К.т.н., доц. Калинин Е.И.

Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенка

Влияние условий функционирования сельскохозяйственного машинно-тракторного агрегата на эффективность выполняемой технологической операции

Введение. В настоящее время тракторные дизели эксплуатируются в широком диапазоне нагрузочных и скоростных режимов, а значительные изменения природно-климатических условий приводит к выполнению технологических работ в различных условиях эксплуатации. Расширение сферы и интенсивности эксплуатации тракторов предъявляет повышенные требования к уровню надежности и стабильности рабочих параметров дизелей, нарушение нормального функционирования которых влечет за собой значительное увеличение затрат при их эксплуатации.

Характерным для сельскохозяйственного производства является функционирование техники в неблагоприятных условиях, связанных с сезонностью работ, когда в ограниченные сроки уборки урожая или полевых кампаний сельскохозяйственные машинно-тракторные агрегаты работают на форсированных режимах.

К числу главных природно-климатических факторов, определяющих работоспособность узлов и агрегатов тракторных дизелей, относятся следующие: температура окружающей среды, относительная влажность, запыленность, атмосферное давление и др.

Анализ публикаций. Вопросам влияния климатических факторов на работу дизельного двигателя посвящены работы Дьяченко Н.Х., Ждановского А.В., Костина А.К., Ларионова В.В., Михайлова Л.И., Николаенко А.В., Орлина А.С., Розенблита Г.Б., Руднева Б.И., Хватова В.Н., Хрулькевича О.А., Чайнова Н.Д. и др.

Так, в [1] проведена оценка влияния температуры охлаждающей жидкости на теплонапряженность деталей двигателя и эффективность его работы. Было установлено, что данное повышение способствует снижению коэффициента наполнения, что, в свою очередь, приводит к снижению коэффициента избытка воздуха, следовательно, и к снижению индикаторной мощности.

В лаборатории кафедры ДВС ЛПИ была проведена серия экспериментов по изучению рабочего процесса двигателя при повышении температуры охлаждающей воды с 90 до 130°С. В результате исследования было установлено, что с повышением температуры охлаждающей жидкости на каждые 10°С коэффициент наполнения снижался в среднем на 1,0%, а коэффициент избытка воздуха – на 0,9%.

В виду того, что на температуру охлаждающей жидкости значительное влияние оказывает температура окружающей среды, была поставлена следующая цель исследований.

Цель исследований. Систематизировать влияние температуры окружающей среды на показатели работы дизельного двигателя внутреннего сгорания, а, значит, и на показатели эффективности машинно-тракторного агрегата при выполнении технологического процесса.

Общая часть. Влияние внешних условий эксплуатации учитывается с помощью коэффициентов приведения. Так, влияние температуры, давления и влажности окружающего воздуха на величину эффективной мощности, крутящего момента, среднего эффективного давления, часового и удельного расхода топлива определяется зависимостями:

                                                      ,                                                  (1)

                                                     ,                                                 (2)

                                                      ,                                                 (3)

                                                       ,                                                  (4)

                                                       .                                                  (5)

При этом коэффициенты приведения , ,  определяются по следующим зависимостям:

                                 ,                             (6)

                                                ,                                            (7)

                                           ,                                       (8)

где  – плотность топлива при температуре 25°С, т/м3;  – изменение атмосферного давления (с учетом парциального давления водяных паров) по сравнению со стандартным, кПа;  – изменение температуры воздуха по сравнению со стандартной, °С;  – поправка, соответствующая изменению атмосферного давления на 1кПа, 1/кПа; – поправка, учитывающая изменение температуры окружающего воздуха на 1°С, 1/°С;  – поправка, отражающая отклонение температуры топлива на 1°С, 1/°С.

Изменение атмосферного давления с учетом парциального давления водяных паров по сравнению со стандартным может быть определено из зависимости:

                                    ,                                (9)

где  – стандартное атмосферное давление, кПа;  – парциальное давление насыщенного водяного пара при данной температуре воздуха, кПа;  – относительная влажность окружающего воздуха, %;  – коэффициент, учитывающий наличие турбонаддува ( – для четырехтактных дизелей без наддува и  – для четырехтактных дизелей с наддувом).

За стандартные атмосферные условия принимаются следующие: температура окружающей среды °С; относительная влажность ; атмосферное давление кПа. Значения поправок для четырехтактных дизелей без наддува и с турбонаддувом при изменении атмосферного давления, температуры окружающей среды и топлива соответственно в пределах от 88 до 105 кПа и от 0 до 70°С приведены в табл. 1

 

Таблица 1

Значения поправок, учитывающих влияние климатических условий

Обозначение и единица измерения

Значение поправок для четырехтактных дизелей

без наддува

с наддувом

, 1/кПа

0,0045

0,0015

, 1/°С

0,0015

0,0010

, 1/°С

0,0015

0,0015

 

Значение поправок для четырехтактных дизелей без наддува и с турбонаддувом при атмосферном давлении ниже 88 кПа и температуре окружающего воздуха и топлива более 70°С, а также для четырехтактных дизелей с турбонаддувом и промежуточным охлаждением надувочного воздуха указываются в технических условиях на дизель.

Повышение температуры окружающего воздуха увеличивает теплонапряженность двигателя и вызывает соответствующее изменение физико-химических свойств топлива и масел. При повышении температуры изменяются плотность и вязкость дизельного топлива (рис. 1), в частности, при повышении температуры летного дизельного топлива на 40°С (с 20°С до 60°С) вязкость снижается на 50%.

Рис. 1. Зависимость вязкости дизельных топлив от температуры:

1 – топливо «ДЗ»; 2 – топливо «3»; 3 – топливо «ДЛ»; 4 – топливо «Л»

Зависимость плотности топлива от температуры  определяется соотношением:

                                                ,                                          (10)

где ,  – нормальная и повышенная температура топлива соответственно, °С;  ,  – плотность топлива при нормальной и повышенной температуре соответственно, кг/м3;  – температурный коэффициент объемного расширения дизельного топлива.

Для всех видов моторных масел характер зависимости вязкости от температуры однотипен: чем ниже температура, тем выше вязкость. Однако у разных типов степень изменения различна: она определяется химическим составом масла. В стандартах на моторные масла указываются значения вязкости при 0°С и 100°С (иногда при –18°С), а также индекс вязкости (безразмерная величина, показывающая степень изменения вязкости в зависимости от температуры по сравнению с эталонными маслами). Значение этого показателя определяется по графикам или таблицам, которые приводятся в технических требованиях на нефтепродукты.

Повышение температуры масла снижает его смазочные свойства. Установлено, что возрастание температуры масла с 20°С до 100°С приводит к снижению вязкости более чем в 10 раз, что отрицательно сказывается на надежности подшипниковых узлов и кулачковых механизмов.

При повышении температуры масла ускоряются процессы его окисления и термического распада. При нормальных температурах минеральные масла в течение длительного времени практически не окисляются. Начиная с 50…60°С кислород вступает во взаимодействие с углеводородами масла; при температуре 130…150°С эти процессы протекают достаточно интенсивно, а при нагревании от 150°С до 250°С скорость окисления масла возрастает примерно в 1000 раз. В различных зонах двигателя, отличающихся температурными условиями, окислительные процессы протекают с различной скоростью. На поршнях, кольцах и в цилиндрах масло при высокой температуре окисляется в тонком слое (пленке) с большой скоростью. Процесс сопровождается сильным испарением, и на поверхности деталей образуются прочные лаковые пленки. Внутри двигателя масло находится в виде тумана; здесь особенно велика поверхность его взаимодействия с кислородом. В высокотемпературных зонах двигателя, кроме процессов окисления, под действием высоких температур может происходить также и разрушение молекул углеводородов масла.

В результате указанных процессов в маслах образуются кислоты, смолы, асфальтовые вещества, а также коксоподобные соединения. В итоге изменяются физико-химические свойства масла: увеличивается вязкость, выпадает осадок, являющийся основной причиной образования лаков и нагаров на поршнях и поршневых кольцах, а также отложений в картере.

В начале процесса окисляются наименее стойкие соединения масла и образуются смолы и кислоты, находящиеся в масле в растворенном состоянии. В дальнейшем они переходят в нерастворимые вещества. При достаточно малых размерах частиц (до 1 – 3 мкм) они не оказывают существенного влияния на работоспособность двигателя, однако при дальнейшей работе масла и его окислении частицы слипаются, укрупняются и оседают на деталях цилиндро-поршневой группы.

Повышение теплонапряженности режимов работы двигателя приводит к нарушению процессов топливоподачи. С изменением температуры топлива меняется производительность насоса, что вызвано снижением вязкости топлива.

С повышением температуры дизеля возрастает вероятность закоксовывания сопловых отверстий распылителя, зависания иглы и снижения давления начала  впрыска топлива форсункой. Работой [3] установлено, что увеличение температуры воды в системе охлаждения дизеля на 1°С приводит к повышению температуры распылителя на 0,25…0,75°С, а нагревание топлива в насосе на 30…35°С повышает температуру распылителя на 13…15°С. На рис. 2 приведена зависимость изменения давления начала впрыска от температуры окружающей среды.

Рис. 2. Изменение давления начала впрыска топлива форсунками в зависимости от температуры окружающей среды:

1 – форсунка 6Т2; 2 – форсунка ФД-22; 3 – форсунка ФШ

Полученные данные показывают, что при изменении температуры окружающего воздуха на 10°С величина давления начала впрыска форсунками отличается на 0,3 МПа.

С повышением температуры окружающей среды снижается массовое заполнение цилиндра воздухом (за счет уменьшения его плотности на впуске), повышается температура рабочего цикла и отработавших газов, в результате чего возрастает общая теплонапряженность дизеля.

В данном случае может интересовать состояние, при котором температура воды, охлаждающей двигатель, выше 100°С. Выяснено, что повышение температуры охлаждающей воды в дизеле на 10°С выше 100°С приводит к повышению температуры деталей четырехтактного дизеля на 8…8,6°С.

Выводы. Таким образом, температура окружающего воздуха является одним из доминирующих факторов, оказывающих значительное влияние на условия работы дизельного двигателя в частности и эффективности машинно-тракторного агрегата в целом. Установлено, что повышение температуры окружающей среды способствует ухудшению индикаторных показателей и значительному изменению динамической характеристики двигателя за счет неравномерного впрыска топлива по цилиндрам.

Увеличение закоксовываемости форсунок приводит к снижению мощности дизеля, и, соответственно, снижению мощности всего энергетического средства в составе машинно-тракторного агрегата.

Список использованных источников

1.            Дьяченко Н.Х. Теплообмен в двигателях и теплонапряженность их деталей / Дьяченко Н.Х., Дашков С.Н., Костин А.К., Бурин М.М. – Л.: Машиностроение, 1969. – 247 с.

2.            Ждановский Н.С. Режимы работы двигателей энергонасыщенных тракторов / Ждановский Н.С., Николаенко А.В., Шкрабак В.С. и др. – Л.: Машиностроение, 1981. – 240 с.

3.            А.с. 883543 СССР. Способ обкатки двигателей внутреннего сгорания / Ждановский Н.С., Николаенко А.В., Зуев В.П.

4.            Костин А.К. Работа дизелей в условиях эксплуатации / Костин А.К., Пугачев Б.П., Кочинев Ю.Ю. – Л.: Машиностроение, 1989. – 284 с.

5.            Костин А.К. Исследование нестационарного теплообмена в камере сгорания дизеля / Костин А.К., Михайлов Л.И., Руднев Б.И. и др. // Тр. ЛПИ. – 1980. – № 130. – С. 73 – 78.

6.            Костин А.К. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания: Справочное пособие / Костин А.К., Ларионов В.В., Михайлов Л.И. – Л.: Машиностроение, 1979. – 222 с.

7.            Николаенко А.В. Повышение эффективности использования тракторных дизелей в сельском хозяйстве / Николаенко А.В., Хватов В.Н. – Л.: Агропромиздат, 1986. – 189 с.

8.            Розенблик Г.Б. Теплопередача в дизелях / Розенблик Г.Б. – М.: Машиностроение, 1977. – 216 с.

9.            Хрулькевич О.А. Двигатели для эксплуатации в тропиках / Хрулькевич О.А. – М.: Машиностроение, 1974. – 168 с.

10.    Чайнов Н.Д. Тепломеханическая напряженность деталей двигателей / Чайнов Н.Д., Заренбин В.Г., Иващенко Н.А. – М.: Машиностроение, 1977. – 152 с.