CC BY
24
УДК 629.436
ПОЛ1ПШЕННЯ ПОКАЗНИК1В КОЛ1СНОГО ТРАКТОРА П1Д ЧАС РОБОТИ ДВИГУНА НА СТИСНУТОМУ ПРИРОДНОМУ ГАЗ1
О.В. Захарчук, доц., к.т.н., М.1. Захарчук, асп., Луцький нацюнальний технiчний ушверситет
Анотаця. Наведено результати теоретичних до^джень показниюв кол1сного трактора i3 двигуном, який працюе на стиснутому природному газi, в режимах транспортного процесу. Обрано ращональт параметри керування трансмiсieю та двигуном nid час розгону трактора i швидкостi сталого руху в експлуатацтних умовах.
Ключов1 слова: колiсний трактор, газовий двигун, транспортний процес, параметри керування.
УЛУЧШЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КОЛЕСНОГО ТРАКТОРА ПРИ РАБОТЕ ДВИГАТЕЛЯ НА СЖАТОМ ПРИРОДНОМ ГАЗЕ
О.В. Захарчук, доц., к.т.н., М.И. Захарчук, асп., Луцкий национальный технический университет
Аннотация. Приведены результаты теоретических исследований показателей колесного трактора с двигателем, который работает на сжатом природном газе, в режимах транспортного процесса. Выбраны рациональные параметры управления трансмиссией и двигателем во время разгона трактора и скорости устойчивого движения в эксплуатационных условиях.
Ключевые слова: колесный трактор, газовый двигатель, транспортный процесс, параметры управления.
IMPROVEMENT OF WHEELED TRACTOR INDEXES WITH THE ENGINE OPERATING ON COMPRESSED NATURAL GAS
О. Zakharchuk, Assoc. Prof., Ph. D. (Eng.), M. Zakharchuk, P. G., Lutsk National Technical University, Lutsk
Abstract. Rescarch of the performance of the wheeled tractor diesel engine converted into a gas engine with spark ignition, which is supposed to improve the fuel economy and ecological indexes by the choice of expedient values of parameters of the conducting transmission and engine, is carried out. The rational values of parameters of the conducting transmission and gas engine are chosen and grounded at the acceleration of the wheeled tractor and rates of a withstand movement in operating terms after the criteria of minimum specific charges offuel and harmful emissions.
Key words: wheeled tractor, gas engine, transport process steering, parameters, gas consumption, harmful emissions.
Вступ
1нтенсивне збшьшення цши на традицшш палива за останш роки i пов'язане з цим 36i-льшення собiвартостi сшьськогосподарсько! продукци визначили актуальнють досль джень використання альтернативних палив.
Крiм того, сьогодш стопъ проблема полш-шення еколопчних показниюв дизелiв. Одним з дшових шляхiв зменшення витрат на дизельне паливо та зниження викищв шкщ-ливих речовин з вщпрацьованими газами ди-зелiв е використання стиснутого природного газу (СПГ).
Аналiз публжацш
Як показали попередт науковi дослiдження [1-3], одним з найкращих способiв полшшен-ня еколопчних показникiв колiсних тракторiв та економп витрат на дизельному паливi е !х конвертацiя для роботи на СПГ. Конверту-ванням дизелiв у газовi двигуни займаються в США, Шмеччиш, Ггалп, Францп, Японп, Укра1т та iнших крашах свiту [3-7].
Встановлено режими роботи колюних трак-торiв в експлуатацiйних умовах i визначено, що приблизно 40-45 % обсягу вах робiт, якi виконують колiснi трактори, становлять тра-нспортт роботи [8]. Пiд час виконання вка-заних даних робiт двигуни працюють у бшь-шостi випадюв на неусталених режимах, в яких суттевий вплив на витрату палива та еколопчнють справляють параметри керу-вання трансмюею та двигуном [9].
Анатз результатiв дослiджень автомобiлiв та шших транспортних засобiв з газовими дви-гунами, конвертованими з дизелiв, показав, що вплив параметрiв керування трансмгаею та двигуном на показники таких машин у транспортному процесi не дослiджувався. Тому дослщження параметрiв керування трансмюь ею та двигуном колiсного трактора, який пра-цюе на СПГ, е актуальним завданням.
Мета i постановка завдання
Метою роботи е полшшення паливно! еко-номiчностi та зменшення шюдливих викидiв колiсного трактора iз двигуном, який працюе на СПГ, тд час експлуатацп у транспортних режимах шляхом встановлення рацюналь-них параметрiв керування трансмiсiею та двигуном.
Матерiали дослщжень
Вибiр рацiональних параметрiв керування трансмгаею та двигуном, який працюе на СПГ, тд час розгону колюного трактора та вибiр рацiональних швидкостей сталого руху здiйснювалися шляхом моделювання на ма-тематичнiй моделi руху трактора iз причепом за !здовим циклом «розгш-рух з усталеною швидкютю-сповшьнення» [9]. Вказаний цикл вщповщае роботi трактора у транспортному процесс Уточнена математична модель руху колюного трактора iз двигуном, який працюе на СПГ, в !здовому цикл iмiтуе екс-
плуатацiйнi умови роботи та дозволяе досль джувати паливну економiчнiсть та екологiчнi показники залежно вщ змiни параметрiв керування трансмгаею та двигуном.
Структурна схема системи керування транс-мюею та двигуном, який працюе на СПГ, колюного трактора показана на рис. 1.
Основою структурно! схеми е рiвень 1 -«Управлшня трансмгаею та двигуном колюного трактора», який характеризуеться такими параметрами: вибором оператором передавального числа ui коробки передач тд час розгону, частотою обертання пдк колшча-стого вала, за яко! вщбуваеться перемикання на вищу передачу пiд час розгону, кутом фдр
та швидкiстю вщкриття Удр заслiнок га-зоповiтряного змшувача.
Цi параметри визначають режими роботи двигуна, який працюе на СПГ, ефективну потужтсть двигуна Же, частоту обертання колшчастого вала пд, розрщження у впускному трубопроводi Арк, момент шерци двигуна 3А, годинну витрату СПГ Gгаз та по-вiтря Gпов, а також концентрацп шкiдливих речовин у вщпрацьованих газах.
Крутний момент Мк вщ двигуна передаеться через трансмiсiю, якш властивi такi значен-ня: передавальне число и коробки передач, и0 головно! передачi, ик колюно! передачi та коефiцiент корисно! ди трансмiсil . Вiд
трансмюи крутний момент передаеться на ходову частину трактора, яка характери-зуеться радiусом ведучого колеса гкз, ди-намiчним радiусом кочення ведучого колеса гдз, моментами шерци переднiх та задтх колiс трактора Ли, Лз, коефщентам, якi вра-ховують обертовi маси трактора 5 та приче-па та 51. Спiввiдношення крутного моменту
двигуна i сил опору руху визначае швидкють руху колюного трактора Утр та прискорення
dVтр/dt.
Пiдсистема 2-го рiвня характеризуе навко-лишне середовище атмосферним тиском р0, температурою повiтря Т0 та вщносною воло-гiстю ф0, а дорогу - коефщентом опору руху та повздовжнiм ухилом /. Пiдсистема «колiсний трактор i причiп» описуеться ма-сою трактора т0, фактором опору повiтря kF,
масою причепа mnp, масою вантажу mв та моментом шерци колю причепа Jкпр [10].
кових швидкостей трактора з даними експе-риментальних дослiджень, отриманими при реатазацп !здового циклу на колiсному трак-Пеpевipка адекватностi математично! моделi тоpi, та поpiвняння витрат СПГ [11]. проводилась шляхом поpiвняння розрахун-
Рис. 1. Структурна схема системи управлшня трансмюею та двигуном колiсного трактора
Дорожш випробування трактора МТЗ-80, пiд час роботи двигуна на СПГ, iз причепом 2ПТС-4, який перевозив вантаж, проводились за прийнятим !здовим циклом. Маса вантажу складала 4000 кг. Тракторний дизель було переобладнано в газовий двигун для роботи на СПГ.
Щц час дорожшх випробувань визначались витрата СПГ, швидюсть i час руху колiсного трактора в цикл та вiдстань, на якш проводились дослiдження руху [10].
Теоретичш дослiдження показникiв колюно-го трактора iз двигуном, який працюе на СПГ, проводились зпдно з алгоритмом вста-новлення ращональних параметрiв управлш-ня трансмiсiею та двигуном трактора (рис. 2).
Алгоритм дозволяе встановлювати ращо-нальну послщовшсть перемикання передач, залежно вiд експлуатацшних умов, за кри-терiем мшмально! витрати СПГ та ращо-нальну частоту обертання колшчастого вала,
за яко! вiдбуваeться перемикання передач, ращональш параметри упpавлiння газоповгг-ряним змшувачем (кут i швидкiсть вiдкpиття дросельних заслшок) за кpитеpieм мшмаль-них викидiв шкiдливих речовин та визначати ращональш швидкосп сталого руху колюно-го трактора залежно вiд коефщента опору руху. Початковою стадieю дослщження було встановлення ращонально! послiдовностi перемикання передач у пpоцесi розгону коль сного трактора, використовуючи максималь-нi значення паpаметpiв упpавлiння двигуном. B^ip послiдовностi перемикання передач здшснювався за кpитеpieм мтмально! витрати СПГ. Проводилось моделювання розгону колюного трактора з piзними ваpiанта-ми перемикання передач i визначався такий порядок, за якого спостеpiгаeться найнижча витрата СПГ. Рух колiсного трактора iмiту-вався за коефiцieнта опору руху f0 = 0,016, який вщповщае сухiй доpозi з твердим пок-риттям, та при f0 = 0,03, який вiдповiдаe су-хiй rpунтовiй доpозi.
Рис. 2. Алгоритм встановлення ращональних параметр1в управлшня трансмю1ею та двигуном колюного трактора
В табл. 1 наведено величини витрати СПГ пщ час розгону колюного трактора та часу розгону в раз1 р1зно! послщовносл переми-кання передач при /0 = 0,016. Мтмальна витрата СПГ спостершаеться пщ час переми-кання передач за послщовнютю 6-8-9.
У табл. 2 наведено величини витрати СПГ пщ час розгону колюного трактора та часу розгону в раз1 р1зно! послщовносл переми-кання передач при /0 = 0,03. Мтмальна витрата СПГ спостершаеться при перемикант передач за послщовнютю 6-7-8.
Наступною стад1ею дослщження було встановлення ращональних параметров управлш-ня двигуном (частота обертання колшчастого вала пдк в момент перемикання передач, кут вщкриття заслшок газоповиряного змшува-ча фдр на кожнш передач1 та швидкють
вщкриття заслшок газоповиряного змшува-ча ^др), з урахуванням ращональних пара-метр1в управлшня, як були визначет на по-передшх стад1ях дослщження. Виб1р пара-метр1в управлшня здшснювався за критер1ем мш1мально! витрати СПГ та мтмальних ви-кид1в шкщливих речовин.
Таблиця 1 Витрата СП1' кол1сним трактором при /0 = 0,016
Показники трактора Послщовшсть перемикання передач
4-5-9 4-6-9 5-6-9 5-7-9 5-8-9 6-7-9 7-8-9 6-8-9
^газ, г/км 520,5 527,4 518,1 530,6 535,5 528,2 518,8 515,1
tр, с 224,6 218,1 214,7 217,5 207,4 201,9 215,3 196,1
Таблиця 2 Витрата СП1' кол1сним трактором при _ /0 = 0,03
Показники трактора Послщовшсть перемикання передач
4-5-8 4-6-8 4-7-8 5-6-8 5-7-8 6-7-8
^газ, г/км 645,1 658,7 686 684,3 707,2 638,3
tр, с 327 333,6 341,3 329,2 337,1 320,1
При вибор1 використовувалась ращональна послщовнють перемикання передач та ращо-нальш параметри управлшня двигуном, який працюе на СПГ. Остантм стало визначення ращональних швидкостей сталого руху на вщповщних дщянках !здового циклу залежно вщ коефшдента опору руху, враховуючи до-цщьш параметри управлшня трансмгс1ею та двигуном [10].
Результати дослщжень
За допомогою математично! модел1 встанов-лено ращональну послщовнють перемикання передач пщ час розгону колюного трактора. Обрано ращональш параметри управлшня двигуном, який працюе на СПГ, пщ час розгону трактора. Визначено, що для отримання мшмальних викид1в шкщливих речовин
рекомендусться дотримуватись максимально1 частоти обертання колшчастого вала, за яко1 вщбуваеться перемикання передач, в дiапа-зош 1400-1500 хв-1; кут вiдкриття заслшок газоповiтряного змiшувача в дiапазонi 50-60 % (рис. 3) за швидкосп вщкриття за-слiнок, не бшьше 75 %/с.
Рис. 3. Показники колюного трактора за рiз-них кунв вiдкриття заслiнок газоповггря-ного змшувача
<7™.
г/км
дсн,
150
/ / / / A
Ш // grco
//// //
////. % дно,
T,[' /
'Ш
n __ ■ да
ft V/, /А
Ш V,
m %
/у дгс,
16 9 т 5 28 Vуст.
дно г/км 11
9
7
дсо, г/км 20
км/год
Рис. 4. Залежносн витрати СПГ та викидiв шюдливих речовин вщ швидкосп стало-го руху трактора за коефщента опору f0 = 0,016
Визначено ращональш швидкостi сталого руху колюного трактора в 1здовому цикл залежно вiд коефiцieнта опору руху. Ре-
ал1зуючи 1здовии цикл 31 сталою швидк1стю 20-23 км/год (рис. 4) на сухш дороз1 з твердим покриттям з1 швидкютю 11-13 км/год на сухш грунтовш дороз1, можна отримати мшмальш витрати СПГ та мшмальш ви-киди шкщливих речовин [10].
Висновки
Використовуючи уточнену математичну модель руху колюного трактора у транспортному процесс встановлено ращональш значен-ня параметр1в управлшня двигуном у режимах розгону та ращональш швидкосп сталого руху трактора за критер1ями мшмальних витрат СПГ та шкщливих викид1в.
З використанням рекомендацш щодо ращо-нально1 послщовносп перемикання передач досягаеться зниження витрати СПГ на 3,99,8 %. Досягаючи кшцево1 частоти обертання колшчастого вала на кожнш з передач, маемо зниження витрати СПГ на 10-15 % та зниження шкщливих викид1в на 8-10 %. За ращонального кута вщкриття заслшок га-зоповггряного змшувача витрата СПГ змен-шуеться на 20-22 % та на 21-24 % зменшу-ються шкщлив1 викиди. Рухаючись ращо-нальними сталими швидкостями, витрата СПГ зменшуеться на 24-28 % та на 19-21 % - шкщлив1 викиди.
Лггература
1.
2.
Льотко В. Применение альтернативных топлив в ДВС / В. Льотко, В.Н. Луканин, А С. Хачиян. - М.: МАДИ (ТУ), 2000. -331 с.
Гайворонский А.И. Использование природного газа и других альтернативных топлив в дизельных двигателях / А.И. Гайворонский, В.А. Марков, Ю.В. Илатовский. - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. - 480 с.
3. Матейчик В.П. Методи ощнювання та спо-
соби шдвищення еколопчно! безпеки дорожшх транспортних засобiв: моног-рафiя / В.П. Матейчик. - К.: НТУ, 2006. - 216 с.
4. Hamling P. «Down Under» success with natu-
ral gas buses / Р. Hamling // NGV Worldwide. - 2002. - P. 11.
5. Nylund N.O. Pathways For Natural Gas Into
Advanced Vehicles / N.O. Nylund, J. Lau-rikko, M. Ikonen. - Brussel: IANGV. -2002. - 105 p.
6. Mori K. Worldwide Trends in Heavy-Duty
Diesel Engine Exhaust Legislation and Compliance Technologies / K. Mori. -Warrendale, USA: SAE international, 2001. - 46 p.
7. Газовые двигатели // Журнал «Автомай-
стерня». - 2006. - № 12. - C. 30-32.
8. Бшоконь Я.Ю. Трактори i автомобш /
Я.Ю. Бшоконь, А.1. Окоча. - К.: Урожай, 2002. - 324 с.
9. Гутаревич Ю.Ф. Снижение вредных вы-
бросов автомобиля в эксплуатационных условиях / Ю.Ф. Гутаревич. - К.: Выща шк., 1991. - 180 с.
10. Захарчук О.В. Покращення експлуатацш-
них показниюв колюного трактора з пе-реобладнаним з дизеля газовим двигу-ном: дис. ... кандидата техн. наук: 05.22.20 / Захарчук Олег Вшторович. -К., 2013. - 199 с.
11. Матейчик В.П. Перевiрка адекватносп математично! моделi руху колюного трактора з газовим двигуном у !здовому цикл / В.П. Матейчик, В.В. Яновський, О.В. Захарчук // Науковi нотатки: мiжву-зiвський збiрник за напрямом «Инженерна механiка». - 2012. - Вип. 36. -С.200-203.
References
1. L'otko V., Lukanyn V.N., Hachyyan A.S.
Primenenie al'ternativnyh topliv v DVS [The use of alternative fuels in internal combustion engines]. Moscow, MADY (TU) Publ., 2000. 331 p.
2. Gajvoronskij A.I., Markov V.A., Ylatovskyy
Y.V. Ispol'zovanie prirodnogo gaza i drugih al'ternativnyh topliv v dizel'nyh dvigateljah [The use of natural gas and other alternative fuels in diesel engines]. Moscow, IRC Gazprom Publ., 2007. 480 p.
3. Mateychyk V.P. Metody otsinyuvannya ta
sposoby pidvyshchennya ekolohichnoyi bezpeky dorozhnikh transportnykh zasobiv: monohrafiya [Evaluation methods and ways of increase of ecological safety of
road vehicles: a monograph]. Kiev, NTU Publ., 2006. 216 p.
4. Hamling P. «Down Under» success with
natural gas buses. NGV Worldwide, 2002, 11 p.
5. Nylund N.O., Laurikko J., Ikonen M. Path-
ways For Natural Gas Into Advanced Vehicles. Brussel: IANGV, 2002, 105 p.
6. Mori K. Worldwide Trends in Heavy-Duty
Diesel Engine Exhaust Legislation and Compliance Technologies. Warrendale, USA: SAE international, 2001. 46 p.
7. Gazovie dvigateli [Gas engines]. Аvtoma-
isternnia, 2006, vol. 12, pp. 30-32.
8. Bilokon' Ya.Yu., Okocha A.I. Traktory' i
avtomobili [Tractors and cars]. Kiev, Urozhaj Publ., 2002, 324 p.
9. Gutarevich Yu.F. Snigenie vrednyh vybrosov
avtomobil 'ia v ekspluatacionnyh uslovi 'ah [The reduction of harmful emissions of the vehicle operating conditions]. Kiev, Vyshcha shkcola Publ., 1991, 180 p.
10. Zakharchuk O.V. Pokrashchennia eksplua-tatsiinykh pokaznykiv kolisnoho traktora z pereobladnanym z dyzelia hazovym dvyhunom [Improvement of operating indexes of the wheeled tractor with the gas engine reconstruction from a diesel]: dys. ... kandydata tekhn. nauk: 05.22.20 / Zaharchuk Oleg Viktorovych. Kiev, 2013, 199 p.
11. Mateychyk V.P., Yanovskiy V.V., Zahar-chuk O.V. Perevirka adekvatnosti ma-tematychnoyi modeli ryxy kolisnogo traktora z gazovy'm dvy'gunom y yizdovomu cy'kli [Checking adequacy of mathematical model of motion of the wheeled tractor with a gas engine to mount the cycle]. Naukovi notatky: mizhvuzivs 'kiy zbirnuk za napryamom «Inzhenerna mekhanika», 2012, vol. 36, pp. 200-203.
Рецензент: В.П. Волков, професор, д.т.н., ХНАДУ.
