54 Khoa học & Công nghệ - Số 29/Tháng 3 - 2021

(1)

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG MỨC GA CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL ĐẾN NĂNG SUẤT VÀ CHI PHÍ NHIÊN LIỆU RIÊNG

CỦA LIÊN HỢP MÁY KÉO

Vũ Xuân Trường*, Nguyễn Năng Minh,Nông Văn Vìn Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên

* Tác giả liên hệ: [email protected] Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 15/09/2020

Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 11/11/2020 Ngày bài báo được duyệt đăng: 15/12/2020 Tóm tắt:

Bài báo giới thiệu một phương pháp nghiên cứu lý thuyết-thực nghiệm về sự ảnh hưởng của mức ga động cơ diesel đến năng suất và chi phí nhiên liệu riêng của các liên hợp máy kéo khi làm việc trên đồng ruộng. Cơ sở của phương pháp là dựa trên đường đặc tính ngoài thực nghiệm của động cơ kết hợp phương pháp tính toán lý thuyết để xây dựng các đường đặc tính cục bộ của động cơ diesel, từ đó nghiên cứu ảnh hưởng mức ga động cơ đến năng suất và chi phí nhiên liệu riêng của liên hợp máy. Đây là một vấn đề còn mang tính thời sự trong chuyên ngành. Phương pháp đã được áp dụng thử cho liên hợp máy kéo MTZ-80 với cày chảo CD-7-20. Các kết quả nghiên cứu có thể tham khảo khi nghiên cứu khai thác có hiệu quả các liên hợp máy máy kéo nông nghiệp tại Việt Nam.

Từ khóa: năng suất liên hợp máy kéo, đặc tính động cơ đốt trong, bộ điều tốc động cơ, định mức tiêu hao nhiên liệu máy kéo.

1. Đặt vấn đề

Năng suất W_h[ha/h] và chi phí nhiên liệu riêng g_C[kg/ha] của các liên hợp máy kéo (LHM) là những chỉ tiêu quan trọng dùng để đánh giá hiệu quả sử dụng LHM trên đồng ruộng. Các chỉ tiêu này phụ thuộc phức tạp vào nhiều yếu tố như đặc điểm kết cấu của LHM, điều kiện đồng ruộng, yêu cầu công nghệ, kỹ thuật và tổ chức khai thác. Vì thế, mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm nâng cao năng suất W_h và giảm chi phí nhiên liệu riêng g_C song vẫn còn những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu [2]. Trong đó cần tiếp tục nghiên cứu khai thác tốt các chế độ sử dụng động cơ diesel vì hầu hết các máy kéo nông nghiệp đều sử dụng động cơ diesel với bộ điều tốc ly tâm mọi chế độ [2], [4].

Trong công trình này giới thiệu một phương pháp nghiên cứu lý thuyết-thực nghiệm về sự ảnh hưởng của mức ga (chế độ cung cấp nhiên liệu) của động cơ diesel đến năng suất và chi phí nhiên liệu riêng của LHM nhằm góp phần bổ sung những cơ sở khoa học để khai thác có có hiệu quả các LHM kéo nông nghiệp.

2. Xây dựng mô hình liên hợp máy kéo làm đất bằng cày chảo

2.1. Lựa chọn mô hình nghiên cứu

Trong thực tế, các liên hợp máy kéo làm việc trong các môi trường biến đổi phức tạp với lực cản thay đổi ngẫu nhiên và do đó quá trình chuyển động là các quá trình động lực học. Để đơn giản hoá mô hình nghiên cứu chúng tôi sử dụng một số giả thiết sau:

- Coi lực cản của LHM là đại lượng không thay đổi trong quá trình chuyển động;

- Liên hợp máy chuyển động ổn định (V=

const) trên mặt đồng bằng phẳng;

- Sử dụng máy kéo một cầu chủ động 4x2, động cơ diesel với bộ điều tốc ly tâm mọi chế độ;

Liên hợp máy làm đất bằng cày chảo có thể mô hình hoá như Hình 1.

Mô hình nghiên cứu gồm 5 phần tử: (1) Động cơ; (2) Hệ thống truyền lực; (3) Hệ thống di động;

(4) Cày chảo; (5) Điều kiện sử dụng.

(2)

2.2. Xác định các thành phần của mô hình 2.2.1. Mô hình động cơ

Động cơ máy kéo là nguồn năng lượng cung cấp cho LHM thực hiện các công nghệ trên đồng ruộng. Khả năng cung cấp năng lượng của động cơ được thể hiện rõ nét trên đường đặc tính tốc độ hoặc đường đặc tính tải trọng của động cơ. Đó là mối quan hệ đồ thị giữa mô men M_e, công suất N_e, chi phí nhiên liệu giờ G_e và suất tiêu hao nhiên liệu g_e với tốc độ quay của động cơ n_e.

Các quan hệ toán học giữa các thông số:

- Công suất động cơ:

1,047. .10 4 [ ]

e e e

N = M n ⁻ kW

- Suất tiêu hao nghiên liệu:

103 [ / . ]

e e e

g G g kW h

= N

Như vậy để xây dựng đường đặc tính động cơ chỉ cần xác định hai thông số M_e= f(n_e) và G_e=f(n_e), từ đó sẽ xây dựng được đường cong N_e=f(n_e) và g_e=f(n_e).

Đối với các động cơ diesel sử dụng bộ điều tốc ly tâm mọi chế độ, đường đặc tính tốc độ có dạng như Hình 2.

Trên nhánh tự điều chỉnh, bộ điều tốc hoạt động và tự động điều chỉnh lượng cung cấp nhiên liệu theo sự thay đổi của tải trọng ngoài (M_Ce), các đường đặc tính chi phí nhiên liệu giờ G_e=f(n_e), mô men M_e=f(n_e), N_e=f(n_e) là các quan hệ tuyến tính.

Trên nhánh quá tải, bộ điều tốc không hoạt động, lượng cung cấp nhiên liệu chỉ phụ thuộc vào tốc độ quay n_e, các đường đồ thị là các đường cong phi tuyến.

Trên đường đặc tính động cơ thường được biểu thị một số thông số đặc trưng:

- Các thông số đặc trưng ở chế độ danh nghĩa (hay chế độ định mức): Công suất danh nghĩa N_eH=N_emax, mô men quay danh nghĩa M_eH, chi phí nhiên liệu giờ danh nghĩa G_eH, tốc độ quay danh nghĩa n_eH.

- Các thông số đặc trưng ở chế độ không tải:

tốc độ chạy không cực đại n_emax, chi phí nhiên liệu giờ chạy không G_e0.

- Các thông số đặc trưng cho khả năng vượt tải: Mô men quay cực đại M_emax, tốc độ quay n _eM.

- Thông số đặc trưng cho tính tiết kiệm nhiên liệu: suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất g_emin và tốc độ quay tương ứng n_egemin.

min

nege n_eH n_e_max n_e 0

Me

Ne

Ge

ge

max

e eH

N ≡N

MeH

GeH

0

Ge max

Me

neM min

ne

min

ge

Nhánh quá tải

Nhánh điều chỉnh Me

Ne

ge

Ge

β

Hình 2. Đường đặc tính của động cơ diesel Ge

Me

MCe

ωe

ωk

Mk

MCT P_C

V Pk

ϕ _f ^G^e ^h^c ^K^C

Wh

gC

BC

iT

Động cơ

Truyền lực Di động

ĐK sử dụng

Cày chảo kga

Hình 1. Mô hình liên hợp máy làm đất bằng cày chảo

(3)

Khi thay đổi mức ga động cơ ta sẽ nhận được các đường đặc tính cục bộ (hay đường đặc tính riêng phấn). Dạng của đồ thị như Hình 3.

Hình 3. Các đường đặc tính cục bộ của động cơ diesel với bộ điều tốc mọi chế độ

Đường đặc tính ngoài nhận được khi sử dụng mức ga cực đại (các đường màu đỏ, nét đậm), đường đặc tính cục bộ nhận được khi sử dụng mức ga nhỏ hơn mức ga cực đại (các đường màu xanh, nét mảnh). Theo các kết quả thí nghiệm [3], [5], khi thay đổi các mức ga khác nhau cho thấy: góc dốc b của nhánh tự điều chỉnh M_e=f(n_e) gần như là không thay đổi, còn nhánh quá tải có thể chấp nhận là trùng nhau; các điểm chi phí nhiên liệu giờ chạy không G_e0, G_e0(i), … nằm trên một đường thẳng 0D nghiêng một góc }.

Để lượng hoá các chế độ cung cấp nhiên liệu, ở đây sử dụng một đại lượng trung gian gọi là mức ga và được xác định theo công thức sau:

max

100 [%]

gai eHi eH

k n

= n (1) Trong đó: n_eHmax – số vòng quay định mức của đường đặc tính ngoài;

n _eHi – số vòng quay định mức của đường đặc tính riêng phần với mức ga k_ga(i).

Trên Hình 3, trục biểu diễn mức ga k_ga được xác định k_gamax= 100% tương ứng với chế độ cung cấp nhiên liệu cực đại, khi đó số vòng quay định mức cũng đạt cực đại n_eH = n_eHmax.

Mức ga nhỏ nhất k_gamin tương ứng với chế độ cung cấp nhiên liệu nhỏ nhất, ứng số vòng quay ổn định nhỏ nhất có thể n_emin.

Mô hình toán học của động cơ:

Các đặc tính động cơ phụ thuộc phức tạp vào nhiều yếu tố, do đó việc xây dựng đường đặc tính thường chỉ được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm. Tuy nhiên, các đường đặc tính thực nghiệm cũng có thể được biểu diễn bằng các hàm hồi quy thực nghiệm để tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình nghiên cứu lý thuyết.

a. Đối với đường đặc tính ngoài

Tuỳ theo sự phân bố các số liệu thực nghiệm, hàm mô men M_e = f(n_e) và hàm G_e= f(n_e) có thể chọn dạng hàm bậc 2 hoặc bậc 3. Trong công trình này chúng tôi sử dụng hàm bậc 3.

- Mô men động cơ:

3 2

3 2 1 0 min

1 0 max max

e e e e e eH

e e eH e e

a n a n a n a khi n n n

M b n b khi n n n

 + + + < <

= 

+ ≤ <



(2) - Chi phí nhiên liệu giờ:

3 2

3 2 1 0 min

1 0 max max

e e e e e eH

e e eH e e

c n c n c n c khi n n n

G d n d khi n n n

 + + + < <

= 

+ ≤ <



(3) Trong đó: a_i, b_i, c_i, d_i là các hệ số hồi quy thực nghiệm.

b. Đối với các đường đặc tính cục bộ

Việc xây dựng các đường đặc tính cục bộ được thực hiện theo các bước sau:

- Cho trước mức ga k_ga(i) = X% (X ≥ k_gamin) - Tính số vòng quay định mức n_eHi:

n_eHi =X n. _eH_max (4) - Tính mô men định mức:

3 2

3 2 1 0

eHi eHi eHi eHi

M =a n +a n +a n +a (5) - Tính số vòng quay cực đại:

max eHi

e i eHi M

n n

tgβ

= + (6) - Mô men động cơ ứng với tốc độ quay bất kỳ trong khoảng [n_emin : n_emaxi]

3 2

3 2 1 0 min

1 0 max

e e e e e eHi

e e eHi e e i

a n a n a n a khi n n n

M b n b khi n n n

 + + + < <

= 

+ ≤ <



(7)

(4)

- Chi phí nhiên liệu giờ ứng với tốc độ quay bất kỳ trong khoảng [n_emin : n_emaxi]:

3 2

3 2 1 0 min

1 0 max

e e e e e eHi

e e eHi e e i

c n c n c n c khi n n n

G d n d khi n n n

 + + + < <

= 

+ ≤ <



(8) 2.2.2. Phần tử truyền lực

Với hộp số cơ học, các thông số của phần tử truyền lực tham gia vào mô hình LHM là tỷ số truyền i_T và hiệu suất cơ học h_m. Có thể chọn h_m = 0,85 – 0,9.

2.2.3. Phần tử hệ thống di động

Đối tượng nghiên cứu là loại máy kéo 4x2 với cầu chủ động là cầu sau, mô hình bánh xe chủ động cầu sau như Hình 4.

Hình 4. Mô hình bánh xe chủ động Trong đó:

M_k - mô men chủ động được truyền từ động cơ đến;

P_k – lực kéo tiếp tuyến:

k e T m

k k k

M M i

P r r

= = η (9) G_k – tải trọng pháp tuyến;

Z_k – phản lực pháp tuyến;

P_fk – lực cản lăn.

Phản lực Z_k được xác định dựa trên mô hình động lực học máy kéo như Hình 5.

Hình 5. Các lực tác dụng lên máy kéo

.( ) _{C m}.

k G L a P h

Z L

− +

= (10) Trong đó: P_C – lực cản của cày chảo

Phương trình cân bằng lực theo phương chuyển động: P_k = P_fn + P_fk + P_C (11) Độ trượt của bánh xe chủ động được xác định theo công thức:

ln _k / _k

A B

C P Z δ=

− (12) Trong đó: A, B, C là các hệ số thực nghiệm.

Vận tốc chuyển động của máy kéo:

0,377 ^{k e}. (1 )

T

V r n

i δ

= − (13) 2.2.4. Phần tử máy công tác (Cày chảo)

Phần tử máy công tác trực tiếp thực hiện công nghệ làm đất, cụ thể là cày chảo. Các thông số đặc trưng cho phần tử này là cản P_C, năng suất LHM W_h, chi phí nhiên liệu riêng g_C. Giá trị của các thông số có thể được tính toán theo các công thức sau:

- Lực cản máy cày P_C:

C C c. . c

P =K h B (14) K_C – lực cản riêng của cày chảo; h_c – độ sâu cày; B_c – bề rộng làm việc của cày.

Theo [1] ở đồng bằng Sông Hồng có thể chọn 40 80 kN/m2

KC = ÷ , h_c =12 15÷ cm.

- Năng suất thuần tuý của LHM cày (chỉ tính theo thời gian thực hiện cày đất):

W_h =0,1. .B V_C [ha/h] (15) B_C – bề rộng làm việc của cày chảo [m]; V – vận tốc LHM [km/h].

- Chi phí nhiên liệu riêng của LHM:

[ / ]

C e h

g G kg ha

=W (16) G_e – chi phí nhiên liệu giờ [kg/h]; W_h – năng suất giờ [ha/h].

3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận 3.1. Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Máy kéo MTZ-80 do Liên Xô sản xuất liên hợp với cày chảo CD -7-20 do Viện Cơ điện nông nghiệp và CNSTH sản xuất.

Theo số liệu khảo nghiệm [2], đường đặc tính ngoài thực nghiệm của động cơ D240 lắp trên máy

(5)

kéo MTZ-80 thể hiện trên Hình 6 và các thông số kỹ thuật chính được trình bày trên Bảng 1.

Bảng 1. Đặc tính kỹ thuật của máy kéo MTZ-80 và cày chảo CD -7-20 [2]

Thông số kỹ thuật Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Công suất N_emax kW 56,5

Số vòng quay khi công

suất cực đại n_eH v/ph 2229

Mô men cực đại M_max Nm 306

Số vòng quay khi mô

men cực đại n_eM v/ph 1311

Số vòng quay cực đại n_emax v/ph 2406 Chi phí nhiên liệu giờ

định mức G_emax kg/h 15.1

Chi phí nhiên liệu giờ

chạy không cực đại G_e0 kg/h 5.1 Trọng lượng sử dụng

máy kéo G N 32700

Chiều dài cơ sở L m 2,37

Khoảng cách từ trọng

tâm đến cầu sau a m 0,735

Bán kính bánh xe chủ

động r_k m 0,72

Trọng lượng cày G_C N 4250

Bề rộng làm việc B_C m 1,4

Hình 6. Đường đặc tính ngoài của động cơ D240 [2]

3.2. Thuật giải

Dựa trên các quan hệ toán học từ công thức (1) đến (16) đã xây dựng thuật giải trên phần mềm Matlab 2015 với các số liệu đầu vào là các thông số kỹ thuật của máy kéo MTZ-80 và cày chảo CD -7-20.

Tóm tắt thuật giải:

Cho trước lực cản riêng của cày K_C, độ sâu cày h_c, tỷ số truyền i_T và mức ga k_ga(i)= X%.

1. Tính lực cản cày: P_c = K_C.h_c.B_c [N]

2. Tính phản lực pháp tuyến:

.( ) _{C m}.

k G L a P h

Z L

− +

= [N]

3. Tính lực kéo tiếp tuyến: P_k = f G P. + _C [N]

4. Tính độ trượt máy kéo:

_ln

k / k

A B

C P Z δ=

−

5. Tính mô men cản của động cơ:

_{k k}.

Ce T m

M P r i η

= [Nm]

6. Kiểm tra nếu mô men cản M_Ce≥M_e_maxthì dừng tính toán vì quá tải động cơ

7. Tính góc dốc của nhánh tự điều chỉnh b và góc nghiêng } của đường 0D

8. Tính các thông số đặc trưng của đường đặc tính cục bộ ứng với mức ga k_ga(i) đã cho: n_eHi, M_eHi, n_emax,G_eHi, G_e0i

9. Tính tốc độ quay của động cơ n_e ứng với mức ga k_ga(i) và mô men cản M_Ce:

+ Nếu M_Ce ≤M_eHi:

eHi Ce

e eHi M M

n n

tgβ

= + − [v/ph]

+ Nếu M_eHi <M_Ce <M_e_max: n_e được xác định từ phương trình:

3 2

3 _e 2 _e 1 _e 0 _Ce 0

a n +a n +a n +a −M = với n_e∋[n_e_min,n_eHi]

10. Tính vận tốc thực tế của LHM:

.

0,377 ^{k e} (1 )

T

V r n

i δ

= − [km/h]

11. Tính năng suất thuần tuý của LHM:

W_h =0,1. .B V_C [ / ]ha h 12. Tính chi phí nhiên liệu riệng:

_C ^e [ / ]

h

g G kg ha

=W

Tiếp tục thay đổi mức ga trong khoảng k_ga = [k_gamin : 100] sẽ xây dựng được đồ thị ảnh hưởng của mức ga đến các chỉ tiêu làm việc của LHM (W_h, g_C, V, G_e).

(6)

Theo thuật giải trên chúng tôi đã lập trình trên phần mềm Matlab 2015 để khảo sát quy luật ảnh hưởng của mức ga đến các chỉ tiêu làm việc của LHM kéo MTZ-80 với cày chảo CD -7-20.

3.3. Một số kết quả minh hoạ

Do hạn chế trang in, ở đây chỉ trình bày một số kết quả minh hoạ thể hiện trên Hình 7.

Qua các kết quả trên Hình 7 có thể đưa ra một số nhận xét sau:

1- Vận tốc V, năng suất W_h và chi phí nhiên liệu giờ G_e tăng tỷ lệ thuận với mức ga X.

2- Chi phí nhiên liệu riêng đạt cực tiểu g_Cmin trong khoảng mức ga từ 80 đến 90%, tuy nhiên giá trị g_Cmin không chênh nhiều so với mức ga cực đại.

3- Tăng độ sâu cày h_c (Hình 7a, b hoặc Hình 7c,d) các chỉ tiêu V, W_h, G_e và g_C đều tăng .

4- Tăng lực cản riêng K_C (Hình 7a, c hoặc Hình 7b, d) các chi chỉ tiêu V, W_h và g_C đều tăng.

Các kết quả trên phản ánh đúng quy luật vật lý. Qua nhiều phương án khảo sát (không trình bày ở đây), chương trình còn cho phép kiểm tra giới hạn kéo tải của động cơ, từ đó có thể lựa chọn được số truyền làm việc hợp lý hoặc dự đoán trước loại LHM này chỉ có thể làm việc được trong điều kiện nào.

4. Kết luận

Qua các kết quả nghiên cứu có thể rút ra một số kết luận sau:

- Mô hình nghiên cứu đã thể hể hiện được tương đối đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất và chi phí nhiên liệu riêng của LHM. Các kết quả thử nghiệm trên LHM máy kéo MTZ-80 với cày chảo CD - 7-20 đã phản ánh đúng quy luật vật lý và có thể xem như một minh chứng cho độ tin cậy của phương pháp nghiên cứu.

- Ttrường hợp mô men cản M_Ce<M_eH của đường đặc tính ngoài thì có thể sử dụng mức ga đến 100%, tuy nhiên để tiết kiệm nhiên liệu nên sử dụng mức ga khoảng từ 80 đến 90%.

- Trường hợp M_eH < M_Ce < M_emax thì chỉ có thể sử dụng mức ga nhỏ hơn 100%.

- Phương pháp nghiên cứu này có thể sử dụng tham khảo khi nghiên cứu thiết kế và lựa chọn chế độ khai thác hợp lý các LHM kéo trong nông nghiệp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo: Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng mô hình lý thuyết để có thể đưa ra các kết luận chuẩn xác hơn và đánh giá phạm vi ứng dụng của mô hình lý thuyết.

Hình 7. Ảnh hưởng mức ga đến các chỉ tiêu làm việc của LHM

(7)

Tài liệu tham khảo

[1]. Lê Thính, Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu của liên hợp máy làm đất lúa vùng đồng bằng Sông Hồng – Luận văn thạc sĩ KHKT - Trường ĐHNN I – Hà Nội, 1993.

[2]. Nông Văn Vìn, Nghiên cứu cải thiện các tính chất hoạt động của máy kéo nông nghiệp ở đồng bằng Sông Hồng - Đề tài cấp Bộ, mã số B2001-32-08, 2003.

[3]. Nông Văn Vìn, Nghiên cứu cải tiến máy kéo nông nghiệp để làm việc trên đất dốc lâm nghiệp - Đề tài khoa học và công nghệ cấp Nhà nước, mã số KC-07-26-01, 2005.

[4]. V.V. Guskov, N.N. Velev, Tractors - Theory, Mashnostoenie Publishing House, Moscow, 1988.

[5]. L. Iliev, V. Kostov, D. Pilev, Gorivni Urebi and Automatically Controlled on Gorene Engines, Ed.

“Tenika” - Sofia, 1985.

STUDYING ON THE IMPACT OF CHARGE FUEL LEVEL FOR DIESEL ENGINE TO PRODUCTIVITY AND SPECIFIC FUEL CONSUMPTION ON TRACTOR COMPLEXES Abstract:

The paper introduces a theoretical-empirical research methodology on the impact of diesel engine throttle on the productivity and specific fuel consumption of tractor complexes when working in the field.

The basis of the methodology is based on the experimental characteristic curve of the engine combining the theoretical calculation method to build the local characteristic roads of the diesel engine, thereby studying the influence of engine fuel level to productivity and specific fuel consumption of the machine complex.

This is a topical issue in the industry. The methodology has been tested for the combination of the MTZ-80 tractor and CD-7-20 plow. The research results can be referenced when studying effectively exploiting the combination of agricultural tractors in Vietnam.

Keywords: Tractor combined productivity, internal combustion engine characteristics, engine governor, tractor fuel consumption norms.