利用可变几何技术实现农用车发动机节能降耗分析

2023-09-19周晓强黑中垒

农机使用与维修 2023年9期

周晓强,黑中垒

(黄河交通学院,河南焦作 454950)

0 引言

农业作为国民经济中的支柱产业之一,对农用车的依赖程度非常高。发动机则是农用车的核心组成部分,其性能的好坏将直接影响到农用车的使用效率、使用寿命和经济效益[1-2]。然而,目前市场上大多数农用车发动机仍然采用传统的设计结构,如固定几何结构的涡轮增压器和进气道等,该结构的缺陷导致燃油浪费和能量损失,增加了生产成本,同时对环境造成了严重污染。因此,如何提高农用车发动机的效率、降低燃油消耗和减少污染排放,已经成为当前亟待解决的问题[3]。

随着科技的不断发展和进步,可变几何技术逐渐应用于汽车和航空发动机等领域,并在节能降耗方面取得了显著效果[4-6]。可变几何技术是指通过改变某些组件的几何形状或尺寸,来优化流体的流动状态和压力分布,从而提高发动机的效率和性能[7]。例如,可变几何涡轮增压器可以根据发动机负载和转速的变化,自动调节涡轮叶轮的几何形状和转速,以最大限度地提高涡轮增压器的效率,从而提高发动机的动力输出和经济性。同样,可变几何进气道可以根据空气流量和进气温度的变化,自动调节进气道的截面积和长度,以最大限度地提高进气效率和燃烧效率。

因此,本文探讨如何将可变几何技术应用于农用车发动机,以优化发动机的性能,提高发动机的效率,并减少燃油消耗和污染排放。

1 可变几何技术的原理

可变几何技术的原理是根据工作条件实时调整机械结构的几何形状,以适应不同的工作负载和运行状态,从而优化机械系统的性能和能效。可变几何技术的实现基于先进的控制系统和智能材料技术,通常包括传感器、执行器、控制器和可变形材料等组成部分。传感器用于测量机械系统的工作状态和环境条件,执行器用于调整机械结构的几何形状,控制器用于根据传感器的信号和预设算法实时调整执行器的动作,可变形材料用于实现机械结构的形状变化[8]。

例如,在可变几何涡轮增压器中,涡轮叶片通常由智能材料制成,可以根据控制器发出的指令改变叶片角度和面积,从而实现涡轮转子的调整。在可变几何进气道中,进气道的截面积和长度可以通过调节活塞和导向板等部件的位置和角度来实现。

可变几何技术的原理相对简单,但其实现需要涉及多个学科和领域,包括机械设计、控制工程、智能材料、传感器技术和计算机科学等。在实际应用中,需要根据具体的工作条件和系统需求选择适合的可变几何技术方案,并进行详细的设计和实验验证。

2 农用车发动机的节能降耗问题分析

农用车作为重要的农业生产工具之一,承担着农作物种植、收割等重要任务。然而,在农用车的使用过程中,发动机的能源消耗占据了重要比重,成为制约其节能降耗的主要因素。因此,对农用车发动机节能降耗问题进行深入分析具有重要意义。

首先,农用车的使用环境特殊,经常需要在恶劣的道路条件和复杂的地形环境下行驶,这就对发动机性能提出了更高要求。同时,农用车工作负荷较大,长时间高负荷运转容易导致能源浪费和损耗。

其次,当前农用车发动机技术水平和燃油质量参差不齐,一些老旧设备和低端产品存在燃油效率低、污染大等问题,导致了能源浪费和环境污染。

针对上述问题,可变几何技术可以提供一种有效的解决方案。通过对发动机进气道、排气道、燃油供给等部件的动态调整,可以使发动机在不同负荷下保持最佳工作状态,实现能源的高效利用和降耗。此外,可变几何技术还可以根据不同工作环境和要求,提高发动机性能和适应性,进一步降低能源消耗和环境污染。

3 基于可变几何技术的农用车发动机设计方案

3.1 可变几何进气道设计

可变几何进气道设计是一种将发动机进气道进行优化设计的技术。其原理是通过控制进气道的形状和尺寸,以适应不同工况下发动机运行状态,从而实现优化燃烧和提高燃油利用率的目的。

传统的发动机进气道设计一般采用定形进气道,其尺寸和形状固定,不能根据工况变化自适应地调整。而可变几何进气道则可以通过改变进气道的形状和尺寸,以适应不同的工况,从而优化燃烧和提高燃油利用率。

本研究可变几何进气道设计方案具体包括以下几个方面:

1)进气道的形状设计。可变几何进气道采用可变长度、可变截面等设计,以适应不同工况下的进气需求。

2)进气道的控制系统设计。可变几何进气道的控制系统需要能够实时检测发动机的运行状态,并根据不同工况调整进气道的形状和尺寸。控制系统采用电子控制系统,并通过传感器、执行器等实现调节。

3)进气道的材料选择。进气道的材料需要具备良好的耐高温、耐腐蚀和耐磨损性能,以保证长期稳定运行。本研究使用的材料为高温合金。

3.2 智能控制系统设计

3.2.1 控制算法设计

智能控制系统需要通过控制算法实现对发动机的智能控制。本研究控制算法采用模糊控制方法,以适应不同的控制需求。控制算法需要能够对发动机的运行状态进行实时监测和识别,以实现精准控制,本研究控制算法部分程序如图1所示。该程序使用了skfuzzy库来实现模糊控制,通过实时监测和识别发动机的运行状态,包括转速、负荷和温度等,然后根据设定的模糊集合和规则来计算燃油喷射率和点火时机的调整量,最终优化发动机的性能和燃油效率。

图1 模糊控制方法部分程序示意图

3.2.2 控制系统硬件设计

智能控制系统的硬件设计包括传感器、执行器、控制器等部分。传感器可以用于测量发动机的运行状态,如转速、温度、压力等。执行器可以用于控制发动机的各个部分,如进气道、燃油系统等。控制器可以用于实现控制算法的计算和控制命令的输出。

3.2.3 控制系统软件设计

智能控制系统的软件设计需要实现控制算法的计算和控制命令的输出。软件设计需要考虑实时性、可靠性、灵活性等因素,并通过仿真和测试等方法进行验证和优化。

4 测试结果与分析

4.1 试验方法

1)设计测试方案,确定测试的工况和范围;

2)安装基于可变几何技术的农用车发动机,并连接相关测试设备;

3)在不同工况下,对农用车发动机的功率和燃油消耗进行测试;

4)根据测试结果进行数据分析和处理,比较与传统发动机的性能差异。

4.2 试验设计

1)选择一款标准农用车作为测试对象,保证测试环境的一致性;

2)将传统农用车发动机和基于可变几何技术的农用车发动机进行对比测试;

3)在同一测试工况下,记录农用车的速度、转速、功率和燃油消耗等参数;

4)分别进行静态测试和动态测试,以验证发动机在不同工况下的性能表现;

5)根据测试结果对发动机进行优化设计,并重新进行测试,以进一步验证性能表现。

4.3 结果与分析

基于可变几何技术的农用车发动机测试结果如表1所示,结果表明,试验组的发动机在所有工况下的功率和油耗均优于对照组。这说明采用可变几何技术的设计方案在降低油耗的同时也能保证足够的动力输出;其次,在试验组中,随着工况的增加,发动机的转速和功率均有所增加。这是由于在高负荷工况下,发动机需要提供更多动力输出来完成任务;最后,在对照组中,虽然功率和油耗的变化趋势与试验组相似,但是数值均低于试验组。