Улучшение технико-экономических и экологических показателей функционирования автомобиля при выполнении сельскохозяйственных работ в полевых условиях

В настоящее время перед автомобильной промышленностью остро стоит проблема выпуска автомобилей специально для сельского хозяйства. Вьшускаемые автомобили должны обладать высокими динамическими, экономическими и экологическими качествами, которые позволят повысить производительность труда в сельскохозяйственном производстве и снизить себестоимость выпускаемой продукции. Основной задачей остается создание автомобиля надежного, долговечного и недорогого [80].

Без автомобилей сельскохозяйственные предприятия не могут нормально функционировать, так как сельскохозяйственные предприятия имеют значительную номенклатуру грузов. Только отрасли земледелия и животноводства дают около 40.45 наименований грузов в виде основной, побочной продукции и отходов, а также около 30 видов грузов необходимы для обеспечения производительных процессов в указанных отраслях. Автомобили перевозят насыпные, навалочные, жидкие грузы, осуществляют перевозку живого скота и др.- они работают в жестких по времени, в различных по сезону года климатических, метеорологических и в полевых условиях. Требование к автомобилю заключается в обеспечении в короткое время работы комбайнов без простоев. Для выполнения таких требований автомобиль должен обладать высокой производительностью и маневренностью. Одним из основных резервов повышения производительности автомобиля является повышение технической скорости движения автомобиля. Расчеты показывают, что с увеличением скорости перевозок зерна от комбайна на ток с 7 до 14 м/с, производительность грузового автомобиля повышается на 13. 15%.

В 1980. 1986 годах в НАМИ и на Нижегородском автомобильном заводе разрабатывались автомобили специально для сельского хозяйства. При разработке автомобилей особое внимание было обращено на ходовую часть, жесткость рамы и подвески, а динамические, экономические и экологические 7 показатели, которыми, в настоящее время, оцениваются автомобили, не рассматривались.

В настоящее время автомобили, работая, как было сказано, в сложных погодных и полевых условиях, перемещаются по полям на низших передачах и с малой скоростью. Это приводит к повышенному расходу топлива и выбросу в большом количестве токсичных веществ с отработавшими газами, которые отрицательно влияют на урожайность и качество зерновых и других сельскохозяйственных культур.

Отечественная автомобильная промышленность выпускает преимущественно автомобили общего назначения грузоподъемностью 2,5.5,От. (ГАЗиЗИЛ).

Автомобили сельскохозяйственного назначения, оборудованы, в основном, бензиновыми двигателями. Совершенствование двигателей становится важнейшим фактором развития коллективного и индивидуального сельскохозяйственного производства и определяет актуальность исследований автомобилей по улучшению качественных эксплуатационных характеристик.

Эти исследования направлены на повышение мощностных и экономических качеств автомобиля за счет установки на них двигателей, которые удовлетворяют современным требованиям.

Другим важнейшим аспектом исследований автомобилей является снижение токсичных выбросов. Эта проблема становится все более актуальной в связи с критическим состоянием экологии, с увеличивающимся выбросом веществ, загрязняющих воздух, землю и воду [7,8,11].

Например, только в Республике Татарстан в сфере сельскохозяйственного производства в течение года эксплуатируется более 60 тысяч автомобилей (с бензиновыми двигателями), которые сжигают около 1,5 млн. тонн бензина (при расходе 10 кг/ч), выбрасывая в атмосферу около 570 тонн оксида углерода, 32 тонны несгоревших углеводородов, 1,5 тонны сажи. В тепловых единицах это 8 составит около 10×103 МДж или около 75 тонн условного топлива.

Загрязнение окружающей среды вредными веществами вызывает повышенный уровень заболеваемости населения, снижение производительности труда и объема продукции сельского, лесного, рыбного хозяйства, приводит к коррозии металлов, требует выделение средств на поддержание в надлежащим состоянии строений, жилых домов, памятников архитектуры и т. д. Таким образом, наносит экономический ущерб сельскому хозяйству республики.

Из вышеизложенного следует, что уменьшение расхода топлива и снижение токсичности отработавших газов в двигателях внутреннего сгорания, используемых на автомобилях, являются серьезными проблемами, решение которых может быть достигнуто только на основе глубокой интенсификации и модернизации рабочего процесса.

Одним из путей улучшения динамических, технико-экономических и экологических показателей автомобиля является использование двигателя с расслоением заряда в камере сгорания.

В настоящее время известно много устройств [60] по улучшению технико-экономических показателей двигателей. Нами выбран способ, который основан на расслоении заряда за счет подачи в цилиндр дополнительного воздуха в конце наполнения и начале сжатия. Данный способ содержит в себе ряд преимуществ перед другими способами расслоения заряда. Рассматриваемый двигатель, установленный на автомобиль с относительно низкими скоростными и динамическими характеристиками, позволит улучшить их и уменьшить выброс токсичных компонентов с отработавшими газами. Это дает основание утверждать, что на экспериментальном грузовом автомобиле с двигателем с таким способом расслоения заряда удается достичь эффективных результатов.

Диссертационная работа посвящена исследованию возможностей улучшения динамических, технико-экономических и токсических показателей при функционировании грузового автомобиля, на котором использовался 9 двигатель с расслоением заряда за счет ввода в цилиндры дополнительного воздуха в процессе наполнения и начале сжатия.

Работа является составной частью одного из научных направлений Казанской Государственной сельскохозяйственной академии «Улучшение эксплуатационных показателей автомобильных бензиновых двигателей путем повышения турбулизации заряда дополнительной подачей воздуха в цилиндры». Номер государственной регистрации — 0187.43 352,.

При выполнении работы учитывалось и в некоторой степени решалось Постановление Кабинета Министров РТ за№ 312 от 19.05.95 г. (пп 1.1, 1.2, 1.3), по проблеме: «О сокращении выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от автотранспортных средств в Республике Татарстан» .

Эксперименты проводились в два этапа:

— эксперименты опытного двигателя на стенде в сравнении со стандартным;

— опыты в полевых условиях на грузовом автомобиле с опытным двигателем и со стандартным.

Эксперименты включали исследования двигателя по скоростным, нагрузочным, экологическим и др. характеристикам с подачей в цилиндры дополнительного воздуха и без подачи (стандартного).

Анализ результатов экспериментов показал значительное преимущество автомобиля с опытным двигателем по сравнению с автомобилем, у которого был стандартный двигатель.

Достоверность результатов исследования подтверждена теоретическими расчетами и опытами автомобиля ГАЗ-52, который в течение трех лет работы с двигателем с разработанным способом ввода в цилиндры дополнительного воздуха имел более высокие динамические, экономические и экологические показатели.

Основные результаты научных исследований диссертации докладывались на Международном конгрессе «Развитие мониторинга и оздоровление.

10 окружающей среды", проходившего в июне 1994 г. в г.Казани., на 2-ой Республиканской конференции «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан» в ноябре 1995 года в г. Казани, на Международном симпозиуме «Безопасность жизнедеятельности» в октябре 1997 г. в г. Казани, на 10-ой научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья «Совершенствование и развитие мобильной энергетики в сельском хозяйстве», в июне 1998 г. в г. Чебоксары, на итоговых научных конференциях КГСХА в 1995, 1996,1997 и 1998 г. г.

Работа проводилась в связи с хозяйственным договором с ПО ЕлАЗ № 13 952 от 1994 г., а также в соответствии с Постановлением Кабинета Министров РТ № 312 от 19.05.95 г., велась хоздоговорная работа по теме «Испытания и внедрение существующих и вновь разрабатываемых устройств и приспособлений, позволяющих снизить токсичность и дымность отработавших газов автомобилей» с Экологическим фондом Республики Татарстан.

Целью настоящей работы является исследование грузового автомобиля с опытным двигателем, который позволяет значительно повысить технико-экономические и экологические характеристики автомобиля.

Для выполнения поставленной цели теоретически проанализирована конструкция системы подачи в цилиндры дополнительного воздуха, проведено теоретическое сравнение автомобилей с опытным двигателем и со стандартнымсоздана экспериментальная установка, позволяющая сравнить исследования опытного и стандартного двигателя, оборудован автомобиль с опытным двигателем, который подвергался исследованию.

Научная новизна. В диссертационной работе представлено научное обоснование новых технических решений, направленных на использование на автомобилях бензиновых двигателей с совершенствованным рабочим процессом путем расслоения заряда в камере сгорания и применения комплекса методов, сочетающих и расширяющих достоинства известных способов.

11 методов, сочетающих и расширяющих достоинства известных способов.

Научную новизну работы составляют:

— модернизированная для автомобильного двигателя конструкция системы расслоения заряда за счет подачи в цилиндры дополнительного воздуха в конце наполнения и начале сжатия в нижнюю часть цилиндра через каналы, расположенные выше нижней мертвой точки;

— количественные и качественные характеристики и уточненные закономерности изменения тяговых, динамических, энерго-экономических и экологических показателей при функционировании грузового автомобиля с модернизированным бензиновым двигателем.

На защиту выносятся:

1. Модернизированная система смесеобразования для автомобильного двигателя с организацией в цилиндрах расслоения заряда путем подачи дополнительного воздуха в конце наполнения и начале сжатия.

2. Разработка методики и расчетных формул для переоборудования двигателя для сельскохозяйственного производства.

3. Расчетные формулы для установления связи между тяговых, динамических, энерго-экономических и экологических показателей при функционировании автомобиля, оборудованного модернизированным двигателем, при выполнении сельскохозяйственных операций в составе полевых агрегатов.

4. Результаты экспериментальных исследований тяговых, динамических, экономических и экологических показателей при функционировании грузового автомобиля с модернизированным бензиновым двигателем в сельскохозяйственном производстве.

Основные обозначения gi, & - индикаторный и эффективный удельный расход топлива. акоэффициент избытка воздуха.

N1, Ые — индикаторная и эффективная мощность.

Мкр — крутящий момент двигателя.

От — часовой расход топлива. п — частота вращения коленчатого вала.

Ов — расход воздуха через впускной коллектор (карбюратор). г|1 — индикаторный коэффициент полезного действия. т¹ — коэффициент наполнения стандартного двигателя и двигателя с дополнительным воздухом.

У3 — угол опережения зажигания.

Ос, Огеор — масса смеси в цилиндре фактическая и теоретическая.

Р0 — атмосферное давление.

Уь — рабочий объем цилиндра.

Ра, Рс — давление в конце наполнения и сжатия.

Та, Тс — температура в конце наполнения и сжатия.

Рд — давление дополнительного воздуха в цилиндре.

Од — количество воздуха, поступившего в цилиндр через дополнительную систему.

С — коэффициент подачи дополнительного воздуха.

8 — геометрическая степень сжатия. р — плотность заряда.

Рк — тяговое усилие. г|.ф — коэффициент трения.

Уа — скорость автомобиля.

Б — путь разгона автомобиля. I — время разгона автомобиля. За. ускорение разгона автомобиля. Оа — масса автомобиля. Б — динамический фактор.

— суммарное сопротивление дороги. О — расход топлива автомобиля на 100 км.

Общие выводы.

1. На основании рассмотрения современного состояния проблемы улучшения тяговых, динамических, экономических и экологических показателей автомобилей с бензиновыми двигателями и их основных компонентов — способов и схем интенсификации горения заряда, фонда количественных данных и существующих расчетных методов, — и проведенных расчетно-теоретических и экспериментальных исследований предложено схемно-конструктивное решение повышения тяго-динамических и эколого-экономических показателей автомобиля путем установки на него двигателя внутреннего сгорания с расслоением заряда за счет подачи в цилиндр дополнительного воздуха в конце наполнения и в начале сжатия.

2. Получены новые количественные теоретические характеристики и уточненные закономерности изменения показателей автомобиля с двигателем, у которого улучшено смесеобразование заряда за счет подачи в цилиндры дополнительного воздуха.

3. Экспериментально отработана, испытана и установлена на двигатель эффективная конструкция расслоения заряда для двигателя ГАЗ-52:

— конструкция системы расслоения включает: отверстие диаметром 8 мм в цилиндре на высоте 27 мм от кромки поршня, находящегося в НМТ, обратный.

168 пластинчатый подпружиненный клапан, ресивер, воздуходувку (компрессор), соединительные трубки и трубопровод;

— в оптимальном режиме работы система обеспечивает регулируемый ввод в цилиндры, при постоянном избыточном давлении 0,05.0,06 МПа, дополнительного воздуха в количестве от 10.30%- затраты мощности на привод воздуходувки не превышают 2,5% от максимальной мощности двигателя;

— двигатель, при равных основных параметрах, работает с более высоким коэффициентом избытка воздуха, а = 1,5.1,6 (против 1,25.1,35 серийного двигателя).

4. В результате опыта и теоретического анализа выхлопных газов выявлено, что разработанная конструкция подачи дополнительного воздуха в двигатель позволяет снизить суммарное содержание токсичных компонентов в выхлопных газах на 45.60%, в частности, содержание углеводородов — на 25.45%, оксид углерода на 50.60%.

5. Проведенные дорожные испытания автомобиля, оснащенного опытным двигателем, показали работоспособность системы, которая позволила повысить технико-экономические и антитоксические показатели, в частности: мощность автомобиля на 6.10%, тяговые качества — на 6.12%, динамику — на 8.10%, экономичность автомобиля — на 10. 15% и снизить токсичность в среднем на 40.60%. Экономическое обоснование показало, что при функционировании автомобиля с опытным двигателем в хозяйстве представляется возможность повысить производительность автомобилей на 17,7%, ежедневный объем грузоперевозок на 21%, снизить энергоемкость перевозок на 23,5%, удельный расход топлива на единицу транспортной работы на 24%.

6. На основании теоретического исследования и экспериментальных данных выявлено новое перспективное направление улучшения эксплуатационных показателей автомобилей с бензиновыми двигателями с.

169 применением на них способа работы, включающего подачу в цилиндр дополнительного воздуха, сообщение ему вращательного движения, сжатие воздуха поршнем, впрыск бензина во вращающийся поток сжатого воздуха через топливную форсунку и воспламенение заряда от свечи зажигания.