Двигатели за селскостопански машини

Съвременните насоки за усъвършенстване на селскостопанските машини-трактори и комбайни, се основават на повишаване на тяхната производителност чрез увеличаване на енергийната им наситеност. Установено е, че енергийното насищане се осигурява с увеличаване на мощността на силовия двигател на колесните машини до 600 к.с. По този начин се увеличава продължителността на работа и степента на използване на селскостопанската машина. 
В статията ще разкажем за особеностите на тракторни и комбайнови дизелови двигатели, за усъвършенстване на конструкцията на буталните дизелови двигатели, за иновационната европейска система за намаляване емисиите от дизелови двигатели на селскостопанските машини-SCR.

Текст: списание АгроБио Техника

Основният тип двигател на съвременните трактори и комбайни, е четиритактовият дизел, тъй като има високи стойности на въртящия момент при ниски честоти на въртене и висока ефективност. На свръхлеките градински и тревни трактори се използват бензинови двигатели, а на свръхмощните-газови турбини. Има и трактори с електрически мотори(за работа в затворени пространства), които получават електричество чрез кабелни проводници. Дизеловите двигатели с въздушно охлаждане без компресор с мощност до 50 к. с. се използват широко при леки трактори с тягов клас до 1tf(тон-сила). Такива двигатели са с опростено устройство, доста евтини, не са взискателни към качеството на горивата и смазочните материали и са компактни. Техните недостатъци, са сложността на регулиране на топлинния режим, повишен шум и големи енергийни загуби за задвижването на вентилатора. На по-тежките трактори, както и при комбайните, се използват дизелови двигатели с течно охлаждане.

Особености на тракторни и комбайнови дизелови двигатели

Основна част от конструкцията на тракторния и комбайновия двигател е картера, който обикновено е чугунена или алуминиева отливка със сложна форма. Той обслужва цилиндровите втулки, лагерите на коляновия вал и лагерите на частите на газоразпределителния механизъм. Долната част на картера е затворена с маслена тава, която може да бъде монтирана или носеща. В предната част на блок-картера, се намира задвижването на газоразпределителния механизъм и спомагателните системи. Задната част на картера е свързана с трансмисионните модули. Двигателите с въздушно охлаждане нямат нито един картер. Техните цилиндри са отделни, подвижни, с ребра на радиатора от външната страна за да се подобрява разсейването на топлината. Главата на цилиндрите на дизеловия двигател, обикновено е отливка от алуминиева сплав, но може да бъде и чугунена. В главата на цилиндъра са разположени клапани и други части на газоразпределителния механизъм, газообменни канали, сглобките на инжекторите за гориво. В допълнение, главата на цилиндрите може да побере горивната камера, която е от неразделен или разделен тип. Главите на цилиндрите на двигателите с въздушно охлаждане са индивидуални и имат външен радиатор, а на двигателите с течно охлаждане-обикновено са общи за няколко цилиндъра и имат вътрешни канали за циркулация на охлаждащата течност.

Коляновият механизъм на тракторния и комбайновия двигател, не се различава съществено от подобен възел на автомобилен двигател. Поради факта, например че двигателите на трактора се форсират не според честотата на въртене, а според средното налягане на цикъла, буталото на двигателя на трактора възприема по-големи сили от налягането на газовете и по-малки инерционни сили в сравнение с автомобила. Следователно буталата на тракторните двигатели обикновено са чугунени, въпреки че алуминиевите бутала са широко представени в съвременните модели трактори. Буталата на мощните тракторни двигатели, както и на комбайните се охлаждат принудително с масло. Коляновите валове на двигателите са напълно опорни, т. е. те се поддържат във всяка основна шийка. Като опори се използват, смазани под налягане плъзгащи лагери. Най-често срещани са коляновите валове от кована стомана, но са открити и сглобяеми. Дизеловите двигатели обикновено имат редови или V-образнo разположени цилиндри. Редовото разположение на цилиндрите е характерно за трактори за междуредова обработка на културите, тъй като те трябва да имат възможно най-малка ширина, за да работят в междуредия. При други видове трактори V-образните двигатели са намерили широко приложение, тъй като са по-компактни от редовите и имат по-къс и следователно по-твърд колянов вал.

Тракторните двигатели обикновено имат по-малко цилиндри от автомобилните двигатели със същата работна вместимост и по-ниско съотношение на диаметъра на цилиндрите към хода на буталото, т. е. двигателите на тракторите са с по „дълги ходове“. Това се дължи на по-ниската честота на въртене и необходимостта от получаване на по-голям въртящ момент. Напоследък обаче се наблюдава тенденция към увеличаване на честотата на въртене на коляновия вал в тракторните двигатели и основните им съотношения се доближават до стойностите, типични за автомобилните двигатели. Механизмът за разпределение на газ в тракторните двигатели, има малка разлика от аналогичния механизъм на автомобилните двигатели. Тракторните двигатели се характеризират с използването на механизъм с разположение на клапани в главата на цилиндъра, и разпределителен вал в картер с предаване на движение посредством съединителни пръти и кобилици.

Системата за смазване на тракторните и комбайновите двигатели обикновено, е комбинирана. Лагерите на коляновия вал и разпределителния вал се смазват под налягане, а останалите двойки на триене, се смазват с разпръскване. Обикновено системата за смазване има една помпа и маслена баня(вана) в картера. Мощните трактори обаче имат двигатели със „сух картер“, където маслото от картера се засмуква от специална помпа и се подава в резервоар за масло, в който се утаява и се освобождава от пяната. „Сухият картер“ е системно по-сложен, но осигурява значително по-дълъг живот на маслото, тъй като последното е изложено на негативните ефекти от топлината и картерните газове за значително по-кратко време. За пречистване на маслото в съвременните тракторни и комбайнови дизелови двигатели се използват хартиени филтри от автомобилни типове, и комбинирани системи за пречистване. Термичните натоварвания върху маслото в двигателите селскостопанските машини са значително по-високи, отколкото при автомобилните двигатели, така че маслото им трябва да се охлажда. За това в системата за смазване се използват маслени радиатори или охлаждани с въздух оребрени повърхности на долния картер, или резервоари. При новите типове трактори, поради използването на висококачествени масла, способни да работят при повишени температури, e възможно да липсват маслените радиатори.

Системата за подаване на въздух на тракторните и комбайнови двигатели трябва да осигурява висока ефективност на неговото пречистване, тъй като тракторите и комбайните работят в условия на повишен прашен въздух със замърсяване от остатъци на растения, листа и насекоми. Например, въздухо-пречиствателите за тракторните двигатели са многостепенни. Първата степен осигурява премахването на най-големите частици-купчини, зелени растения, насекоми. Тя се прави под формата на метален мрежест цилиндър, въртящ се с висока честота. Възникващите по време на въртенето центробежни сили не позволяват на големите частици да се утаяват върху решетката. Втората степен премахва значителна част от праха. За това се използват циклонни прахоуловители. Значителното количество прах, събрано от тях, изисква автоматизиране на процеса на пречистване, като се предпочита да не се спира двигателя на трактора. За целта обикновено се използва ежекционна система(система за изхвърляне), която използва енергията на отработените газове-прахът от дъното на очистващия апарат се засмуква в изпускателната система и се отстранява през изпускателната тръба. Третата степен осигурява окончателно пречистване на въздуха, като се използват сухи хартиени филтри.

Тракторните и комбайновите двигатели са оборудвани с турбокомпресор, който може значително да увеличи мощността на двигателя при ниски честоти на въртене. В допълнение, използването на регулиран турбокомпресор осигурява постоянна мощност на двигателя в широк диапазон на честотата на въртене на коляновия вал. Такива двигатели се наричат „двигатели с постоянна мощност“. Използването им позволява значително опростяване на трансмисията чрез намаляване броя на предавките и улесняване на работата на водача. В сегашно време, двигателите с постоянна мощност се използват широко на трактори от всички класове.

Горивната система на тракторните и комбайнови двигатели няма съществени особености. Състои се от горивни филтри, подаваща помпа, горивна помпа с високо налягане (инжекционна помпа), дюзи и регулатор. Нарастващите изисквания към ефективността и екологичната съвместимост на тракторите водят до използването на по-сложни горивни системи с електронен контрол на количеството впръсквано гориво и времето за впръскване. Електронната система за управление на съвременния трактор дозира подаването на гориво, отчитайки действителното пълнене на цилиндрите с въздух, големината и тенденцията на промени в натоварването на двигателя, скоростта и тяговото усилие на трактора, както и редица други фактори.

Дизеловите тракторни двигатели могат да се стартират по различни начини-с електрически стартер, стартиращ бензинов двигател(трактори, работещи в студен климат), сгъстен въздух, инерционен стартер с ръчно задвижване. Напоследък, във връзка с подобряването на стартовите качества на дизеловите двигатели и увеличаването на енергийната интензивност на акумулаторните батерии, производството на тракторни двигатели, оборудвани с бензинов стартов двигател, намалява. Мощността на дизеловия двигател на селскостопанските трактори обикновено надвишава 500к. с. и достига до 600к. с. По-нататъшното му увеличаване е свързано с неоправдано увеличаване на масата на трактора, което ще доведе до увеличаване на специфичното налягане върху почвата и няма да позволи реализиране на основното предимство на енергийно наситения трактор-висока работна скорост. Подобрените технологии за обработване на почвата позволяват ефективно да се използват по-мощни селскостопански трактори. Важен резерв за увеличаване на енергийната наситеност на тракторите, е използването на газови турбини с ниско специфично тегло. Например, в САЩ се произвеждат газотурбинни трактори с мощност до 700к. с.

Усъвършенстване на конструкцията на буталните дизелови двигатели

Основните недостатъци на конструкцията на буталните дизелови двигатели с вътрешно горене са значителните променливи натоварвания, което е пречка за увеличаване на скоростта, компактността и намаляване на теглото, достатъчната сложност на конструкцията, високото неравномерно въртене на коляновия вал на двигателя. Труден старт при ниски температури на околната среда, високи изисквания за качеството на горивото и смазочното масло, токсичност на продуктите от горенето, скъпи системи за неутрализация на отработени газове. Високи изисквания за пречистване на въздуха, относителна трудност при извършване на поддръжка и ремонт. Следователно основните тенденции за подобряване на конструкцията на съвременните дизелови двигатели с вътрешно горене са увеличаване на мощността, намаляване на теглото и разхода на гориво, както и намаляване на вибрационното натоварване. Най-добрите резултати за намаляване на токсичността на отработените газове и увеличаване на мощността, се получават чрез използване на инжекционни системи за директно впръскване на гориво в дизелови двигатели-„Common Rail“.

Повишаване на мощността и въртящия момент на литровия двигател може да се постигне чрез използване на турбокомпресори, механични нагнетатели или предварително охлаждане на прясното въздушно всмукване на входа. Използването само на турбокомпресор, има един съществен недостатък, т. нар. „турбояма“, т. е. при нестабилни честоти на въртене на коляновия вал, не е възможно да се постигнат високи налягания на нагнетявания въздух, и съответно значително увеличаване на мощността. Елиминирането на този недостатък е възможно чрез използване на механичен нагнетател, паралелно с турбокомпресор. При ниски обороти на коляновиая вал, нагнетяването се осигурява от компресор, задвижван от коляновия вал или от електродвигател. От 2400r/min към компресора се включва и турбокомпресор, който след 3500r/min работи самостоятелно.

Изпълнението на такава схема на впръскване на въздух позволява да се увеличи мощността с 1,6 пъти. Възможна е и схема, като се използва само „електрическо нагнетяване“. Турбината се върти до 225 000r/min от електродвигател, управляван от електронен модул(ускоряването от 0 до 150 000r/min, е 0,3s). Ако компресорът се задвижва от електродвигател, при движение с постоянна скорост той преминава в режим на генератор и по този начин спестява до 2% гориво. Енергията на отработените газове може да се използва и за задвижване на електрически генератор, управляван от електронен блок. Тази енергия е достатъчна, за да завърти генератора до 100 000r/min, при който мощността му достига 8kW, това е напълно достатъчно за захранване на електрическата мрежа на трактора. Такъв генератор ще намали разхода на гориво с 11%. За да се намали токсичността на отработените газове от азотни оксиди, сега широко се използва система за рециркулация на отработени газове-Еxhaust gas recirculation-EGR, когато част от отработените газове-от 18 до 25%, навлизат обратно в цилиндрите.

За да се осигури оптимална работа на двигателя с такава схема за подаване на свежо газово всмукване, се използва предварително охлаждане, както на атмосферния въздух, така и на рециркулиращите отработени газове. Но колкото по-чисти трябва да бъдат изгорелите газове, толкова по-интензивно отработените газове трябва да се охлаждат за рециркулация. Чрез подаване на по-ниска концентрация на кислород в димните газове при дизеловите „EGR“- системи, се постига по-ниска температура на горене и намаляване на емисиите от азотни оксиди. Това прави горенето по-малко ефективно и увеличава производството на сажди. За съответствие с изискванията на съвременните екологични стандарти за токсичност и пушливост на отработените газове, в дизеловите двигатели на трактори и комбайни, се монтират саждови филтри, т. е. филтри за твърди частици. Филтърът натрупва върху повърхността си сажди, които периодично се „изгарят“ поради впръскването на допълнителна порция гориво директно в изпускателния колектор. Степента на годност на филтъра за работа се оценява въз основа на сензори, данните от които се обработват от централен микропроцесор. Това са данни за температурата и налягането в изпускателната система, като при необходимост се дава команда за почистване на филтъра.

Иновационна европейска система за намаляване емисиите от дизелови двигатели на селскостопанските машини-SCR

С появата на Европейските екостандарти „STAGE-4“ и „STAGE-5“ е създадена нова система за намаляване на емисиите от дизеловите двигатели на селскостопанските машини-SCR-Selective Catalytic Reduction-селективна каталитична редукция. Основната цел на този подход е разграждането на азотните оксиди в отработените газове на трактора и комбайна до безвредни съединения-газообразен азот, водна пара и въглероден диоксид. Този метод е много ефективен, но изисква въвеждането в конструкцията на двигателя с вътрешно горене на допълнителни възли и нов разходен материал-разтвор на карбамид с търговско наименование „AdBlue“. „AdBlue“ е течен разтвор, състоящ се от 2 компонента-карбамид(32-33%) и вода, пречистена от соли(66-67%). За работата на системата може да се използва и амоняк, но използването на амоняк в транспортни средства противоречи на изискванията за тяхната безопасна експлоатация, тъй като той е силна отрова.

Търговската марка „AdBlue“ е собственост на Асоциацията на автомобилната индустрия на Германия (VDA). Изискванията за качество се определят от международния стандарт „ISO22241“, в Германия-„DIN70070“, „AUS 32“-в някои страни, и „DEF“-в Северна Америка. Течният разтвор има температура на кристализация 11-12°С, поради което за него е монтиран отделен резервоар със син капак и вграден нагревател. За изпразване на линията за подаване на карбамида, течната помпа на дозиращия модул се включва в обратна ротация, но дори и разтворът да замръзне, то след връщането си в течната фаза, не губи свойствата си. Най-благоприятната температура за „AdBlue“ е от 0 до 10°С, тъй като при такива условия се поддържа максималния срок на годност. При по-високи температури срокът на годност може да бъде намален 2 пъти. Системата се състои от отделен резервоар за разтвор на карбамид, модул за дозиране, инжектор за инжектиране на работна течност, нагревателно устройство за свързващи линии и резервоар, керамичен катализатор в изпускателната тръба, електрическо оборудване.

Принципът на работа на „SCR“, е прост. Работната течност (разтвор на карбамид с деминерализирана вода) се инжектира чрез пулверизатор в изпускателния тракт пред катализатора, загрява се от контакта с отработените газове и след това навлиза в катализатора, където при високи температури протичат такива процеси, като термично разлагане на карбамида до амоняк и изоцианова киселина, разлагане на изоциановата киселина на амоняк и въглероден диоксид, редуциране на азота от азотни оксиди при температура от 260°C, възстановяване на азота вече при 240°C. По този начин азотните оксиди се превръщат в безвредни азот и водни пари.