Для харківських тракторів дуже актуальним питанням є глибока модернізація із заміною двигуна.
Сьогодні, коли в аграрія є можливість вибору двигуна для свого трактора, постає питання: «А які характеристики повинен мати цей двигун?» Сільгоспвиробника як замовника насамперед цікавить потужність, економічність та надійність двигуна. Є запас потужності — агрегат впишеться у вимоги до технологічного комплексу, що потребує підвищеного тягового зусилля трактора.
Якщо порівнювати мінський і ярославський двигуни тракторів, то відзначимо, що потужність Д-260.4 сягає 210 к.с., ЯМЗ-236М2 — 180 к.с. Звісно, запас потужності — то добре. Проте потужність двигуна є величиною непостійною і напряму залежить від обертів його колінчастого валу. Іншими словами, на низьких обертах в роботі двигуна використовується далеко не вся потужність, а тільки деяка її частина. Так, при розгоні агрегата або при підвищенні навантаження, коли оберти знижуються менше від номінальних, може виявитися, що двигун «не тягне». Причина — у недостатньому крутному моменті. Саме крутний момент забезпечує високі тягові якості трактора. Від характеру його зміни залежно від частоти обертання колінчастого вала залежать експлуатаційні показники як трактора, так і машинно-тракторного агрегата в цілому.
Крутний момент є величиною, що визначає, наскільки швидко двигун може набрати максимальну потужність. Саме ця величина характеризує динаміку його розгону. Як і потужність, максимальний крутний момент вказується для конкретних обертів двигуна. При цьому важливим параметром є не так величина крутного моменту, як оберти, за яких він досягається.
Чим раніше досягається максимум крутного моменту і чим більш полого зменшується крива його зміни мірою збільшення обертів (тобто двигун має незмінну тягу), тим краще спроектований і працює двигун. При збільшенні навантаження (наприклад, при розгоні агрегата, або під час руху на підйом) оберти зменшуються, а крутний момент зростає, і трактор без перемикання передач долає навантаження.
Проте отримати такий двигун, що має достатній запас потужності, високі оберти та ще й стабільний крутний момент в широкому діапазоні частоти обертання, непросто. Саме на це направлено застосування регульованого наддуву та різних систем регулювання впорскування палива, налаштування випускної системи і ряд інших заходів. З двох двигунів однакового літражу і потужності переважає той, в якого більший запас крутного моменту, тобто більше відношення максимального крутного моменту до моменту при максимальній потужності. За інших рівних умов такий двигун менше зношуватиметься, працюватиме з меншим шумом і менше витрачатиме палива, а також забезпечить меншу кількість перемикань передач під час роботи трактора.
У провідних двигунобудівних підприємствах світу протягом багатьох років працюють над підвищенням запасу крутного моменту дизелів тракторів. Поліпшення цього показника сприяє підвищенню продуктивності машинно-тракторних агрегатів, зниженню витрати палива, спрощенню трансмісії, підвищенню зручності управління трактором. Якщо перефразувати вислів Керола Шелбі на нашу тему, то отримаємо: «Кінські сили продають трактор, а на полі перемагає крутний момент».
Стендові дослідження крутного моменту
Випробуваннями, проведеними в УкрНДІ прогнозування і випробування техніки і технологій для сільгоспвиробництва ім. Л. Погорілого, встановлено, що номінальний коефіцієнт запасу крутного моменту дизеля Д-260.4 становить 24%, а ЯМЗ-236Д3 — лише 15%. У двигуна ЯМЗ-236Д3 зона обертів, що забезпечує потужність, близьку до максимальної, порівняно невелика і в разі підвищення навантаження переходить на коректорну гілку регуляторної характеристики. Дизель при цьому працює з перевантаженням, з вихлопної труби йде чорний дим, а у поршневій групі інтенсивно відкладаються смолисті речовини. Довго працювати на такому режимі не можна — двигун просто вийде з ладу. У мінського дизеля коефіцієнт запасу крутного моменту більший, і саме тому про нього кажуть: «Працює, не відчуваючи навантажень».
З метою отримання достовірної інформації нами були проведені комплексні аналітико-експериментальні дослідження в реальних умовах експлуатації. Відомо, що потужність та економічність двигуна залежать від кількості палива, що подається до циліндра, та повноти його згоряння, а також від механічних втрат в поршневій групі та у двигуні в цілому. Для вирішення цієї проблеми у повітряному тракті двигуна Д 260.4 встановлений турбокомпресор, що забезпечує наддування повітря в циліндри з метою підвищення густини повітря і вмісту кисню в одиниці об’єму, що гарантує повне згоряння дизпалива. Турбокомпресор працює за рахунок енергії відпрацьованих газів, яка становить близько 30% від загальної енергії, що виділяється при згорянні палива. У безнаддувних двигунах вона втрачається, а в турбокомпресорі деяка її частина використовується для роботи. Оскільки розміри поршневої групи залишаються незмінними, то і механічні втрати на тертя практично не збільшуються, а залишаються на попередньому рівні. Саме ці фактори насамперед забезпечують підвищення потужності і економічності двигуна.
Двигун, обладнаний турбокомпресором, має високу питому потужність і крутний момент. Застосування трубонаддуву дозволяє досягти заданих характеристик силового агрегата при менших габаритах і масі, ніж у разі застосування «атмосферного двигуна». Звідси випливає ще один важливий наслідок: у турбодвигуна краща паливна економічність. Адже він компактніший і навіть при однаковій потужності з «атмосферним двигуном» ефективно витрачає паливо. У нього менші тепловіддача, насосні втрати і відносні втрати на тертя. Економії палива сприяє і вищий крутний момент за низьких частот обертання колінчастого вала. Крім того, в турбодвигуна кращі екологічні показники.
Наддув у камеру згоряння також веде до зниження температури і зменшення утворення оксидів азоту. У таких дизелях додаткова подача повітря дозволяє змістити межу виникнення димності, тобто боротися з викидами частинок сажі. Не було б наддуву, відомі проблеми просто закрили б дизелям дорогу в майбутнє. Дизелі без наддуву насилу дотягують до норм «Євро-2».
Особливістю конструкції турбокомпресора дизеля Д-260.4 є його оснащення регульованим тиском наддуву. Застосування регульованого турбокомпресора забезпечує дію закону зміни тиску наддуву по швидкісній характеристиці двигуна і запобігає надмірному підвищенню частоти обертання ротора турбокомпресора на режимі максимальної потужності. У цій конструкції використовується система регулювання, яка функціонує шляхом автоматичного перепуску частини відпрацьованих газів повз турбіну. Регулювання їх кількості виконується автоматично за допомогою клапана тарілчастого типу з діафрагмовим виконавчим механізмом, встановленим безпосередньо на корпусі турбіни. Стиснення повітря, що нагнітається турбокомпресором до циліндрів, неминуче веде до його нагріву. Густина гарячого повітря менша, ніж холодного, тож фактично (за масою) в циліндри його потрапляло б не так багато, як могло б потрапити холодного.
Приблизні розрахунки свідчать, що зниження температури наддувного повітря на 10 °С підвищує його густину приблизно на 3%. Це, у свою чергу, збільшує потужність двигуна приблизно на такий самий відсоток. Тому охолодження повітря на 33 °С збільшить потужність приблизно на 10%. У результаті нагнітання і охолодження повітря тиск в циліндрах збільшується і потужність зростає на 15…20%.
Інтеркулерами-охолоджувачами і турбокомпресорами обладнують більшість дизелів, що виробляють за кордоном для тракторів і зернозбиральних комбайнів. Саме використання турбокомпресорів з охолоджувачами забезпечує високі техніко-економічні показники двигунів і зменшує на 20—30% витрату палива на номінальних навантаженнях на відміну від їх безнаддувних аналогів.
Зниження ступеня стискання в дизеля Д-260.4 до 15 і зменшення розмірів турбіни покращують типово слабкі сторони двигуна з турбонаддувом: збільшують крутний момент за низьких частот обертання колінчастого вала і скорочують час виходу на новий режим роботи за різкого прискорення. Обидва ці чинники для двигуна з наддувом в експлуатаційних умовах мають велике значення — таке саме, як і досягнення високої питомої потужності.
Для трактора, як багатоцільової машини, з метою підвищення його експлуатаційних показників особливо важливо, щоб система подачі повітря забезпечувала високий ККД на експлуатаційних режимах. Прискорене підвищення тиску наддуву при збільшенні частоти обертання колінчастого вала двигуна Д-260.4 відбувається завдяки порівняно малому моменту інерції ротора турбокомпресора, оскільки турбокомпресор має малу розмірність. Внаслідок прискорення надходження повітря в камеру згоряння при роботі на перехідних режимах забезпечується повнота згоряння палива і зменшується його витрата.
Для поліпшення показників трактора потрібно, щоб дизель якомога менший проміжок часу працював на несталих режимах зі зміною потужності і частоти обертання. Ця проблема значною мірою вирішена на дизелі Д-260.4, в якого за високої прийомистості двигуна скорочується тривалість роботи на перехідних режимах при зміні частоти обертання колінчастого вала. Скорочення тривалості роботи на перехідних режимах відбувається також і за збільшення пристосовності, оскільки у разі збільшення опору руху трактора підвищується крутний момент, що розвивається двигуном, і зростає сила тяги трактора. У разі використання на тракторах інших двигунів, що мають менше значення коефіцієнта пристосовності, під час збільшення опору руху відбувається значне зниження частоти обертання, тож потрібне часте перемикання передач, що пов’язано зі збільшенням тривалості роботи на перехідних режимах. Під час роботи двигуна на перехідних режимах знижується його паливна економічність в порівнянні з паливною економічністю на сталих режимах, оскільки порушується оптимальне співвідношення між окремими параметрами. Тому скорочення тривалості роботи на цих режимах підвищує в цілому економічність роботи трактора або комбайна.
Отже, застосування турбокомпресора на двигуні забезпечує:
– за рахунок високої ефективності компресора і турбіни турбокомпресора — високу питому потужність двигуна;
– за рахунок оптимальної системи регулювання — паливну економічність;
– за рахунок оптимального співвідношення витрати повітря і палива на всіх режимах від холостого ходу до номінального — низький рівень викидів токсичних компонентів на всіх режимах роботи;
– за рахунок малих діаметрів робочих коліс — зменшення динамічного опору; малий момент інерції в поєднанні з оптимальною системоюрегулювання забезпечує додаткову подачу повітря на динамічних режимах;
– за рахунок регулювання наддуву — підвищення крутного моменту двигуна та зміщення його в зону низьких частот обертання колінчастого вала;
– за рахунок додаткової подачі повітря на режимах розгону, коли у двигунів з нерегульованими турбокомпресорами відбувається недостатня подача повітря, — зменшення димності відпрацьованих газів.
Результати випробувань
З метою визначення реальних параметрів двигуна Д-260.4 на тракторі ХТА-200 виконано незалежні його випробування в лабораторіях УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого. Як засвідчили ці випробування та практичний досвід експлуатації тракторів у господарствах, трактор типу ХТЗ-170 з двигуном Д- 260.4 за день витрачає менше палива у порівнянні з таким самим, обладнаним двигуном ЯМЗ-236М2. Реальна економія при виконанні однакових робіт під навантаженням становить до 40—60 літрів дизельного палива (табл.).
Таблиця. Результати стендових випробувань двигунів ЯМЗ-236Д3 і Д-260.4
|
Параметри при регламентованій номінальній частоті обертання колінчастоговала |
ЯМЗ-236Д3 |
Д-260.4 |
|
Експлуатаційна потужність кВт (к.с.) |
123,6 (168,1) |
144,6 (196,7) |
|
Номінальна частота обертання колінчастого вала, хв—1 |
2122 |
2106 |
|
Погодинна витрата палива, кг/год. |
32,3 |
31,4 |
|
Питома витрата палива, г/кВт·год. (г/к.с.·год.) |
261 (192) |
226 (166) |
|
Крутний момент, Н·м |
556,4 |
813 |
|
Номінальний коефіцієнт запасу крутного моменту, % |
15 |
24 |
За результатами польових досліджень роботи двигунів отримано показники, що підтверджують стендові випробування. Так, при агрегатуванні трактора Т-150К, оснащеного двигуном ММЗ Д-260.4, з важкою бороною УДА-З.8 (масою 3,25 т) якісно виконується технологічний процес, а витрата палива становить 5,5 л/га. Такий самий трактор із встановленим ЯМЗ-236М2 витрачає 7,7 л/га.
За зміну трактор, оснащений двигуном ЯМЗ-236М2, з бороною УДА-3,1 обробляє 18—22 га, а з двигуном ММЗ Д-260.4 за той самий термін — 30—34 га. При застосуванні трактора Т-150К з двигуном ММЗ Д-260.4 на оранці в агрегаті з важким оборотним п’ятикорпусним плугом, розрахованим на енергозасіб потужністю від 200 к.с., витрата палива становить 17—18 л/га. А в такого самого трактора з двигуном ЯМЗ-238 (240 к.с.) — 24 л/га при однакових швидкостях оранки.
Досвід уніфікації і тенденції розвитку світового тракторобудування свідчать про те, що принципи створення тракторів з різними двигунами та уніфікацією шасі усередині сімейства тракторів цього тягового класу (уніфікація по «горизонталі») може вирішити проблему підвищення ефективності експлуатації існуючих в Україні тракторів за рахунок їх модернізації та отримати конструкції, що відповідають сучасним вимогам.
У результаті типових випробувань тракторів ХТЗ-170та ХТА-200, оснащених двигуном Д-260.4, встановлено, що двигун за конструкційними параметрами задовільно ув’язується з трансмісією трактора. Компонування двигуна в підкапотному просторі задовільна. Незручності під час обслуговування двигуна не виникають. Двигун забезпечує показники потужності відповідно до вимог ТУ, відповідає за показниками паливної економічності. Двигун має допустиму витрату оливи на вигоряння — 0,3% (за ТУ — 0,4%). Система охолодження забезпечує потрібний тепловий режим роботи двигуна. Рівень шуму в кабіні трактора на встановлених режимах роботи дизеля не перевищує допустиму величину відповідності до вимог ГОСТ 12.1.003.
Висновки
Трактори виробництва ХТЗ серій Т-150, Т-150К, ХТЗ-160, ХТЗ-170 сьогодні, як і раніше, залишаються основними мобільними енергетичними засобами, здатними виконувати найбільш енергоємні механізовані роботи з оптимальним співвідношенням затрати/прибуток. Але для підтримання необхідних експлуатаційних показників наявних тракторів потрібна їх глибока модернізація із заміною двигуна. При цьому важливо досягти технічного рівня, не нижчого за рівень кращих аналогів. При виборі двигуна слід звертати увагу не тільки на його потужність і економічність, а й на запас крутного моменту, оскільки саме він забезпечує високі тягові якості трактора та потрібну динаміку розгону. Крім того, важливо, щоб двигун мав незмінну тягу в широкому діапазоні частот обертання колінчастого вала, а оберти, за яких він досягає свого максимального крутного моменту, досягались якомога швидше.
При виборі з ряду двигунів однакового літражу і потужності перевагу слід віддавати тому, в якого більший запас крутного моменту, тобто більше відношення максимального крутного моменту до моменту при максимальній потужності. Щоб отримати потрібну характеристику двигуна щодо потужності, економічності та запасу крутного моменту, треба, щоб він був обладнаний насамперед турбонаддувом та проміжним охолоджувачем повітря (інтеркулером). Причому турбокомпресор повинен регулюватися і мати малу розмірність, що дозволить забезпечити дію закону зміни тиску наддуву по швидкісній характеристиці двигуна і запобігти надмірному підвищенню частоти обертання ротора турбокомпресора на режимі максимальної потужності.
Віктор Погорілий, заступник директора
УкрНДІ прогнозування і випробування техніки і технологій для сільгоспвиробництва ім. Л. Погорілого
Микола Макаренко, доцент
Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. П. Василенка
журнал “The Ukrainian Farmer”, січень 2011 року
The Ukrainian Farmer
