статей в изданиях, указанных в Перечне Е ВАК, получено 4 патента РФ, в т.ч. 2 патента на способ и устройство. Общий объем публикаций составляет 25,9 п.л., из них 13,4 п.л. принадлежит соискателю.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 316 наименований  (в т.ч. 9 на иностранных языках) и приложения на 64 страницах. Работа изложена на 386 страницах, содержит 187 рисунков и 39 таблиц.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

6. способ работы двигателей автотракторной техники на режиме самостоятельного холостого хода;
7. математическое описание процесса управления работой двигателей автотракторной техники в экспериментальном режиме холостого хода;
8. расчетно-теоретическое обоснование состава топливовоздушной смеси, показателей рабочего процесса двигателей и эксплуатационных показателей автотракторной техники в экспериментальном режиме холостого хода;
9. параметры управляющих воздействий на орган топливоподачи и конструктивные варианты систем автоматического управления двигателей автотракторной техники в экспериментальном режиме холостого хода;
10. технико-экономические и экологические показатели (индикаторная мощность, удельный индикаторный расход топлива, износ, виброколебания, лаконагарные отложения; часовой, погектарный, путевой и транспортный расходы топлива, расход масла на угар; дымность, содержание в отработавших газах углеводородов, оксидов углерода и азота) двигателей автотракторной техники при их работе на типовом и экспериментальном режимах холостого хода.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика работы, изложены научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе Особенности работы тракторных, комбайновых и автомобильных двигателей на типовом режиме самостоятельного холостого хода рассмотрены особенности работы двигателей на типовом режиме самостоятельного холостого хода, выполнен обзор и анализ существующих способов улучшения работы двигателей на холостом ходу, а также устройств для их осуществления.

Известные способы и устройства не нашли широкого применения на автотракторной технике с.-х. назначения, так как они не улучшают в комплексе основные технико-экономические и экологические показатели двигателя в РХХ и, особенно, на малых частотах вращения коленчатого вала (к.в.).

Проблемная ситуация заключается в том, что на типовом РХХ, в связи с отсутствием внешней нагрузки (момента сопротивления) на коленчатом валу, вся индикаторная работа () от сгораемого топлива расходуется на преодоление механических потерь двигателя, т.е. . Величина работы механических потерь () на пониженных частотах вращения к.в. имеет небольшое значение, поэтому для обеспечения такой же по величине индикаторной работы требуются малые подачи топлива за рабочий цикл двигателя. В свою очередь, из-за малых цикловых подач топлива ухудшаются процессы смесеобразования и сгорания топливовоздушной смеси, что негативным образом сказывается на показателях двигателя и, как следствие, на эксплуатационных показателях автотракторной техники.

Для решения этой проблемы предлагается экспериментальный РХХ, на котором работа двигателя осуществляется периодически повторяющимися циклами, состоящими из тактов включения подачи топлива (тактов разгона) и тактов полного отключения подачи топлива (тактов выбега). Такой режим позволяет перераспределить индикаторную работу по тактам: на такте разгона за счет повышенной цикловой подачи топлива (по сравнению с типовым РХХ) обеспечивается ее прирост на величину работы, затрачиваемой на преодоление сил инерции () подвижных деталей двигателя (), т.е. на накопление кинетической энергии; на такте выбега за счет нулевой цикловой подачи топлива индикаторная работа равна нулю (, ), т.е. кинетическая энергия, накопленная в такте разгона, расходуется на преодоление механических потерь. Следовательно, на такте выбега рабочий процесс в двигателе не осуществляется, однако за это время цилиндры практически полностью очищаются от отработавших газов и они лучше подготовлены к осуществлению рабочего процесса в такте разгона. На такте разгона рабочий процесс двигателя осуществляется с повышенными цикловыми подачами топлива при незначительном присутствии в цилиндрах остаточных газов, что способствует более качественному смесеобразованию и полному сгоранию топливовоздушной смеси.

Таким образом, периодически повторяющиеся такты отключения и такты включения подачи топлива создают условия для совершенствования работы двигателей на холостом ходу и улучшения эксплуатационных показателей автотракторной техники. При этом важной составляющей этой научной проблемы является теоретическое обоснование закономерностей перемещения органа топливоподачи и параметров управляющих воздействий, которые обеспечивают работу двигателя на экспериментальном режиме.

Существенный вклад в разработку способов и устройств для улучшения работы двигателей в РХХ внесли А.В. Николаенко (ЛСХИ-СПбГАУ), В.Д. Дудышев (РЭА), В.М. Архангельский, Б.С. Стечкин (МАДИ-ГТУ), Б.Д. Ефремов (СПбГАУ), N.A. Gershenfeld (General Motors), С.В. Тимохин (ПГСХА) и другие исследователи.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Разработать способ работы двигателей автотракторной техники на режиме самостоятельного холостого хода.
2. Математически описать процесс управления работой двигателей в экспериментальном режиме холостого хода и теоретически обосновать параметры управляющих воздействий на орган топливоподачи двигателей.
3. Разработать критерии выбора нижнего значения интервала изменения частоты вращения коленчатого вала в цикле экспериментального режима холостого хода.
4. Разработать, изготовить и исследовать в лабораторных и эксплуатационных условиях системы автоматического управления тракторными, комбайновыми и автомобильными двигателями в экспериментальном режиме холостого хода.
5. Выполнить моторные исследования дизельных и бензиновых двигателей при работе на типовом и экспериментальном режимах холостого хода по показателям рабочего процесса, топливно-экономическим, экологическим, лаконагарным, износным и вибрационным показателям.
6. Проанализировать и оценить результаты эксплуатационных исследований автотракторной техники с учетом работы двигателей на экспериментальном режиме холостого хода.

7. Экономически обосновать и внедрить в производство результаты теоретических, опытно-конструкторских и экспериментальных исследований.

Во втором разделе лТеоретическое обоснование экспериментального режима самостоятельного холостого хода двигателей автотракторной техники на основе анализа научной информации и литературных источников разработан новый способ работы двигателей на режиме самостоятельного холостого хода, обеспечивающий в комплексе улучшение эксплуатационных показателей автотракторной техники.

Сущность способа заключается в том, что при остановках и стоянках автотракторной техники при отпущенной педали акселератора (или при установке рычага управления подачей топлива в положение минимальной подачи) работа двигателя на экспериментальном режиме осуществляется периодически повторяющимися тактами полного отключения и тактами включения подачи топлива (или топливовоздушной смеси) в области пониженных частот вращения к.в. холостого хода за счет автоматического возвратно-поступательного перемещения органа управления топливоподачей (рейки или дозатора ТНВД, рычага РЧВ, скобы останова двигателя, иглы электромагнитной форсунки, клапана ЭПХХ - экономайзера принудительного холостого хода и т.п.) по определенному закону. При этом подача топлива на такте включения обеспечивается в количестве, требуемом для его полного сгорания на пониженной частоте вращения к.в.

Пониженной частотой вращения к.в. (или УСКВ - угловой скоростью) на холостом ходу является:

а) для дизельных двигателей - средняя частота вращения к.в. () из интервала ее изменения от некоторого верхнего значения в начале такта отключения подачи топлива, т.е. в начале такта выбега (например, 500Е800 мин-1 или 52Е84 с-1, которая характерна для типового РХХ на минимально-устойчивой частоте вращения к.в., задаваемой заводом-изготовителем) до некоторого нижнего значения в начале такта включения подачи топлива, т.е. в начале такта разгона (например, 300 мин-1 или 32с-1, которая несколько превышает пусковую частоту), тогда мин-1 или с-1;

б) для бензиновых двигателей - частота вращения к.в., соответствующая (равная или несколько меньшая) минимально-устойчивой частоте вращения, задаваемой заводом-изготовителем.

По времени такты отключения и такты включения подачи топлива у дизелей более продолжительные (0,3Е1,1 с), чем у бензиновых двигателей (50Е250 мс).

Пониженная частота вращения к.в. на холостом ходу приводит к уменьшению работы (), затрачиваемой на преодоление механических потерь двигателя и, как следствие, к снижению расхода топлива. Объясняется это тем, что работа на определенном скоростном РХХ пропорциональна мощности механических потерь (), а в конечном итоге - УСКВ или частоте вращения к.в. (), что следует из соотношения

,  (1)

где t - время работы, ч; - момент механических потерь ; a, b - коэффициенты уравнения ; - функция от частоты вращения к.в.

Этот способ работы ДВС на пониженных скоростных режимах холостого хода получил название экспериментальный режим самостоятельного холостого хода.

К несомненным преимуществам предлагаемого способа относятся его универсальность по отношению к различным типам двигателей и простота реализации на автотракторной технике с помощью малогабаритных и недорогих устройств - систем автоматического управления (САУ).

В зависимости от типа двигателя и практической реализации предложенного способа на том или ином виде автотракторной техники математическое описание процесса управления работой двигателей в экспериментальном РХХ и теоретическое обоснование параметров управляющих воздействий на орган топливоподачи имеют свои особенности.

дизельный двигатель

На основе динамической модели системы КШМ - маховик (рис. 1) рассмотрены моменты, действующие в дизеле на РХХ. В результате взаимодействия индикаторного момента () и момента механических потерь () образуется их разность (), результирующая которой представляет собой эффективный крутящий момент двигателя (), равный динамическому моменту, т.е. .

Рисунок 1 - Динамическая модель системы кривошипно-шатунный механизм - маховик:

момент инерции поступательно движущихся масс КШМ, приведенный

  к коленчатому валу; моменты инерции вращающихся масс КШМ

  и маховика; индикаторный момент; - момент механических

  потерь; динамический момент

На типовом РХХ дизеля среднее значение угловой скорости коленчатого вала (УСКВ) , а угловое ускорение . В этом случае уравнение равновесия, приложенных к коленчатому валу (к.в.) моментов, выражается уравнением динамики ДВС

  , (2)

тогда . (3) 

Следовательно, на типовом РХХ индикаторный момент двигателя затрачивается на преодоление момента механических потерь, величина которого на пониженных скоростных режимах имеет небольшое значение, в связи с чем цикловая подача топлива также будет иметь малую величину, так как .

На экспериментальном РХХ за счет последовательно чередующихся тактов отключения и включения подачи топлива (тактов выбега и разгона) уравнение динамики ДВС будет описываться выражением

, (4)

откуда . (5)

Следовательно, на экспериментальном РХХ индикаторный момент двигателя затрачивается не только на преодоление момента механических потерь, но и на составляющую , представляющую собой динамический (нагрузочный) момент (), величина и направление которого при постоянном моменте инерции (I) зависит от величины и знака углового ускорения. При этом на тактах разгона обеспечиваются, по сравнению с типовым РХХ, повышенные (более чем вдвое) цикловые подачи топлива и нулевые подачи при выбеге, что обеспечивает соответственно лучшие условия впрыскивания топлива и очистки цилиндров от отработавших газов.

Из уравнения (5) следует, что при повышенных цикловых подачах топлива индикаторный момент превышает момент механических потерь () на величину ()  и в пределах такта разгона появляется обратный динамический момент (), равный по величине эффективному моменту (), т.е.

  .  (6) 

При отключении подачи топлива индикаторный момент отсутствует () и в пределах такта выбега действует прямой динамический момент (), равный по величине и обратный по направлению моменту механических потерь, т.е.

.  (7)

Комплекс последовательных тактов разгона и тактов выбега инерционной системы КШМ - маховик в выбранном интервале УСКВ (от нижнего до верхнего пределов и наоборот от до ) образует цикл экспериментального режима (ЦЭР) холостого хода. Многократное повторение ЦЭР в области пониженных УСКВ обеспечивает работу дизеля на экспериментальном РХХ.

Появление на такте разгона экспериментального РХХ динамического момента, соответствующему нагрузке по среднему эффективному давлению 0,1-0,3 МПа, положительно сказывается на протекании рабочего процесса дизеля.

В результате анализа различных вариантов реализации ЦЭР установлено, что в наибольшей степени для холостого хода применим ЦЭР с постоянным динамическим моментом при разгоне или (рис. 2), что обеспечивается постоянством цикловой подачи топлива на протяжении всего такта разгона. При этом ускорение и время свободного выбега и .

  Рисунок 2 - Теоретический цикл экспериментального режима холостого хода дизеля:

время ЦЭР ( время разгона и выбега),

  h ход рейки ТНВД, угол поворота рычага РЧВ

Изменение динамического момента дизеля в пределах ЦЭР отражается нагрузочной математической моделью

  (8)

Проинтегрировав составляющие выражения (8) по времени получим скоростную математическую модель дизеля в пределах ЦЭР

  (9)

где - нижний и верхний пределы УСКВ, с-1; - среднее ускорение к.в. на такте разгона, с-2; a, b - коэффициенты уравнения ; - время ЦЭР (; - время разгона и выбега), с; t - текущее время, с.

Таким образом, на такте разгона УСКВ возрастает от до по линейному закону, а на такте свободного выбега от до - экспоненциальному (см. рис. 2).

Параметры ЦЭР (угловая скорость и угловое ускорение к.в.) и управляющих воздействий (ход рейки ТНВД и угол поворота рычага РЧВ) можно определить решением системы дифференциальных уравнений собственно дизеля и центробежного регулятора частоты вращения (РЧВ) относительно того или иного искомого параметра при заданных начальных условиях и ограничениях:

  (10)

где Е - восстанавливающая сила РЧВ , Н; С - поддерживающая сила РЧВ , Н; - коэффициент вязкостного трения; - приведенная к муфте РЧВ масса движущихся деталей, г; - угол поворота рычага РЧВ, град; h - перемещение (ход) рейки ТНВД , мм.

При управлении ЦЭР с воздействием на рейку ТНВД линейным (электромаг-нитным) исполнительным механизмом (ИМ), закономерности ее перемещений определяются путем решения системы (10), дополненной силой ИМ, приведенной  к муфте РЧВ ( а также массой подвижных деталей ИМ (), численным методом:

  (11)

В результате решения системы уравнений (10) и (11) находятся искомые зависимости и в интервале изменения УСКВ от до при , которые определяют характер изменения угла поворота рычага РЧВ () и перемещения рейки ТНВД (h) в соответствии с законом теоретического ЦЭР (рис. 2).

Закономерности управляющих воздействий в ЦЭР, определенные решением систем (10) и (11), в общем виде описываются управляющими моделями:

а) с воздействием на рычаг центробежного РЧВ

(12)

б) с воздействием на рейку ТНВД

  (13)

где a, b, с - коэффициенты, постоянные для каждого скоростного режима.

Результаты расчетов параметров управляющих воздействий на такте разгона в ЦЭР применительно к дизелю Д-240 (4Ч 11/12,5) приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Расчетные параметры управляющих воздействий на орган

  топливоподачи тракторного дизеля Д-240 (4Ч 11/12,5)

Параметры управляющих воздействий при разгоне	Ускорение разгона в интервале изменения частоты вращения к.в.
	31,7 с-2 от 300 до 500 мин-1	77,3 с-2 от 600 до 1000 мин-1
, град	- относительное время разгона
	a=7,0 b=3,1 с=0,6	a=9,0 b=3,4 с=0,9
h, мм	6,3	6,1

Таким образом, для осуществления на дизеле экспериментального РХХ необходимо в начальный момент времени на такте включения подачи топлива (на такте разгона) при установить рычаг РЧВ в положение , обеспечивающее выход рейки ТНВД в исходное положение (), а затем повернуть его по закону параболы до достижения угла . При этом рейка ТНВД переместится в положение , а УСКВ повысится до . В конце такта разгона, при достижении угла , необходимо изменить направление поворота рычага РЧВ на противоположное. При этом, вследствие уменьшения восстанавливающей силы (Е), рейка ТНВД переместиться в положение, соответствующее выключенной подачи топлива (такту выбега), а УСКВ понизится с до .

Общий характер перемещения рычага РЧВ (кривая ), рейки ТНВД (кривая h), а также протекания кривых углового ускорения () и УСКВ () в цикле экспериментального режима представлены на рисунке 2. Рассмотренные теоретические законы необходимо учитывать при проектировании и конструировании устройств для воспроизведения экспериментального РХХ на автотракторной технике.

На типовом РХХ из-за ухудшенного процесса смесеобразования при малых цикловых подачах топлива коэффициент избытка воздуха у дизеля Д-240 достигает =5,0...5,7; на экспериментальном РХХ из-за повышенных цикловых подач топлива на такте разгона качество смесеобразования улучшается, что приводит к снижению коэффициента избытка воздуха до 2,0...2,7.

Так как такт разгона дизеля на экспериментальном РХХ осуществляется с постоянной цикловой подачей топлива (рейка ТНВД стоит на лупоре), причем с завышенной по отношению к подаче на типовом РХХ, а в такте выбега подача топлива полностью отключается (цилиндры лучше очищаются от отработавших газов), то в первую очередь это влияет на величину коэффициента избытка воздуха () и коэффициент наполнения цилиндра свежим зарядом (). В конечном итоге все это скажется на показателях рабочего процесса.

В качестве примера был теоретически исследован рабочий процесс безнаддувного дизеля ЯМЗ-238М2 (8Ч 13/14) автомобиля МАЗ-53366 в экспериментальном  и типовом режимах холостого хода (с использованием программы Дизель-РК, переложенной на MahtCAD 2001 RUS). При этом коэффициенты и предварительно рассчитывались по известным формулам с учетом вышеуказанных особенностей работы дизеля на сравниваемых режимах.

Коэффициент избытка воздуха

,  (14)

где , - действительный расход воздуха и топлива, кг/ч; - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кг; - частота вращения к.в. на РХХ, мин-1; z - число цилиндров двигателя; - цикловая подача топлива, г/цикл.

Коэффициент наполнения цилиндра свежим зарядом

, (15)

где - теоретический расход воздуха, кг/ч; - рабочий объем двигателя, л; - плотность воздуха, кг/м3.

Расчеты показывают, что в зависимости от скоростного режима (600-800 мин-1) на типовом РХХ из-за ухудшенного процесса смесеобразования при малых цикловых подачах топлива коэффициент избытка воздуха достигает 4,4-4,8, а коэффициент наполнения 0,70-0,76; на экспериментальном РХХ из-за повышенных цикловых подач и улучшения качества смесеобразования коэффициент избытка воздуха снижается до 1,8-2,1, а коэффициент наполнения возрастает до 0,70-0,80.

Изменение коэффициента и сказывается не только на показателях рабочего процесса дизеля, но и на индикаторных и эффективных показателях, расчет которых производится по общепринятым методикам.

Важным моментом при практическом использовании экспериментального РХХ является оценка уровня виброколебаний дизеля и определение нижнего значения частоты вращения к.в. в начале такта разгона (или в конце такта выбега). В основном у дизеля, установленного на автотракторную технику, наблюдается два вида колебаний: линейные и крутильные.

инейные колебания, вызываемые тактами выбега и разгона на экспериментальном РХХ дизеля, относятся в основном к вынужденным колебаниям, которые возникают в результате воздействия на него периодических возмущающих сил. При этом сопутствующими свободными колебаниями и свободно сопровождающими колебаниями пренебрегают в связи с практически мгновенным их затуханием.

Уравнение мгновенных (вынужденных) колебаний дизеля и его решение имеют вид:  ; (16)

, (17)

где q - отклонение (перемещение) дизеля от центра инерции, 10-3 м; r - собственная частота колебаний дизеля, Гц; h - амплитуда возмущающей силы; р - число полных циклов изменения возмущающей силы за секунд; n - коэффициент сопротивления, отнесенной к единице массы дизеля; t - время, с; - угол сдвига фаз, град.

Из анализа формулы (17) следует, что линейные колебания дизеля при наличии сопротивлений происходят с частотой возмущающей силы; амплитуда вынужденных линейных колебаний от начальных условий и времени не зависит; в вынужденных колебаниях с сопротивлением всегда имеет место сдвиг фазы.

Уравнение крутильных колебаний дизеля и его решение (без связей с внешней средой) имеют вид ;  (18)

  ;  , (19)

где - амплитуда основной гармоники (максимальное значение) опрокидывающего момента, ; - угол поворота дизеля относительно центра момента инерции при отсутствии связей с внешней средой, с-2; - момент  инерции  дизеля, ; - круговая частота возмущения (частота вынужденных колебаний от действия опрокидывающего момента), с-1.

Из формулы (19) следует, что чем меньше амплитуда возмущающего фактора (опрокидывающего момента), выше частота возмущения и больше по массе дизель, тем меньше амплитуда колебаний.

Действительная амплитуда колебаний при резонансе, когда силы инерции уравновешивают силу упругости подвески дизеля, а возмущающему воздействию противостоит только сила трения подвески, зависит от того, насколько быстро проходит дизель через резонанс, т.е. от темпа нарастания или убывания угловой скорости к.в.

Зная частоту собственных () и вынужденных () колебаний, можно определить частоту вращения к.в. двигателя (), при которой наступает резонанс:

  ,  отсюда , (20)

где р - порядок основной гармоники опрокидывающего момента двигателя (для четырехтактных двигателей с равномерным чередованием рабочих ходов , z - число цилиндров двигателя).

Следовательно, резонансная частота собственных и вынужденных колебаний дизеля может являться одним из критериев при выборе нижнего значения () интервала изменения частоты вращения к.в. (Е) при осуществлении экспериментального РХХ.

Исследования показывают, что для комбайнового дизеля СМД-31А (6ЧН 13/14) характерны две преобладающие частоты собственных  колебаний:  f1 = 3,5 Е4 Гц,  f2  = 13,5Е14,5 Гц. Тогда максимальная резонансная частота  вращения к.в. дизеля будет равна мин-1. Таким образом, для экспериментального РХХ допустимое значение частоты вращения к.в. в начале такта разгона (или в конце такта выбега) должно превышать 290 мин-1.

карбюраторный бензиновый двигатель

(карбюратор оснащен электропневматическим клапаном ЭПХХ)

На малых оборотах типового РХХ ухудшается распыливание и испарение топлива в карбюраторе вследствие небольших скоростей воздушного потока в диффузоре и каналах системы холостого хода. Кроме того, с прикрытием дроссельной заслонки в цилиндрах увеличивается количество продуктов сгорания, которые остаются после предшествующего рабочего цикла. Для устойчивой работы двигателя на РХХ карбюратор, обычно, регулируют на обогащенный состав смеси с коэффициентом избытка воздуха от 0,6Е0,86 (для старых моделей карбюраторов типа К-126) до 0,82Е0,96 (для новых моделей карбюраторов типа К-151). Однако, это способствует увеличению эксплуатационного расхода топлива и концентрации вредных веществ в отработавших газах. Поэтому мероприятия по совершенствованию работы карбюраторных двигателей на РХХ должны быть направлены на улучшение процесса смесеобразования в карбюраторе и на изменение состава топливовоздушной смеси (ТВС) в сторону ее обеднения.

Достичь этого можно путем перевода работы двигателя на режим периодически повторяющихся кратковременных циклов, состоящих из тактов отключения и тактов включения подачи ТВС через выходной канал системы холостого хода (СХХ) карбюратора. В свою очередь, циклы осуществляются за счет закрытия и открытия канала СХХ штатным электропневматическим клапаном карбюратора при его возвратно-поступательном перемещении по определенному закону (рис.3), зависящему от временных параметров управляющих импульсов (длительности и паузы). Совершая насосные ходы клапан обеспечивает динамическую пульсацию и повышенную скорость потока ТВС в каналах СХХ карбюратора. При этом изменяется соотношение между расходом воздуха и топлива через соответствующие жиклеры и каналы СХХ, а динамическая пульсация потока смеси способствует более качественному смесеобразованию. Кроме того, в карбюраторе, за счет задроссельного смешивания ТВС с воздухом, поступающим через атмосферный штуцер клапана в момент начала открытия выходного канала СХХ, происходит дополнительное обеднение смеси.

Рисунок 3 - Характеристика перемещения клапана системы холостого хода

  карбюратора в цикле экспериментального режима

Закономерности перемещения клапана в зависимости от времени подачи импульса управления в ЦЭР карбюраторного ДВС описываются системой уравнений:

. (21)

где - перемещение клапана в i-период времени, мм; - максимальное перемещение клапана, мм; - время подачи импульса, мс; - время, в течение которого клапан открыт (время импульса), мс; - время задержки импульса, мс; - время до полного открытия, мс; - время обратного движения клапана, мс; - время, в течение которого клапан закрыт (время паузы между импульсами), мс; О - угол наклона ветви при открытии клапана, град; З - угол наклона ветви при закрытии клапана, град.

Таким образом, перемещая клапан по определенному закону, система холостого хода карбюратора может приготовить такой состав ТВС, который обеспечит наиболее экономичное протекание рабочего процесса двигателя на РХХ.

Как известно, состав ТВС оценивается коэффициентом избытка воздуха , предварительный расчет которого выполняют с учетом расхода воздуха и топлива через соответствующие жиклеры и каналы СХХ конкретного карбюратора. Применительно к карбюратору К-151, оснащенному электропневматическим клапаном, коэффициент α  на типовом РХХ определяется по формуле

.  (22)

Так как на экспериментальном РХХ изменяется состав ТВС в сторону ее обеднения, то формула для расчета коэффициента α  примет вид

.  (23)

В формулах (22) и (23) , - массовый расход воздуха и топлива соответственно через воздушные и топливные жиклеры, а также каналы СХХ карбюратора, кг/с; - теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива, кг;  , - разрежение в воздушном жиклере и атмосферном штуцере, Па; , - разрежение соответственно в топливном жиклёре и в эмульсионной трубке, Па; , - плотность соответственно воздуха и топлива, кг/м3; , - коэффициенты расхода соответственно воздушного жиклера и атмосферного штуцера; , , , , , - диаметры соответственно воздушного жиклера, атмосферного штуцера, эмульсионного (воздушного) жиклера, эмульсионного канала, топливного жиклера и выходного канала СХХ, м; - поправочный безразмерный коэффициент (), учитывающий длительность и паузу управляющего импульса (электрического сигнала, управляющего электропневматическим клапаном карбюратора) в зависимости от угла опережения зажигания (5,5град.≤≤12,5град.) и температур топлива в поплавковой камере карбюратора (5С≤≤25С), воздуха на впуске (-20С≤≤20С), охлаждающей жидкости (50С≤≤90С).

Результаты последующих моторных исследований двигателя ЗМЗ-402 на РХХ подтвердили гипотезу о том, что за счет импульсного управления клапаном карбюратора возможно изменить состав ТВС в сторону ее обеднения: если на типовом РХХ коэффициент α = 0,82Е0,96, то на экспериментальном РХХ α = 0,82Е1,1.

С учетом вышеизложенного основные показатели рабочего процесса карбюраторного двигателя в экспериментальном РХХ будут скорректированы по коэффициенту α  следующим образом.

Количество теплоты, потерянное вследствие неполноты сгорания топлива

,  кДж/кг. (24)

Теплота сгорания рабочей смеси

,  кДж/кг. (25)

Индикаторный КПД

. (26)

Удельный индикаторный расход топлива

  , (27)

где - низшая теплота сгорания бензина, кДж/кг; - количество воздуха в молях, поступающего в двигатель для сгорания 1 кг топлива; - коэффициент остаточных газов; - среднее индикаторное давление, МПа.

Определение эксплуатационных показателей автотракторной техники

Одним из показателей, характеризующим топливную экономичность двигателя является часовой расход топлива, который в свою очередь, оказывают существенное влияние на эксплуатационные показатели автотракторной техники:

а) производительный расход топлива тракторного агрегата

  , кг/мото-ч (28)

б) погектарный расход топлива тракторного агрегата

, кг/га  (29)

в) погектарный расход топлива зерноуборочного комбайна

, кг/га (30)

г) путевой расход топлива грузового автомобиля

, л/100 км (31)

д) транспортный расход топлива грузового автомобиля

  , (32)

е) относительный расход масла на угар

  , %,  (33)

где Q - суммарный эксплуатационный расход топлива, кг (л); W - наработка (мото-ч) или величина транспортной работы (); - расход топлива за смену, кг; - сменная производительность, га; - часовой расход топлива дизеля на i-ом режиме (под нагрузкой, на разворотах, режиме холостого хода и перегрузок), кг/ч; - время работы дизеля на i-ом режиме, ч; - часовая производительность, га/ч; - время работы тракторного агрегата или комбайна за смену, ч; S, - путь, пройденный автомобилем без груза и с грузом, км; , - норма расхода топлива соответственно на пробег автомобиля в снаряженном состоянии без груза и на транспортную работу, л/100 км и л/100; - грузоподъемность автомобиля, т; D - поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации; - число рабочих дней; - коэффициент использования грузоподъемности; - коэффициент использования пробега за ездку; - изменение массы масла в двигателе за время угарного цикла, кг; - суммарный расход топлива за время угарного цикла, кг.

В третьем разделе лСистемы автоматического управления работой тракторных, комбайновых и автомобильных двигателей на экспериментальном режиме самостоятельного холостого хода для практической реализации предлагаемого способа улучшения эксплуатационных показателей автотракторной техники при работе двигателей на холостом ходу разработаны, изготовлены и исследованы конструктивные варианты систем автоматического управления (САУ) применительно к различным типам двигателей автотракторной техники (см. рис. 4):

• тракторным, комбайновым и автомобильным дизелям;
• автомобильным карбюраторным и впрысковым двигателям.

Основными частями САУ являются электронный блок управления и исполнительный механизм, электрически соединенные между собой. Блок управления подключается к бортовой сети электрооборудования того или иного вида автотракторной техники (трактор, комбайн, автомобиль и др.). В качестве исполнительного механизма у дизелей служит электромагнит (соленоид), сердечник которого кинематически соединен с органом управления топливоподачей (рейкой или дозатором ТНВД, рычагом центробежного РЧВ, скобой останова двигателя). У бензиновых двигателей функции исполнительного механизма выполняют штатные электромагнитные устройства (электромагнитные или электропневматические клапаны ЭПХХ карбюратора, электромагнитные форсунки и регулятор холостого хода).

У дизелей, в зависимости от командных сигналов, формируемых на выходе блока управления, исполнительный механизм перемещает орган управления топливоподачей в сторону отключения и последующего включения подачи топлива, создавая последовательно чередующие относительно продолжительные такты выбега и разгона в области пониженных частот вращения к.в. от некоторого верхнего предела (например, мин-1) до нижнего предела (например, мин-1). При этом средняя частота вращения к.в. за цикл экспериментального РХХ составит мин-1.

а) САУ тракторного дизеля	б) САУ комбайнового дизеля
в) САУ автомобильного дизеля	г) САУ  карбюраторного двигателя с электромагнитным клапаном
д) САУ карбюраторного двигателя с электропневматическим клапаном	е) САУ впрыскового двигателя

Рисунок 4 - Системы автоматического управления двигателями автотракторной техники на экспериментальном РХХ: 1 - электронный блок управления;

2 - электромагнитный исполнительный механизм (соленоид или

клапан); 3 - тахометр; 4 - штекер; 5 - разъемы

Отличительной особенностью САУ дизеля Д-440, оснащенного антидымным пневматическим корректором, является электромагнитный исполнительный механизм, якорь которого перемещаясь в предварительно просверленном осевом отверстии штока диафрагмы корректора воздействует на вильчатый рычаг РЧВ в сторону отключения и включения подачи топлива. При пуске дизеля антидымный корректор сохраняет свои прямые функции.

У бензиновых карбюраторных двигателей по командным сигналам блока управления периодически повторяющиеся такты отключения и включения подачи  топлива (или ТВС) осуществляются перекрытием и открытием электромагнитным (или электропневматическим) клапаном ЭПХХ топливного жиклера (или выходного канала) системы холостого хода карбюратора. При этом подача топлива (или ТВС) в цилиндры двигателя осуществляется через кратковременные интервалы дозированными порциями.

У бензиновых впрысковых двигателей за счет обмена информации между блоком управления САУ и штатным контроллером двигателя происходит перенастройка (перепрограммирование) последнего на более обедненный состав ТВС, необходимый для работы двигателя на пониженной частоте вращения к.в. экспериментального РХХ.

В четвертом разделе лПрограмма и методика экспериментальных исследований излагаются общая программа и частные методики исследований с описанием объектов и аппаратуры для исследований.

Программа исследований включала: контрольные испытания агрегатов дизельной топливной аппаратуры, карбюраторов и агрегатов электрооборудования на соответствие их параметров технического состояния требованиям соответствующих госстандартов и технических условий; эксплуатационные наблюдения за работой автотракторной техники для определения фактического времени работы двигателей на самостоятельном РХХ; безмоторные исследования дизельной топливной аппаратуры для оценки влияния хода рейки (дозатора) ТНВД на цикловую подачу топлива и параметры процесса впрыскивания (давление топлива перед форсункой, объемная скорость впрыскивания и скорость нарастания давления); абораторные исследования карбюраторов по определению пропускной способности топливного жиклера (или выходного канала) карбюратора, перекрываемого электромагнитным (или электропневматическим) клапаном ЭПХХ в зависимости от параметров управляющих импульсных сигналов, а также агрегатов системы зажигания и генератора переменного тока; моторные исследования дизельного и карбюраторного двигателей для определения минимальной частоты вращения к.в. на экспериментальном РХХ; моторные исследования дизельных и бензиновых двигателей для оценки их работы на типовом и экспериментальном РХХ по показателям рабочего процесса и параметрам впрыскивания топлива, индикаторным и эффективным показателям, износным и лаконагарным показателям, по показателям безопасности (виброколебания) и экологичности; эксплуатационные исследования тракторов, комбайнов и автомобилей с учетом работы двигателей как на типовом РХХ, так и экспериментальном РХХ, по экономическим, экологическим, вибрационным, износным и лаконагарным показателям.

При проведении экспериментальных исследований использован принцип сопоставления оценочных показателей работы на типовом и экспериментальном РХХ на основе анализа различных характеристик дизельных и карбюраторных двигателей и снятых осциллограмм рабочего процесса.

Хронометраж рабочего времени проводился в условиях городской и сельской езды автомобилей (ГАЗ-33021, ГАЗ-32213, ГАЗ-3307, УАЗ-3741) при выполнении ими производственных функций, а также в процессе уборки урожая зерноуборочными комбайнами ДОН-1500 и СК-5М НИВА.

Пропускная способность топливного жиклера и выходного канала системы холостого хода (СХХ) карбюратора, перекрываемого электромагнитным (электропневматическим) клапаном ЭПХХ в зависимости от параметров управляющих импульсов САУ (длительности и паузы), поступающих в обмотку клапана, измерялась прибором К-2 с выводом информации на ПЭВМ через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) LA-2USB.

Моторные исследования двигателей Д-240 и УМЗ-414 проводились в стендовых условиях на динамометрической машине КИ-5543 и KS-56/4 со штатными контрольно-измерительными приборами (весовое устройство тормоза, измерители температуры, манометр, тахометр) и скомплектованным измерительно-регистрирующим комплексом, включающим в себя датчики температуры топлива и воздуха, пьезокварцевый и тензометрический датчик давления газов DW-150 и ДАВ-078-18, датчик давления топлива конструкции ЦНИТА, индуктивный датчик частоты вращения коленчатого вала (к.в.), фотодатчик ВМТ, осциллографы  Н-117/1 и С1-99, усилители ТОПАЗ-3-02 и 8АНЧ-7М, диагностические приборы ЭМДП и ИМД-ЦМ, мультиметр, газоанализатор-дымомер (АВТОТЕСТ СО-СН-Д), газоанализаторы ГИАМ-27.01, ГИАМ-27.02, ГИАМ-27.04, АЦП LA-2USB и ПЭВМ.

В процессе экспериментов измерялись и регистрировались следующие параметры: давление цилиндровых газов, частота вращения к.в., концентрация вредных веществ в отработавших газах, расход топлива и воздуха, температура охлаждающей жидкости, моторного масла, окружающего воздуха, топлива в поплавковой камере карбюратора, воздуха на впуске в карбюратор, износ деталей кривошипно-шатунного механизма (КШМ) двигателя, расход масла на угар. Замер расхода топлива и воздуха производился соответственно с помощью расходомера топлива и диафрагменного газового счётчика. Износ определялся после определенной наработки двигателя УМЗ-414 в стендовых условиях и дизелей Д-240, СМД-31А в составе машины на типовом и экспериментальном РХХ при минимально-устойчивой частоте вращения к.в. соответственно 800Е650 мин-1 и 600Е400 мин-1 путем микрометража и взвешивания деталей, а также по наличию в пробах моторного масла продуктов износа. Замеры износа основных деталей КШМ производились микрометрами МК 75-100 мм, МК 50-75 мм и нутромером индикаторным НИ-100М. Для определения износа поршневых колец и подшипников скольжения по их массе использовались весы AND GR 200. Анализ проб моторного масла проводился в аккредитованных лабораториях ООО Пенза-Терминал, ГУП Терновкаагросервис (г.Пенза) и НИИАР (г.Димитровград).

Экспериментальный режим самостоятельного холостого хода на всех типах двигателей осуществлялся с помощью разработанных САУ.

Моторные исследования двигателей Д-240, СМД-31А, ЯМЗ-238М2, ЗМЗ-402 и ВАЗ-2103 проводились непосредственно на тракторе МТЗ-80, комбайне ДОН-1500 и автомобилях МАЗ-53366, ГАЗ-33021, ВАЗ-21061 с использованием приборов для замеров расхода топлива, виброколебаний, экологических показателей и приспособлений для оценки лаконагарных отложений. На тракторе ДТ-75М и автомобиле ВАЗ-2112 выполнялись исследования, связанные только с проверкой работоспособности САУ и замером расхода топлива при работе двигателей Д-440 и ВАЗ-2111 на типовом и экспериментальном режимах холостого хода. Двигатели автомобилей ГАЗ-33021 и ВАЗ-21061 оснащались  контактной и бесконтактной системами зажигания.

Нижнее значение частоты вращения к.в. в конце такта выбега экспериментального РХХ определялось по величине наведенной ЭДС в сопряжениях двигателя и по резонансной частоте виброколебаний. ЭДС замерялась с помощью миллимикровольтамперметра и ртутного токосъемного датчика, подсоединенного к коленчатому валу. Осциллограммы виброколебаний снимались с помощью виброкомплекта К001 (осциллограф НО41УЧ2, регулятор увеличения Р001 и вибродатчики И001Г).

Сравнительные эксплуатационные исследования проводились на тракторе МТЗ-80, комбайне ДОН-1500, автомобилях МАЗ-53366, ГАЗ-33021 и ВАЗ-21061.

Контроль за наработкой тракторов и комбайнов осуществлялся по мотосчетчику и по заборной карте текущего и суммарного расходов топлива, одновременно велся учет выполненных работ. У автомобиля контролировался текущий и суммарный расходы топлива, пробег и величина транспортной работы.

За эксплуатационные показатели автотракторной техники приняты: производительный, погектарный, путевой и транспортный расходы топлива, а также относительный расход масла на угар. 

Обработка экспериментальных данных производилась на ПЭВМ с использованием программ Microsoft Excel, MahtCAD 2001 RUS, Mahtcad 14, Дизель-РК и др.

В пятом разделе лРезультаты экспериментальных исследований приводятся результаты и анализ безмоторных, моторных и эксплуатационных исследований.

Экспериментальные исследования проводились на двигателях: трактора  МТЗ-80, комбайна ДОН-1500 и автомобилях МАЗ-53366, ГАЗ-33021 и ВАЗ-21061.

а) дизель Д-240 (4Ч 11/12,5)

По результатам безмоторных исследований насоса УТН-5А, отрегулированного на показатели дизеля Д-240, установлено, что с уменьшением хода рейки и частоты вращения кулачкового вала () средняя цикловая подача топлива ()  и другие параметры топливоподачи снижаются. Наиболее интенсивное их снижение в зависимости от происходит при фиксированном положении рейки, когда обеспечивается менее 50% от номинальной подачи (). Так, например, при ходе рейки, обеспечивающей и частоте вращения мин-1 давление топлива перед форсункой понижается по отношению к номинальной подаче с 26,5 до 14,6 МПа, объемная скорость впрыскивания с 5,6 до 0,76 мм3/град, а скорость нарастания давления топлива с 2,3 до 1,5 МПа/град. Поэтому для получения наилучших параметров процесса впрыскивания топлива (при прочих равных условиях) на каждом скоростном режиме холостого хода необходимо, чтобы при фиксированном положении рейки цикловая подача соответствовала величине более 50% от номинальной подачи. Это является основополагающим моментом для практической реализации экспериментального РХХ, т.к. такт разгона происходит при .

По результатам моторных исследований дизеля Д-240 при его работе на типовом и экспериментальном РХХ сняты индикаторные диаграммы и построены характеристики холостого хода, показывающие изменение среднего индикаторного давления (), индикаторной мощности (), удельного индикаторного расхода топлива () и индикаторного КПД ()  в зависимости от частоты вращения к.в. (n). При этом установлено, что на малых оборотах типового РХХ дизель работает в области, близкой к максимальным значениям . Например, на минимальной частоте вращения к.в. (мин-1) типового режима расход топлива (рис. 5), на экспериментальном режиме при мин-1 расход топлива составил .

По результатам эксплуатационных исследований трактора МТЗ-80 при работе дизеля Д-240 на типовом и экспериментальном РХХ построены характеристики холостого хода, показывающие изменение часового расхода топлива () и содержание оксида углерода в отработавших газах (СО) в функции от частоты вращения к.в.

а) среднее индикаторное давление б) удельный индикаторный расход топлива

-х- экспериментальный РХХ; -а- типовой РХХ

Рисунок 5 - Изменение индикаторных показателей дизеля Д-240 на холостом ходу

При одинаковой частоте вращения к.в. мин-1 часовой расход топлива составил: на типовом РХХ - 1,56 кг/ч, на экспериментальном РХХ - 1,17*1 кг/ч; при уменьшении частоты вращения на экспериментальном РХХ до 400 мин-1 расход топлива уменьшился до 0,71 кг/ч (рис. 6). Следовательно, за счет создания экспериментального режима уменьшение частоты вращения к.в. с 800 до 400 мин-1 приводит к снижению расхода топлива более чем в два раза по сравнению с типовым режимом при 800 мин-1. Снижение расхода топлива в единицу времени при одинаковой частоте вращения к.в. объясняется тем, что в экспериментальном РХХ на такте разгона обеспечивается наиболее экономичное протекание рабочего процесса, т.к. цикловая подача топлива в 2,4...3,0 раза больше, чем на типовом РХХ, а такт выбега, как более продолжительный чем такт разгона, осуществляется при полном отключении подачи топлива. Вследствие более высокой на экспериментальном РХХ (при мин-1) давление топлива перед форсункой () и угол опережения впрыскивания () составили соответственно 22,6 МПа и 23,5 град п.к.в., а на типовом РХХ (при мин-1) = 17,5 МПа и =29,5 град. п.к.в.. Уменьшение и увеличение приводит к ухудшению распыливания и смесеобразования, снижению эффективности рабочего процесса и увеличению выбросов продуктов неполного сгорания.

За счет улучшения качества смесеобразования и более полного сгорания рабочей смеси выбросы оксида углерода СО при работе дизеля на экспериментальном РХХ снижаются на 20Е50% (рис. 6).

Массовый и относительный расходы моторного масла на угар составили соответственно: на типовом РХХ - 800г и 1,07% (при мин-1); на экспериментальном РХХ - 300г и 0,8% (при мин-1). Больший расход масла на угар на типовом РХХ объясняется более повышенной частотой вращения к.в., некоторым утолщением масляной пленки на зеркале гильзы цилиндров и возрастанием инерционных сил, действующих на валик масла перед верхним компрессионным кольцом при ходе поршня к ВМТ.

а) часовой расход топлива б) содержание оксида углерода

-х- экспериментальный РХХ; -а- типовой РХХ

Рисунок 6 - Изменение показателей дизеля Д-240 на холостом ходу

По результатам 48*2-часовых износных испытаний дизеля Д-240 непосредственно на тракторе МТЗ-80 при его работе на сравниваемых режимах холостого хода установлено, что суммарный прирост концентрации продуктов износа (Fe, Si, Al, Cu, Cr) в пробах моторного масла составил: на типовом РХХ (примин-1) - 4,33г/т, на экспериментальном РХХ (примин-1) - 3,92 г/т.

При этом балльная оценка лаконагарных отложений на поверхностях деталей ЦПГ, характеризующая общую загрязненность, например, поршня составила: на типовом РХХ - 11,28 баллов, на экспериментальном РХХ - 5,96.

Результаты сравнительных исследований тракторного дизеля по показателям топливной экономичности, экологичности, износа и нагароотложений свидетельствуют, что минимальной частотой вращения к.в. на экспериментальном РХХ является величина, равная 400 мин-1 (из интервала 500 мин-1, 300 мин-1).

Замер наведенной суммарной ЭДС показал, что допустимое значение частоты вращения к.в. в начале такта разгона (в конце такта выбега) должно превышать 250 мин-1, так при меньших оборотах ЭДС близка к нулю, что косвенно свидетельствует о критической толщине масляной пленки в сопряжениях дизеля.

Результаты исследований тракторов МТЗ-80 в условиях эксплуатации показывают, что эффективное проходное сечение распылителей форсунок, производительный и погектарный расходы топлива у тракторов штатного и экспериментального (оснащенного САУ) исполнений составили соответственно: 0,197 и 0,207 мм2; 5,50 и 5,25 кг/мото-ч; 20,2 и 19,9 кг/га.

б) дизель СМД-31А (6 ЧН 12/14)

Для рассмотрения вопросов, связанных с использованием экспериментального РХХ, были проведены исследования дизеля СМД-31А в составе зерноуборочного комбайна ДОН-1500 по показателям вибрации, топливной экономичности, экологичности, износа и расхода масла на угар.

На такте выбега экспериментального РХХ при снижении частоты вращения к.в. до 300 мин-1 наблюдается резонансная кривая, которая вызывается совпадением частот собственных колебаний с частотой возмущающей силы. Однако длительность нахождения дизеля в резонансе составляет всего 0,0025Е0,003 с.

Результаты анализа осциллограмм виброколебаний показали, что на типовом РХХ (800 мин-1) виброскорость составляет 0,33 мм/с, уровень виброскорости  79 дБ, максимальная амплитуда 0,4 мм, на экспериментальном РХХ (800 мин-1) виброскорость составляет 1,1 мм/с, уровень виброскорости 82 дБ, максимальная амплитуда 0,9 мм (рис. 7). Однако характер воздействия колебаний комбайнового дизеля на оператора оценивается как слабо ощутимый, т.к. виброскорость и уровень виброскорости на экспериментальном РХХ не превышают нормативных значений  (4 мм/с и 119дБ).

Из анализа полученных данных также следует, что при одинаковой частоте вращения к.в. (800 мин-1) часовой расход топлива составил: на типовом РХХ - 3,64 кг/ч, на экспериментальном РХХ - 3,48 кг/ч; при уменьшении частоты вращения к.в. на экспериментальном РХХ до 600 мин-1 расход топлива уменьшился до 2,44 кг/ч (рис. 8). Следовательно, уменьшение частоты вращения к.в. на холостом ходу с 800 до 600 мин-1, за счет создания экспериментального режима, приводит к снижению расхода топлива в 1,49 раза.

.
а) типовой РХХ	б) экспериментальный РХХ

Рисунок 7 - Осциллограммы виброколебаний дизеля СМД-31А на холостом ходу

-х- экспериментальный РХХ; -а- типовой РХХ

Рисунок 8 - Изменение часового расхода топлива дизеля СМД-31А на холостом ходу

Дымность отработавших газов при работе дизеля на типовом и экспериментальном РХХ составила соответственно 9 % и  10,2 %, при этом на выхлопе наблюдается белый дым.

Результаты сравнительных моторных исследований комбайнового дизеля по показателям, оценивающих уровень вибрации, топливную экономичность и  содержание вредных веществ в отработавших газах свидетельствуют, что минимальной частотой вращения к.в. на экспериментальном РХХ является величина, равная 600 мин-1 (из интервала 800 мин-1, 400 мин-1).

Износные исследования проводились по количественному и качественному содержанию продуктов износа в моторном масле после 50*3-часовой работы дизеля на типовом (800 мин-1) и экспериментальном РХХ (600 мин-1). Одновременно определяли массовый и относительный расходы моторного масла на угар.

Количественное содержание примесей определялось методом взвешивания примесей после промывки и фильтрации проб масла. Массовая доля примесей составила на типовом режиме 0,497 %, на экспериментальном - 0,163 %.

Качественный анализ примесей в пробах масла проводился методом рентгенофлуоресцентной спектрометрии. Обнаружение линий элементов проводится путем нахождения длин волн пиков спектра и поиска найденных значений в базе данных рентгеновских линий. Интенсивность линий (площадь пика (имп/с)мА) в пробах масла составила: на типовом режиме - железа (Fe) 1604 имп/с, цинка (Zn) 230122 имп/с, на экспериментальном - железа (Fe) 1122,5 имп/с, цинка (Zn) 200687 имп/с.

Массовый и относительный расходы масла на угар составили соответственно: на типовом РХХ - 1,5 кг и 5 %, на экспериментальном РХХ - 1 кг и 3,5 %. Содержание вредных веществ в отработавших газах составило: на типовом РХХ оксида углерода (СО) 0,09 % и углеводородов (СН) 0,13 %; на экспериментальном РХХ соответственно СО - 0,077 % и СН - 0,079 %.

По результатам исследований комбайна ДОН-1500 в производственных условиях расход топлива на единицу выполненных работ комбайна экспериментального исполнения составил 0,994 кг/ц, погектарный расход топлива 27,5 кг/га, что соответственно на 0,01 кг/ц и 0,5 кг/га меньше, чем у комбайна штатного исполнения, работающего с использованием типового РХХ.

в) дизель ЯМЗ-238М2 (8Ч 13/14)

На экспериментальном РХХ по сравнению с типовым РХХ при одинаковой частоте вращения к.в. (600 мин-1) происходит улучшение процессов впрыскивания, смесеобразования и сгорания топлива.

При этом на экспериментальном РХХ, за счет повышенной цикловой подачи топлива, увеличивается давление впрыскивания топлива и скорость истечения топлива через распыливающие отверстия форсунки, что, как показывают расчеты, приводит к уменьшению диаметра крупных капель (с 57 мкм до 46 мкм), периода задержки воспламенения (с 10,2 град п.к.в. до 7,6 град п.к.в.) и продолжительности сгорания топлива (с 62,4 град п.к.в. до 58,3 град п.к.в.).

В результате расчета показателей рабочего цикла дизеля ЯМЗ-238М2 установлено, что на малых частотах вращения к.в. типового РХХ дизель работает в области, близкой к максимальным значениям . Например, на минимальной частоте вращения к.в. 600 мин-1 типового РХХ расход 320 г/кВтч, в то время как на экспериментальном режиме 248 г/кВтч.

За счет увеличения цикловой подачи топлива на экспериментальном РХХ (600 мин-1) происходит возрастание индикаторного давления до 0,35 МПа и мощности до 26 кВт, в то время как на той же частоте вращения типового РХХ эти показатели равны 0,13 МПа, 9,8 кВт. При этом индикаторный КПД возрастает на 6% по сравнению с аналогичным скоростным режимом типового РХХ. Снижение и увеличение наблюдается на всех частотах вращения к.в. экспериментального РХХ по сравнению с типовым РХХ.

Из анализа данных, полученных в результате эксплуатационных исследований дизеля ЯМЗ-238М2 в составе автомобиля МАЗ-53366 следует, что при одинаковой частоте вращения к.в. 600 мин-1 часовой расход топлива составил: на типовом РХХ - 3,17 кг/ч (рис. 9), на экспериментальном РХХ - 2,16 кг/ч. Снижение расхода топлива объясняется тем, что на такте разгона экспериментального РХХ обеспечивается лучшее протекание рабочего процесса, т.к. цикловая подача топлива в 2,3 раза больше, чем на типовом РХХ, а на такте выбега .

В результате обработки развернутых индикаторных диаграмм дизеля при 600 мин-1 установлено, что максимальное давление цикла () на экспериментальном РХХ по сравнению с типовым РХХ повысилось с 4,1МПа до 5,3МПа, индикаторная мощность увеличилась с 11,5 кВт до 28 кВт. При этом индикаторный удельный расход топлива снизился с 315 г/кВтч до 237 г/кВтч, а индикаторный КПД повысился с 0,25 до 0,27. Расхождение результатов экспериментальных исследований по определению показателей рабочего процесса дизеля с расчетно-теоретическими исследованиями составило не более 13%.

За счет улучшения качества смесеобразования на экспериментальном РХХ выбросы оксида углерода СО и углеводородов СН снижаются на 10...30% по сравнению с типовым РХХ при одинаковых средних частотах вращения к.в. (рис. 10).

Дымность отработавших газов на типовом и экспериментальном РХХ при частоте вращения к.в. 600 мин-1 составила 7,4% и 8,7%, а при 800 мин-1 соответственно 9,3% и 10,3%, при этом наблюдается белый дым (нормативное значение дымности равно 15 %). Рост дымности отработавших газов на экспериментальном РХХ по сравнению с типовым РХХ объясняется появлением нагрузки (0,22Е0,28 МПа).

Рисунок 9 ЦИзменение показателей дизеля ЯМЗ-238М2 на холостом ходу

Рисунок 10 - Содержание оксида углерода и углеводородов в отработавших газах

дизеля ЯМЗ-238М2 на холостом ходу

Результаты сравнительных моторных исследований автомобильного дизеля по показателям, оценивающих рабочий процесс, топливную экономичность и содержание вредных веществ в отработавших газах свидетельствуют, что минимальной частотой вращения к.в. на экспериментальном РХХ является величина, равная  600 мин-1 (из интервала 750 мин-1, 350 мин-1).

Из анализа данных, полученных в результате исследований автомобиля  МАЗ-53366 в условиях эксплуатации, следует, что путевой и транспортный расходы топлива с использованием типового РХХ составили соответственно 39,37 л/100 км и 4,54 л/100, экспериментального РХХ - 38,96 л/100 км и 4,49 л/100.

Таким образом, результаты оценки эксплуатационных показателей дизельной автотракторной техники свидетельствуют о преимуществах (за исключением дымнос-ти) экспериментального РХХ по сравнению с типовым РХХ. Однако, как показывают эксперименты, если на ТНВД установить ограничитель хода рейки и не будет заброса рейки на такте разгона экспериментального РХХ, то дымность будет соответствовать значениям типового РХХ.

г) бензиновые двигатели УМЗ-414 и ЗМЗ-402 (4Ч 9,2/9,2) с карбюратором К-151

Перед началом исследований была выполнена перерегулировка карбюратора К-151 на показатели двигателя УМЗ-414 путем установки жиклеров с различной пропускной способностью.

Результаты лабораторных исследований показывают на возможность изменения пропускной способности выходного канала СХХ карбюратора, перекрываемого электропневматическим клапаном ЭПХХ, с 20,86 см3/мин (длительность управляющего импульса 10 мс и пауза между импульсами 400 мс) до 55,3 см3/мин (длительность 400 мс и пауза 10 мс) путем изменения параметров управляющих импульсов.

Для обеспечения наиболее экономичной работы двигателя УМЗ-414 на минимальной частоте вращения к.в. 550 мин-1 экспериментального РХХ были выбраны параметры управляющих импульсов с длительностью 150 мс и паузой 100 мс.

Результаты микрометража деталей двигателя УМЗ-414 показали, что по сравнению с типовым режимом на экспериментальном РХХ среднесуммарный износ гильз цилиндров уменьшается на 15%, коренных и шатунных шеек к.в. соответственно на 18% и 10%, поршней на 20%, поршневых колец на 38%, коренных вкладышей на 25%, шатунных вкладышей на 48% (рис. 11). Снижение среднесуммарного износа двигателя УМЗ-414 на экспериментальном РХХ можно объяснить пониженной частотой вращения к.в. (550 мин-1) и уменьшением числа ходов поршней по сравнению с типовым режимом на минимальной частоте вращения (800 мин-1). На экспериментальном РХХ, за счет более точного дозирования топливовоздушной смеси с помощью САУ, двигатель работает стабильнее и устойчивее (отклонение по частоте вращения к.в. не превышает 15 мин-1).

Работа двигателя УМЗ-414 в течение 100*4 часов на экспериментальном РХХ (n = 550 мин-1) позволяет также по сравнению с типовым РХХ (n = 800 мин-1) существенно уменьшить массу нагароотложений на деталях: на днище поршня - 35%, свечах зажиганияЦ 31% (рис. 12). Пропускная способность главных топливных и воздушных жиклеров карбюратора повышается соответственно на 5%, 4%, 2%, 6%, 1%, 2% (рис. 13), что свидетельствует об уменьшении лаковых отложений на жиклерах при работе двигателя в экспериментальном РХХ.

а)  б)

  в) г)

ТРХХ - типовой РХХ;  ЭРХХ - экспериментальный РХХ

Рисунок 11 - Среднесуммарный износ деталей двигателя УМЗ-414

на типовом и экспериментальном режимах холостого хода:

  а) цилиндры; б) поршни; в) шатунные шейки; г) коренные шейки

 

  а)  б)

Рисунок 12 - Масса нагароотложений на деталях двигателя УМЗ-414:

а) днище поршня; б) электроды свечей зажигания

а) главные топливные жиклеры б) главные воздушные жиклеры

Рисунок 13 - Пропускная способность жиклеров (см3/мин): а) главные топливные

жиклеры 1 и 2 камеры; б) главные воздушные жиклеры 1 и 2 камеры

Качественный анализ моторного масла М-8-В1 показал, что основные параметры (вязкость, температура вспышки в закрытом тигле, щелочное число, зольность) при работе двигателя УМЗ-414 на экспериментальном РХХХ изменяются незначительно и остаются в пределах нормы.

В зависимости от частоты вращения к.в. двигателя УМЗ-414 на экспериментальном РХХ концентрация оксида углерода в отработавших газах снижается на 82% (550 мин-1) и 75% (800 мин-1) по сравнению с аналогичными скоростными режимами типового РХХ.

У двигателя ЗМЗ-402 в составе автомобиля ГАЗ-33021 с контактной системой зажигания при одинаковой частоте вращения к.в. происходит снижение часового расхода топлива на экспериментальном РХХ в среднем на 8%; у двигателя с бесконтактной системой зажигания - на 22% по сравнению с типовым РХХ (рис. 14).

а) контактная система зажигания

б) бесконтактная система зажигания

ТРХХ - типовой РХХ;  ЭРХХ - экспериментальный РХХ

Рисунок 14 - Изменение часового расхода топлива двигателя ЗМЗ-402 на холостом ходу

Эксплуатационные исследования разработанной САУ на автомобиле ГАЗ-33021 показали на практическую возможность снижения у двигателя минимальной частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу до 550  мин-1 и уменьшение путевого расхода топлива на 1,1%.

д) бензиновый двигатель ВАЗ-2103 с карбюратором ДААЗ-2107

Результаты лабораторных исследований показывают на возможность изменения пропускной способности топливного жиклера СХХ карбюратора ДААЗ-2107, перекрываемого электромагнитным клапаном ЭПХХ, с 16,7 см3/мин (длительность управляющего импульса 7 мс и пауза между импульсами 325 мс) до 57 см3/мин (длительность 700 мс и пауза 25 мс) путем изменения параметров управляющих импульсов.

Для стабильной работы двигателя ВАЗ-2103 (оснащенного бесконтактной системой зажигания) в составе автомобиля ВАЗ-21061 на минимальной частоте вращения к.в. 650 мин-1 экспериментального РХХ были выбраны параметры управляющих импульсов с длительностью 200 мс и паузой 100 мс, обеспечивающие наименьший расход топлива и лучшие экологические показатели. На экспериментальном РХХ, по сравнению с типовым РХХ, часовой расход топлива и содержание оксида углерода снижаются соответственно на 14 % и 18 % при работе двигателя на одинаковой частоте вращения к.в. 650 мин-1 (рис. 15).

а) часовой расход топлива

б) содержание оксида углерода

Ч♦Ч типовой режим холостого хода  ЧЧ экспериментальный режим холостого хода

Рисунок 15 - Изменение показателей двигателя ВАЗ-2103 на холостом ходу

 

В шестом разделе лЭкономическая эффективность от внедрения системы автоматического управления работой двигателей автотракторной техники в  экспериментальном режиме самостоятельного холостого хода выполнен расчет годового экономического эффекта от использования САУ для воспроизведения экспериментального РХХ на различной автотракторной технике, который составляет 3459-19142 рублей на одну транспортную единицу (трактор, комбайн, автомобиль), получаемый за счет снижения затрат на топливо (без учета снижения вредных веществ в отработавших газах, нагароотложений и износа двигателя) при сроке окупаемости дополнительных затрат около года.

Общие выводы

1. Для улучшения эксплуатационных показателей автотракторной техники (тракторов, комбайнов и автомобилей) разработан и запатентован новый способ работы двигателей на режиме самостоятельного холостого хода, заключающийся в создании периодически повторяющихся тактов отключения и тактов включения подачи топлива (или топливовоздушной смеси) в цилиндры двигателя в области пониженных частот вращения к.в. с помощью системы автоматического управления, обеспечивающей возвратно-поступательное перемещение органа управления топливоподачей по определенному закону.

2. Математически описан процесс управления работой дизельного и карбюраторного двигателей в экспериментальном режиме самостоятельного холостого хода и теоретически обоснованы параметры управляющих воздействий на орган топливоподачи (на рейку или дозатор ТНВД, рычаг РЧВ, электромагнитный или электропневматический клапаны ЭПХХ карбюратора).

Рассмотрены особенности расчета состава топливовоздушной смеси и показателей рабочего процесса дизельного и карбюраторного двигателей на пониженных частотах вращения к.в. экспериментального режима самостоятельного холостого хода.

3. В зависимости от типа двигателя и вида автотракторной техники нижнее значение интервала изменения частоты вращения к.в. в экспериментальном режиме самостоятельного холостого хода по выбранным критериям находится в пределах 35050 мин-1; минимальной частотой вращения к.в. при работе дизельных и бензиновых двигателей на экспериментальном РХХ является 500100 мин-1.

Указанные частоты вращения к.в. выбирались по критериальным величинам резонансной частоты виброколебаний двигателя и наведенной ЭДС в его сопряжениях, с учетом минимальных значений расхода топлива, износа, нагароотложений и содержания вредных веществ в отработавших газах. 

4. На основе теоретически обоснованных закономерностях управляющих воздействий на орган топливоподачи автотракторной техники разработаны, изготовлены и исследованы в лабораторных и эксплуатационных условиях малогабаритные системы автоматического управления тракторными, комбайновыми и автомобильными дизелями (Д-240, Д-440, СМД-31А, ЯМЗ-238М2), автомобильными карбюраторными и инжекторными двигателями (УМЗ-414, ЗМЗ-402, ВАЗ-2103, ВАЗ-2111), обеспечивающие перевод работы указанных двигателей при остановках и стоянках машин на экспериментальный режим самостоятельного холостого хода.

5. Результаты моторных исследований дизельных и бензиновых двигателей по показателям рабочего процесса, экологическим, износным и вибрационным показателям свидетельствуют о преимуществах экспериментального режима самостоятельного холостого хода по сравнению с работой двигателей на типовом режиме.

Так, например, при работе тракторного дизеля 4Ч 11/12,5 на экспериментальном режиме с частотой вращения к.в. 400 мин-1 в стендовых условиях часовой расход топлива снижается в 2 раза, нагароотложения на днище поршня на 89%, содержание продуктов износа в моторном масле на 10,4%  и содержание вредных веществ в отработавших газах на 20-50% по отношению к типовому режиму с частотой вращения к.в. 800 мин-1.

При работе автомобильного двигателя 4Ч 9,2/9,2 с карбюратором К-151 на экспериментальном режиме с частотой вращения к.в. 550 мин-1 в стендовых условиях часовой расход топлива снижается на 54%, нагароотложения на днище поршня и свечах зажигания соответственно - 35% и 31%, среднесуммарный износ деталей КШМ - 24% и содержание оксида углерода в отработавших газах - 52% по сравнению с работой двигателя на типовом режиме с частотой вращения к.в. 800 мин-1.

6. Результаты исследований автотракторной техники в производственных условиях показывают, что применение разработанных систем автоматического управления, реализующих новый способ работы двигателей в режиме самостоятельного холостого хода, позволяют значительно улучшить их эксплуатационные показатели.

К примеру, исследования трактора МТЗ-80 на эксплуатационных режимах с использованием экспериментального РХХ показали, что производительный и погектарный расходы топлива снижаются соответственно на 0,25 кг/мото-ч и 0,3 кг/га по сравнению с трактором, использующим типовой РХХ.

У зерноуборочного комбайна ДОН-1500 на эксплуатационных режимах с использованием экспериментального РХХ суммарный расход топлива снижается в 1,09 раза, расход топлива на единицу выполненной работы комбайном на 0,01 кг/ц и 0,5 кг/га по сравнению с комбайном, использующим типовой РХХ.

7. Годовой экономический эффект от использования разработанных систем автоматического управления для воспроизведения экспериментального РХХ на различной автотракторной технике составляет от 3459 до 19142 рублей на одну транспортную единицу (трактор, комбайн, автомобиль), получаемый за счет снижения затрат на топливо (без учета снижения вредных веществ в отработавших газах, нагароотложений и износа двигателя) при сроке окупаемости дополнительных затрат около года.

Результаты теоретических, опытно-конструкторских и экспериментальных исследований внедрены в ОАО Тракторная компания Волгоградский тракторный завод и в агропредприятиях Пензенской и Самарской областей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях,  рекомендованных ВАК

1. Уханов, Д. А. Повышение эффективности работы тракторных дизелей на холостом ходу / А. П. Уханов, С. В. Тимохин, Д. А. Уханов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2002. - № 4. - С. 17-20 (0,53/0,23 печ. л.).

2. Уханов, Д. А. Снижение минимально-устойчивой частоты вращения коленчатого вала / А. П. Уханов, С. В. Тимохин, Д. А. Уханов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2002. - № 10. - С. 18-20 (0,56/0,24 печ. л.).

3. Уханов, Д. Собираем пары - экономим бензин / А. Уханов, С. Тимохин, Ю. Гуськов, Д. Уханов // Сельский механизатор. - 2002. - № 12. - С. 10-11 (0,38/0,15 печ. л.).

4. Уханов, Д. Резервы экономии топлива / А. Уханов, С. Тимохин, Д. Уханов // Сельский механизатор. - 2003. - № 1. - С. 10-11 (0,25/0,14 печ. л.).

5. Уханов, Д. А. Экономия топлива при эксплуатации автотракторных средств на холостом ходу / А. П. Уханов, С. В. Тимохин, Д. А. Уханов, А. М. Данилин // Новые промышленные технологии. - 2004. - № 2. - С. 26-27 (0,38/0,18 печ. л.).

6. Уханов, Д. А. Как снизить минимальную устойчивость частоты вращения у тракторных дизелей / А. П. Уханов,  Д. А. Уханов // Достижения науки и техники АПК. - 2004. - №12. - С. 24-25 (0,5/0,25 печ. л.).

7. Уханов, Д. А. Улучшение работы автомобилей с карбюраторными двигателями на холостом ходу / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, М. Ф. Глебов // Новые промышленные технологии. - 2005. - № 2. - С. 37-42 (0,69/0,33 печ. л.).

8. Уханов, Д. А. Устройство для снижения расхода топлива на режиме холостого хода тракторного дизеля / Д. А. Уханов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2008. - № 4. - С. 27-28 (0,38 печ. л.).

9. Уханов, Д. А. Результаты исследований карбюраторного двигателя при работе на безнагрузочных режимах / Д. А. Уханов, М. Ф. Глебов // Нива Поволжья. - 2008. Ц  № 2 (7). - С. 64-69 (0,5/0,35 печ. л.).

10. Уханов, Д. А. Нововведение в совершенствование работы тракторных дизелей на холостом ходу / Б. П. Загородских, Д. А. Уханов // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. - 2008. - № 2. - С. 64-66 (0,5/0,25 печ. л.).

11. Уханов, Д. А. Экспериментальный режим холостого хода комбайновых дизелей: технические решения, теоретический анализ и результаты исследований  / Д. А. Уханов,  Б. П. Загородских // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. - 2008. - № 3. - С. 72-75 (0,63/0,36 печ. л.).

12. Уханов, Д. А. Новая концепция работы двигателей автотракторной техники на безнагрузочных режимах / Д. А. Уханов // Вестник Московского госагроинженерного университета им. В. П. Горячкина. - 2008. - № 2 (27). - С. 100-102 (0,31 печ. л.).

13. Уханов, Д. А. Новый принцип работы бензиновых двигателей на режиме холостого хода / Д. А. Уханов // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. - 2008. - № 4. - С. 66-69 (0,5 печ. л.).

Патенты на изобретения

14. Пат. 2170914 Россия, МПК 7 G 01 М 15/00, F 02 D 41/16, 17/04. Способ снижения эксплуатационного расхода топлива силовой установкой и устройство для его осуществления / С. В. Тимохин, А. П. Уханов, Д. А. Уханов и др. - № 2000100194/06; Заяв. 05.01.2000; Опубл. 20.07.2001, Бюл. № 20 (1,5/0,3 печ. л.).

15. Пат. 2204730 Россия, МПК 7 F 02 D 41/16, 17/04, G 01 М 15/00. Способ управления работой транспортного двигателя внутреннего сгорания на режиме динамического холостого хода и устройство для его осуществления / А. П. Уханов, С. В. Тимохин, Д. А. Уханов, А. С. Тимохин.Ц  №2001112308/06; Заяв. 04.05.2001; Опубл. 20.05.2003, Бюл. №14 (0,44/0,11 печ. л).

16. Пат. 2296236 Россия, МПК F 02 D 41/16, F 02 D 41/22. Система автоматического управления работой дизеля на холостом ходу и в аварийных ситуациях / А. В. Отраднов, А. П. Уханов, Д. А. Уханов, С. Н. Егоров. - № 2005132725/06; Заяв. 24.10.2005; Опубл. 27.03.2007, Бюл. № 9 (0,75/0,19 печ. л.).

17. Пат. 2302542 Россия, МПК F 02 D 41/02, F 02 D 41/10. Система автоматического управления карбюраторным двигателем в режиме холостого хода / А.П. Уханов, Д.А. Уханов, М.Ф. Глебов. - № 2006105176/06; Заяв. 20.02.2006; Опубл. 10.07.2007, Бюл. № 19 (0,94/0,31 печ. л.).

Публикации в центральных изданиях

18. Уханов, Д. А. Экономия топлива при эксплуатации автотранспортных средств на режиме холостого хода / А. В. Николаенко, А. П. Уханов, С. В. Тимохин, Д. А. Уханов // Двигателестроение. - 2001. - № 2. - С. 26-27 (0,56/0,14 печ. л.).

19. Уханов, Д. Управление режимом холостого хода / А. Уханов, Д. Уханов, А. Отраднов // Сельский механизатор. - 2007. - № 9. - С. 48 (0,38/0,18 печ. л.).

20. Уханов, Д. Экономайзер самостоятельного режима холостого хода / Д. Уханов, М. Глебов // Сельский механизатор. - 2008. - № 2. - С. 44-45 (0,31/0,2 печ. л.).

21. Уханов, Д. А. Практическое использование динамического метода при ремонте и эксплуатации автотракторных двигателей / А. В. Николаенко, С. В. Тимохин,  Д. А. Уханов и др. // Нива Поволжья. - 2007. - № 3 (4). - С. 43-49 (0,9/0,15 печ. л.).

22. Уханов, Д. А. Особенности расчета рабочего процесса транспортных дизелей в экспериментальном режиме холостого хода / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, А. В. Отраднов // Нива Поволжья. - 2007. - № 4 (5). - С. 47-53 (0,63/0,31 печ. л.).

23. Уханов, Д. А. Работа карбюраторного двигателя на холостом ходу: проблемы, технические решения и теоретическое обоснование / Д. А. Уханов // Нива Поволжья. - 2008. - № 1 (6). - С. 30-33 (0,56 печ. л.).

Публикации в сборниках научных трудов,

материалах конференций и семинаров

24. Уханов, Д. А. Снижение эксплуатационного расхода топлива при работе ДВС на режиме холостого хода / С. В. Тимохин, Д. А. Уханов // Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств: Материалы междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ПГАСА,  2000. - С. 129-131 (0,13/0,09 печ. л.).

25. Уханов, Д. А. Рациональный расход топлива на режиме холостого хода двигателя мобильных машин / А. В. Николаенко, С. В. Тимохин, Д. А. Уханов // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей: Сб. науч. трудов пост.-действ. науч.-техн. семинара стран СНГ. - С-Петербург: СПбГАУ, 2000. - С. 6-7 (0,13/0,08 печ. л.).

26. Уханов, Д. А. Способ снижения эксплуатационного расхода топлива при работе автотракторного двигателя на холостом ходу / Д. А. Уханов, С. В. Тимохин, А. П. Уханов  // Комплексное обеспечение показателей качества транспортных и технологических машин: Сб. статей VI междунар. науч.- техн. конф. - Пенза:  ПГУ, 2000. - С. 3-6 (0,19/0,1 печ. л.).

27. Уханов, Д. А. Автоматизированная система управления топливоподачей на режиме холостого хода автотракторного дизеля / С. В. Тимохин, А. П. Уханов, Р. В. Федулов, Д. А. Уханов // Комплексное обеспечение показателей качества транспортных и технологических машин: Сб. статей VI междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ПГУ, 2000. - С. 6-11 (0,25/0,14 печ. л.).

28. Уханов, Д. А. Улучшение экологических показателей автотракторных двигателей на холостом ходу / А. П. Уханов, С. В. Тимохин, Д. А. Уханов, Р. В. Федулов // Проблемы сельскохозяйственного производства в изменяющихся экономических и экологических условиях в XXI веке: Сб. материалов междунар. науч.-практич. конф. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2000. - С. 265-267 (0,19/0,09 печ. л.).

29. Уханов, Д. А. Исследование динамических режимов при работе тракторного дизеля на холостом ходу / А. П. Уханов, С. В. Тимохин, Ю. В. Гуськов, Д. А. Уханов // Актуальные агроинженерные проблемы АПК: Сб. науч. трудов Поволжской межвузовской конф. - Самара: СГСХА, 2001. - С. 67-69 (0,19/0,09 печ. л.).

30. Уханов, Д. А. Результаты исследований трактора МТЗ-80 при работе дизеля Д-240 на динамическом режиме холостого хода / Д.А. Уханов, С.В. Тимохин // Материалы 46 науч.-техн. конф. молодых ученых инж. ф-та. - Пенза: ПГСХА, 2001. - С. 50-52 (0,16/0,1 печ. л.).

31. Уханов, Д. А. Оптимизация скоростного режима динамического холостого хода дизеля Д-240 / Д. А. Уханов // Комплексное обеспечение показателей качества транспортных и технологических машин: Сб. статей VII междунар. науч.- техн. конф. - Пенза: ПГУ, 2001. - С. 129-131 (0,19 печ. л.).

32. Уханов, Д. А. Режим динамического холостого хода ДВС: технические решения и перспективы практического использования / А. П. Уханов, С. В. Тимохин, Д. А. Уханов, Р. В. Федулов // Комплексное обеспечение показателей качества транспортных и технологических машин: Сб. статей VII междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ПГУ, 2001. - С. 144-148 (0,28/0,16 печ. л.).

33. Уханов, Д. А. Теоретическое обоснование динамического режима холостого хода автотракторных дизелей / С. В. Тимохин, А. П. Уханов, А. Н. Морунков, Д. А. Уханов // Комплексное обеспечение показателей качества транспортных и технологических машин: Сб. статей VII междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ПГУ, 2001. - С. 148-152 (0,31/0,18 печ. л.).

34. Уханов, Д. А. Новый принцип реализации режима холостого хода на автотракторной технике / А. П. Уханов, С. В. Тимохин, Д. А. Уханов и др. // Совершенствование технологии и технических средств механизации сельского хозяйства: Сб. науч. статей по материалам науч.-практич. конф. - Пенза: РИО ПГСХА, 2001. - С. 15-24 (0,56/0,11 печ. л.).

35. Уханов, Д. А. Способ улучшения экологических показателей автотракторных двигателей на режиме холостого хода / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, А. М. Данилин // Совершенствование машиноиспользования и технологических процессов в АПК: Сборник научных трудов Поволжской межвузовской конференции. - Самара: СГСХА, 2002. - С. 62-64 (0,28/0,19 печ. л.).

36. Уханов, Д. А. Динамический режим холостого хода ДВС: концепция, реализация и перспективы / С. В. Тимохин, Д. А. Уханов // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ: Материалы Межгосуд. науч.-техн. семинара. Вып. 13. - Саратов: СГАУ, 2002. - С. 16-17 (0,1/0,07 печ. л.).

37. Уханов, Д. А. Обоснование нижнего интервала частоты вращения коленчатого вала дизеля на динамическом режиме холостого хода по результатам износных испытания /  Д. А. Уханов // Материалы 47 науч.-техн. конф. молодых ученых инж. ф-та. - Пенза: ПГСХА, 2002. - С. 40-42 (0,1 печ. л.).

38. Уханов, Д. А. Способ снижения нижнего предела минимально-устойчивой частоты вращения коленчатого вала на автотранспортных поршневых двигателях / Д. А. Уханов // Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств: Материалы II междунар. науч.-техн. конф. Ч.1. - Пенза: ПГАСА, 2002. - С. 43-45 (0,14 печ. л.).

39. Уханов, Д. А. Энергоресурсосбережение при ремонте и эксплуатации тракторных дизелей применением динамических режимов / А. В. Николаенко, С. В. Тимохин, Д. А Уханов и др. // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей: Сборник науч. трудов НТК. - Санкт-Петербург: СПбГАУ, 2002. - С. 11-28 (1,13/0,45 печ. л.).

40. Уханов, Д. А. Динамический режим холостого хода двигателей мобильных машин: практическая реализация и результаты исследований / А. В. Николаенко, А. П. Уханов, С. В. Тимохин,  Д. А Уханов // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей: Сборник науч. трудов НТК. - Санкт-Петербург: СПбГАУ, 2002. - С. 58-60 (0,13/0,06 печ. л.).

41. Уханов, Д. А. Повышение устойчивости работы автотракторных дизелей в режиме холостого хода на минимальных частотах вращения коленчатого вала / А. П. Уханов, Д. А. Уханов // Современные технологии, средства механизации и технического обслуживания в АПК: Сборник научных трудов Всерос. НТК. - Саранск: Мордовский ГУ, 2002. - С. 346-348 (0,19/0,11 печ. л.).

42. Уханов, Д. А. Улучшение эксплуатационных показателей автотракторных двигателей на холостом ходу / А. П. Уханов, С. В. Тимохин, Д. А. Уханов // Проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции: Сборник материалов НПК. - Пенза: ПГСХА, 2002. - С. 62-67 (0,34/0,16 печ. л.).

43. Уханов, Д. А. Экономия топлива при работе двигателей мобильных машин на режимах холостого хода / С. В. Тимохин, Д. А. Уханов, Р. В. Федулов // В кн.: Использование нефтепродуктов, технических жидкостей и ремонтных материалов при эксплуатации мобильных машин. - Самара: СГСХА, 2002. - С. 197-210 (0,88/0,49 печ. л.).

44. Уханов, Д. А. Экономия топлива при эксплуатации автотранспортных средств на режиме холостого хода ДВС / А. В. Николаенко, А. П. Уханов, С. В. Тимохин, Д. А Уханов // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей: Сборник науч. трудов междунар. НТК. - Санкт-Петербург: СПбГАУ, 2003. - С. 85-92 (0,5/0,23 печ. л.).

45. Уханов, Д. А. Экономия топлива при работе двигателей автотранспортных средств на режимах холостого хода / С. В. Тимохин, Д. А. Уханов, Р. В. Федулов  // В кн.: Эксплуатационные материалы для автотранспортных средств. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ,  2003. - С. 363-377 (0,9/0,5 печ. л.).

46. Уханов, Д. А. Система автоматического управления работой автомобиля МАЗ на холостом ходу / А. В. Отраднов, Д. А. Уханов, А. П. Уханов // Материалы 49 науч.-техн. конф. молодых ученых инж. ф-та. - Пенза: ПГСХА, 2004. - С. 36-37 (0,13/0,08 печ. л.).

47. Уханов, Д. А.  Реализация динамического режима холостого хода на автомобилях МАЗ / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, А. В. Отраднов // Совершенствование конструкции, теории и расчета тракторов, автомобилей и двигателей внутреннего сгорания: Сборник науч. трудов юбилейной XV региональной НПК вузов Поволжья и Предуралья. - Киров: Вятская ГСХА, 2004. - С. 128-131 (0,25/0,13 печ. л.).

48. Уханов, Д. А. Система автоматического управления для комбайновых дизелей / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, С. Н. Егоров // Роль науки в АПК: Сборник науч. трудов НПК инж. ф-та Пензенской ГСХА. - Пенза: РИО ПГСХА, 2005. - С. 97-100 (0,22/0,14 печ. л.).

49. Уханов, Д. А. Безмоторная установка для исследования влияния пониженного скоростного режима на параметры топливоподачи / Д. А. Уханов, А. В. Отраднов // Роль науки  в АПК: Сборник науч. трудов НПК инж. ф-та Пензенской ГСХА. - Пенза: РИО ПГСХА, 2005. - С. 136-138 (0,19/0,09 печ. л.).

50. Уханов, Д. А. Определение нижнего предела частоты вращения коленчатого вала дизеля на динамическом режиме холостого хода / Д. А. Уханов // Актуальные проблемы сельскохозяйственной науки и образования: Сборник науч. трудов II Междунар. НПК. Выпуск III. - Самара: СГСХА, 2005. - С. 45-47 (0,16 печ. л.).

51. Уханов, Д. А. Результаты моторных исследований автомобильного двигателя с дозированной подачей топлива на режиме холостого хода / А. В. Федулов, Д. А. Уханов // Студенческая наука - производству: Сб. материалов 50 НПК молодых ученых инж. ф-та Пензенской ГСХА. - Пенза: РИО ПГСХА, 2005. - С. 61-63 (0,16/0,1 печ. л.).

52. Уханов, Д. А. Результаты исследований и обработки колебаний комбайнового дизеля и рабочего места оператора на динамическом режиме холостого хода / А. П. Уханов,  С. Н. Егоров, Д. А. Уханов // Повышение эффективности использования автотракторной и сельскохозяйственной техники: Межвуз. сб. науч. трудов XVI региональной НПК вузов Поволжья и Предуралья. - Пенза: РИО ПГСХА, 2005. - С. 37-40 (0,18/0,08 печ. л.).

53. Уханов, Д. А. Улучшение работы топливной аппаратуры на режиме холостого хода дизеля / Д. А. Уханов // Повышение эффективности использования автотракторной и сельскохозяйственной техники: Межвуз. сб. науч. трудов XVI региональной НПК вузов Поволжья и Предуралья. - Пенза: РИО ПГСХА, 2005. - С. 60-64 (0,25 печ. л.).

54. Уханов, Д. А. Энергоресурсосбережение при эксплуатации автотракторной техники на холостом ходу / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, М. Ф. Глебов // Образование. Наука. Производство. Инновационный аспект: Сб. трудов НПК посвященной 50-летию Чебоксарского институтрежима, т.е. за весь период выбега и разгона

* 48-часовая наработка дизеля на холостом ходу соответствует минимальному времени работы трактора с невыключенным двигателем при остановках и стоянках в течение года

* 50-часовая наработка дизеля на холостом ходу соответствует среднему времени работы комбайна с невыключенным двигателем при остановках и стоянках в течение уборочного сезона

* 100-часовая наработка карбюраторного двигателя на холостом ходу соответствует среднему времени работы автомобиля с невыключенным двигателем при остановках и стоянках в течение календарного года

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям