Повышение эффективности использования машинно-тракторных агрегатов улучшением энергетических параметров двигателей

Во введении приведена актуальность темы, сформулированы цель и за-
дачи исследований, определены объект и предмет исследований, установлена
научная новизна и выделены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе раскрыто состояние вопроса обоснования необходимости
повышения эффективности использования ЭУ МТА. Представлены факторы,
влияющие на эффективность использования ЭУ МТСА. Проанализированы
требования, предъявляемые к физико-химическим свойствам дизельного топ-
лива, влияющим на эффективность работы МТА. Проведѐн анализ и разработа-
на классификация технических средств обеспечения экологической безопасно-
сти ЭУ МТА.
Магнитная активация топлива является инновационным способом повы-
шения эффективности использования ЭУ МТА и одновременно позволяет
глубже вникнуть в физику магнитных явлений, теорию рабочих процессов дви-
гателей внутреннего сгорания и теорию эксплуатационных свойств ДВС.
На основе проведенного анализа современного состояния вопроса о по-
вышении эффективности использования ЭУ МТА сделан вывод о том, что об-
работка электромагнитными полями может способствовать повышению экс-
плуатационных свойств углеводородного топлива и представляет один из пер-
спективных путей повышения эффективности и экологичности ЭУ МТА.
Во второй главе дан анализ теоретических и экспериментальных иссле-
дований, посвященных решению вопросов повышения эффективности исполь-
зования ЭУ МТА за счет применения устройства для электромагнитной обра-
ботки топлива. В этой главе раскрыты теоретические основы возможности из-
менения структуры дизельного топлива под воздействием электромагнитных
полей, дано теоретическое обоснование параметров устройства для активации
дизельного топлива. Выполнены теоретические исследования и получены зави-
симости для определения производительности МТА при работе на активиро-
ванном топливе.
Магнитная проницаемость дизельного топлива определена, исходя из его
усреднѐнных физико-химических показателей:
м
,(1)

где– плотность дизельного топлива, кг/м3;
– молекулярный вес (масса), кг/моль;
м – молярная (химическая) магнитная восприимчивость, м /моль.
Соответственно индукция электромагнитного поля равна:
мм
()() (),Тл,(2)

где ρCu – удельное сопротивление материала проводника, Ом·м;
μ0 – магнитная проницаемость вакуума, равная μ0=4π·10-7 Гн/м;
l – длина соленоида, м;
S0 – поперечное сечение провода, м2;
U – напряжение, подаваемое на соленоид, В;
d – диаметр соленоида, м.
Для определения расхода топлива получено выражение:
мм
,(3)

где m – масса топлива, кг;
t – длительность прохождения топлива в устройстве для электромагнит-
ной обработки, с;
– объѐмная магнитная восприимчивость компонентов, входящих в со-
став дизельного топлива.
Уточнена зависимость производительности МТА от расхода топлива:
0,1  р  1000  3600  G T  
Wч , га/ч
9550  N e  iтр  тр
q кр  ( mgf)
n e  rк,(4)
гдер– ширина захвата агрегата, м;
τ – коэффициент использования времени смены;
GT – часовой расход топлива, кг/ч;
qкр – удельный расхода топлива, г/кВт·ч;
Ne – мощность двигателя, кВт;
n – число оборотов коленвала двигателя, мин-1;
iтр – передаточное число трансмиссии;
ηтр – КПД трансмиссии;
m – масса трактора, кг;
f – коэффициент сопротивления качению.
Зависимость производительности МТА от магнито-химических свойств
топлива имеет вид:
м
чга/ч ,(5)

где V – скорость агрегата, км/ч;
В основу теории электромагнитной обработки топлива могут быть поло-
жены общие выводы из гомолитической теории строения нефтяных дисперс-
ных систем, в том числе дизельного топлива.
Для подтверждения данной теории необходимо было провести экспери-
менты по активации дизельного топлива устройством для электромагнитной
обработки с целью смещения радикального равновесия (вследствие рекомбина-
ционных процессов) с разрушением определенной части атомов, а соответ-
ственно молекул и их ассоциативов. Это активизирует последующий процесс
горения топлива в цилиндрах ДВС.
В третьей главе дана программа и приведены методики эксперименталь-
ных исследований активатора топлива, определения физико-химических пара-
метров дизельного топлива после омагничивания, описана экспериментальная
лабораторная установка для исследования воздействия активации дизельного
топлива на работу двигателя. Разработана методика оценки эксплуатационных
показателей работы МТА с использованием активированного топлива электро-
магнитной обработкой на операциях пахоты и посева.
На рисунке 1 представлены приборы и оборудование для изучения маг-
нитных свойств соленоида, который является основной частью устройства для
электромагнитной обработки дизельного топлива.

Рисунок 1 – Приборы и оборудование для измерения магнитной индукции
исследуемого соленоида:
1 – щуп миллитесламетра, 2 – миллитесламетр портативный универсальный
ТП2-2У, 3 – источник питания постоянного тока, 4 – соленоид,
5 – соединительные провода, 6 – магнитно-импульсный модулятор (МИМ)
Основой для определения электромагнитной индукции являлся милли-
тесламетр 2 портативный универсальный ТП2-2У. Измерение магнитной ин-
дукции выполнялось при помощи щупа миллитесламетра 1. Соленоид запиты-
вался от источника постоянного тока 3, при этом изменение параметров соле-
ноида и частота включения регулировались при помощи магнитно-импульсного
модулятора 6 типа МИМ.
Измерения магнитной индукции были проведены на всех образцах соле-
ноидов, изготовленных в процессе проведения экспериментов (рисунок 2). Бла-
годаря прибору МИМ с микросхемой типана выходе получали
сигнал с модифицируемой частотой и скважностью прямоугольной формы. Ча-
стота выключений устанавливалась от с 500 Гц до 200 кГц дискретно. МИМ
позволял корректировать скважность от 1% до 99% с интервалом в 1%. Схема
подключения МИМ позволяет независимо управлять восьмью соленоидами.
Рисунок 2 – Экспериментальные образцы соленоидов:
1 – соленоид с количеством витков 3000 шт. и выводом концов через каждые
1000 витков; 2, 3, 4 и 5 – соленоиды соответственно с 4000, 5000, 11000
и 6000 количеством витков
Для определения физико-химических параметров дизельного топлива, на
которое воздействовало устройство для электромагнитной обработки, исполь-
зованы некоторые положения методики Лоскутовой Ю.В., а также пикнометри-
ческий способ определения плотности согласно
ГОСТ 3900-85 «Нефть и нефтепродукты. Методы
определения плотности». Лабораторная проточная
установка для этого представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Лабораторная проточная
установка:
1 – ѐмкость для топлива; 2 – ареометр;
3 – термометр; 4 – штатив; 5 – запорная
арматура; 6 – хомуты; 7 – резиновые шланги;
8 – соленоид; 9 – соеденителные провода;
10 – МИМ, 11 – кювета для топлива

Топливо проходило из емкости 1 по резиновым
шлангам 7 через соленоид 8, обрабатываясь электро-
магнитным полем, после чего собиралось в пикнометр
2 объѐмом 100 мл (рисунок 4), затем помещалось в ве-
сы 1 (рисунок 4) марки ВА-33 для взвешивания.

Рисунок 4 – Приборы для определения плотности
дизельного топлива с помощью пикнометра:
1 – аналитические весы ВА – 33;
2 – пикнометр, 3 – подставка,
4 – блок питания весов
Стендовые исследования влияния электромагнитного воздействия на ди-
зельное топливо по определению мощностных, экономических и токсических
показателей работы тракторного дизеля проводили на экспериментальной уста-
новке, разработанной в лаборатории кафедры тракторов и автомобилей ГОУ
ЛНР ЛНАУ.
Испытания выполнялись на полноразмерном четырехтактном четырехци-
линдровом дизеле марки Д-65М. В состав стенда (рисунок 5) входили: двига-
тель 5, соединенный карданным валом с электродинамической нагрузочной
установкой 3 типа КИ-1363Б, автоматический расходомер 2 топлива АИР-50 с
погрешностью 0,5%, индикатор мощности 1 цифровой ИМД-Ц, магнитно-
импульсный модулятор 4 и соленоид 6.

Рисунок 5 – Лабораторная установка
на базе тормозного стенда:
1 – индикатор мощности цифровой ИМД-Ц;
2 – автоматический расходомер топлива
«АИР-50»; 3 – тормозной стенд КИ-1363 Б;
4 – магнитно-импульсный модулятор;
5 – дизельный двигатель Д-65М; 6 – устройство
для электромагнитной обработки топлива

Дымность отработанных газов измеряли
дымомером МЕТА-01 МП 0.1. Устройство для
электромагнитной обработки топлива устанав-
ливали в топливную систему дизеля между топливопроводом высокого давле-
ния и форсункой.
Опыты проводили по известной методике. Полевые опыты проведены в
соответствии с ГОСТ Р 52778-2007 «Испытания сельскохозяйственной техники.
Методы эксплуатационно-технологической оценки» и ГОСТ 25836-83 «Тракто-
ры и виды программных испытаний» на полях учебно-научного производ-
ственного аграрного комплекса Луганского НАУ при выполнении МТА вспаш-
ки, как наиболее энергоѐмкой операции по обработке почвы.
В состав установки для полевых испытаний (рисунок 6) входили: трактор
МТЗ – 80 с плугом ПЛН-3-35, расходомер топлива и другое измерительное
оборудование.

Рисунок 6 – Общий вид установки для полевых испытаний
Из-за отсутствия в университете тяговой лаборатории измерение тягового
сопротивления МТА с навесным плугом производили с использованием допол-
нительного трактора. В качестве тягового был испытуемый трактор, оборудо-
ванный системой активации топлива в первом варианте и без неѐ – во втором,
контрольном варианте. Второй трактор с навесным плугом был прицепным к
первому и использовался без включения передач. Между ними устанавливался
динамометр для определения усилия на крюке тягового трактора (тензометри-
рование исключалось из-за сложностей определения усилий в звеньях навески
плуга). Каждый опыт состоял из двух этапов: в первом протягивался МТА в
режим пахоты и по показаниям фотосъѐмки динамометра определяли усилие на
крюке первого (тягового) трактора. Затем на втором этапе плуг снимался и про-
тягивался в условиях перекатывания только второй трактор также с фиксацией
тягового сопротивления. По разнице этих двух показаний определяли тяговое
сопротивление на крюке испытываемого трактора.
В опытах производили замеры: ускорения, развиваемого двигателем; со-
противления рабочего орудия; расход горючего за опыт с помощью устройства
для определения расхода топлива. Измерялись также текущая скорость и прой-
дѐнный путь МТА на контрольной полосе, частота вращения коленчатого вала
двигателя, продолжительность эксперимента; порядковый номер передачи;
глубина обработки; почвенный фон и характеристики погодных условий.
В четвертой главе представлены результаты обработки и анализа экспе-
риментальных данных, полученных в исследованиях соленоида, активации ди-
зельного топлива в условиях лаборатории, испытаний дизельного двигателя
при использовании устройства для электромагнитной обработки дизельного
топлива и полевых опытов работы машинно-тракторного агрегата.
Составляющей частью активатора являлся конечный соленоид, представ-
ляющий собой цилиндр радиуса R и длины l, на поверхность которого намота-
ны N витков провода диаметром d, по которому пущен постоянный ток силой I.
График зависимости индукции магнитного поля B от координаты x на оси ко-
нечного соленоида B = f(x) представлен на рисунке 7.
Теоретическая кривая зависимости теор.(х) получена, пользуясь расчет-
ной формулой (6). По данным этого рисунка максимальное значение магнитной
индукции на оси соленоида при напряжении 24 и частоте 10000 Гц составило:
экспериментальное – 22,2 мТл, а теоретическое – 20,53 мТл или на 8% ниже.
Максимальное значение магнитной индукции было в средней части соленоида.
По краям поле соленоида уменьшалось, снижаясь в среднем на 22 – 25%.
25800 т.с.
y = -0,1137×2 + 1,3482x + 17,607
R² = 0,9442800 э.с.

205000 т.с.

5000 э.с.
10000 т.с.
В,мТл

10000 э.с.
Полиномиальная
(800 т.с.)
5Полиномиальная
(800 э.с.)
Полиномиальная
0(5000 т.с.)
Полиномиальная
-25 -20 -15 -10-50510152025
(5000 э.с.)
Отдаление щупа тесламетра от центра соленоидаПолиномиальная
на некоторое расстояние x, мм(10000 т.с.)

Рисунок 7 – График зависимости средних значений =f(х) по длине соленоида
при различных частотах отключения тока от его обмотки (в измерениях
по шкале щупа): т. . и э. . – теоретические и экспериментальные значения
Экспериментальные исследования процесса воздействия электромагнит-
ного поля на дизельное топливо проводили по методике, изложенной в разделе
3 работы. Установлено, что в результате воздействия на дизельное топливо пе-
ременным электромагнитным полем увеличивается температура его вспышки,
которая составляет 57С для соленоида с 6000 витками при напряжении 24
(на 9 градусов больше неактивированного топлива). Плотность топлива умень-
шается при этом на 0,6%, а кинематическая вязкость на 27,2% в сравнении с
топливом до активации. Достаточно сильно изменяется и его фракционный со-
став, увеличивая объѐм испаряемой части топлива с 78 до 86% от его общего
объѐма при температуре нагрева до 350С. Анализ полученных данных показал:
1. Увеличение температуры вспышки должно привести к более позднему
самовоспламенению модифицированного топлива в цилиндрах двигателя.
2. Уменьшение кинематической вязкости и плотности должно улучшить
распыление модифицированного топлива в форсунках и, следовательно, улуч-
шить смесеобразование в цилиндрах двигателя.
3. Изменение значений фракционного состава вызвало снижение содер-
жания в топливе наиболее тяжелых фракций, что обеспечит улучшение смесе-
образования в двигателе, повышение экономичности, уменьшение нагарообра-
зования и дымности отработанных газов.
Следовательно, все изменения физических характеристик дизельного
топлива могут способствовать повышению эффективности сгорания его, а в ре-
зультате улучшению показателей работы дизельного двигателя (рисунок 8).
Рисунок 8 – Совмещѐнная скоростная характеристика двигателя Д-65Н
с регуляторной ветвью до и после применения устройства
для электромагнитной обработки дизельного топлива
В процессе исследований работы дизельного двигателя при использова-
нии устройства для активации топлива электромагнитной обработкой установ-
лено положительное влияние такого топлива на мощностные и топливно-
экономические показатели его. Получены скоростная и нагрузочная характери-
стики двигателя, показавшие увеличение мощности на 3,5 кВт и крутящего
момента на 15,6 %, уменьшение удельного расхода топлива в среднем на 16,6
%, и дымности отработанных газов на 16,7 – 18,8 %.
Это позволило задать определѐнные рациональные параметры для даль-
нейшей проверки работы дизельной энергетической установки мобильного
энергетичского средства с устройством для электромагнитной обработки мо-
торного топлива перед сгоранием его в составе машинно-тракторного агрегата
применительно к эксплуатационным хозяйственным условиям.
В качестве операции обработки почвы была выбрана вспашка, так как она
является наиболее энергоѐмкой. Как и раньше эксперименты состояли из двух
серий: с применением устройства для электромагнитной обработки топлива и
без него.
Без применения устройства для электромагнитной обработки топлива пе-
ред сгоранием полевой эксперимент на операции вспашки проводился с глуби-
ной обработки почвы 20 м на рабочей скорости Vp р= 7-8 км/ч с шириной за-
хвата плуга ПЛН-3-35, равной 1,05 м. Передаточное число трансмиссии на пя-
той передаче составляло ітр=51,27, коэффициенты сопротивления качению по
стерне f=0,07, использования времени смены τ=0,85 и полезного действия
трансмиссии ηтр=0,881057 были приняты по справочным источникам.
С применением устройства для активации топлива электромагнитной об-
работкой перед сгоранием полевой эксперимент проводился уже на более вы-
сокой скорости (до Vpср= 8,5 км/ч) при той же глубине вспашки 20 см и ши-
рине захвата плуга ПЛН-3-35. Масса трактора и указанные выше коэффициен-
ты оставались неизменными.
Анализ полученных данных показал, что применение устройства для ак-
тивации топлива электромагнитной обработкой позволяет снизить удельный
расход топлива на 20,5 г/к тч и увеличить крюковую мощность МТА на 5
к т. Совокупность этих результатов обеспечила повышение производительно-
сти МТА на 0,122 га/ч или на 7,87%.
В пятой главе представлены результаты экономической и энергетиче-
ской оценки эффективности использования МТА с устройством для активации
дизельного топлива электромагнитной обработкой перед сгоранием в двигате-
ле. В сравнении с базовым МТА, работающим на стандартном топливе, новый
показал годовой экономический эффект около 29 тыс. руб., при этом эксплуа-
тационные затраты на вспашке снижаются почти на 30 тысяч рублей в год или
на 73,74 руб./га при сроке окупаемости капвложений 0,29 года.
Энергозатраты на единицу выполненных работ с применением устрой-
ства для электромагнитной обработки дизельного топлива снизились на 2,37
Дж/га. За счѐт снижения вредных выбросов при работе пяти таких МТА воз-
можно также получение потенциального экологического эффекта на сумму
около 6 тысяч рублей в год.
В приложении представлена методика инженерного расчѐта устройства
для активации дизельного топлива электромагнитной обработкой, приведены
промежуточные материалы обработки экспериментальных данных, вспомога-
тельные таблицы и копии актов внедрения результатов работы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненной работы
1. Повысить эффективность использования энергосиловых установок ма-
шинно-тракторных агрегатов можно за счет применения устройства для элек-
тромагнитной обработки дизельного топлива путѐм его энергонасыщения. Мо-
дифицирование электромагнитными полями эксплуатационных свойств угле-
водородного топлива является одним из перспективных путей повышения эф-
фективности и экологичности тепловых ЭУ МТА.
2. Установлено, что активацию топлива в целях более эффективного ис-
пользования в ДВС, применяемых в тракторах машинно-тракторных агрегатов,
и повышения эксплуатационных и экологических характеристик их необходи-
мо выполнять непосредственно перед сгоранием в цилиндрах двигателя.
3. Получены расчѐтные зависимости для определения магнитной индук-
ции, создаваемой устройством для электромагнитной обработки дизельного
топлива, что позволило установить существенное влияние на его плотность,
молекулярную массу и молярную (химическую) магнитную восприимчивость.
4. Разработана математическая модель (2.71) работы МТА, оборудован-
ного устройством для активации топлива электромагнитной обработкой перед
сгоранием, в зависимости от часового и удельного расхода топлива, мощности
и частоты вращения двигателя, передаточного числа и КПД трансмиссии, мас-
сы трактора и коэффициента сопротивления качению.
5. Экспериментально установлено, что для активации топлива перед сго-
ранием в ЭУ МТА наиболее приемлемым является устройство в виде соленои-
да, имеющего следующие параметры: внешний радиус R2= 0,025 м, внутренний
радиус R1= 0,01 м, длина l=0,05 м, количество витков 6000 с возможностью
подключения через каждые 500 витков, обеспечивающими магнитную индук-
цию 22,2 мТл при силе тока I=0,3 А и напряжении U=24 В. При этом в системе
активации топлива целесообразно наличие функции отключения тока от обмот-
ки соленоида с частотой отключения 10000Гц.
6. Работа МТА с использованием активированного топлива сопровожда-
ется сокращением удельного расхода топлива на 18,04 – 20,49 г/га и ростом
эффективной мощности двигателя почти на 5 к т. Совокупность этих резуль-
татов повышает производительность машинно-тракторного агрегата на пахоте в
среднем на 0,122 га/ч.
7. Определено, что при сжигании активированного дизельного топлива,
выделяется в среднем на 16,7 – 18,8 % меньше вредных выбросов в атмосферу,
чем при сжигании не активированного.
8. В сравнении с базовым пахотным МТА в составе трактора МТЗ-80 и
плуга ПЛН-3-35 усовершенствованный при работе на активированном топливе
позволяет получить годовой экономический эффект около 29 тысяч рублей и
снизить эксплуатационные затраты на топливо при вспашке почти на 30 тысяч
рублей в год или на 73,74 руб./га при сроке окупаемости дополнительных кап-
вложений 0,29 года. Потенциальный годовой экологический эффект от ис-
пользования пяти МТА может составить около 6 тысяч рублей. Удельные
энергозатраты при этом сокращаются на 2,37 МДж/га.
Рекомендации производству
Хозяйствам различных форм собственности целесообразно использова-
ние предложенной конструкции устройства для электромагнитной обработки
дизельного топлива перед сгоранием в тракторах в составе МТА на всех опера-
циях сельскохозяйственного производства.
Конструкторским организациям рекомендуется использовать полученные
математические модели работы МТА при проектировании систем питания к
двигателям тракторов применительно к работе МТА в условиях различных хо-
зяйств и методику расчѐта их конструкции и показателей эксплуатации.

Перспективы дальнейшей разработки темы
Целесообразны дальнейшие всесторонние теоретические и экспериментальные
исследования процессов активации других видов топлива применительно к
энергетическим установкам сельскохозяйственного назначения.