利用可變幾何技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)用車發(fā)動機節(jié)能降耗分析

周曉強,黑中壘

(黃河交通學(xué)院,河南 焦作 454950)

0 引言

農(nóng)業(yè)作為國民經(jīng)濟中的支柱產(chǎn)業(yè)之一,對農(nóng)用車的依賴程度非常高。發(fā)動機則是農(nóng)用車的核心組成部分,其性能的好壞將直接影響到農(nóng)用車的使用效率、使用壽命和經(jīng)濟效益[1-2]。然而,目前市場上大多數(shù)農(nóng)用車發(fā)動機仍然采用傳統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu),如固定幾何結(jié)構(gòu)的渦輪增壓器和進氣道等,該結(jié)構(gòu)的缺陷導(dǎo)致燃油浪費和能量損失,增加了生產(chǎn)成本,同時對環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。因此,如何提高農(nóng)用車發(fā)動機的效率、降低燃油消耗和減少污染排放,已經(jīng)成為當(dāng)前亟待解決的問題[3]。

隨著科技的不斷發(fā)展和進步,可變幾何技術(shù)逐漸應(yīng)用于汽車和航空發(fā)動機等領(lǐng)域,并在節(jié)能降耗方面取得了顯著效果[4-6]。可變幾何技術(shù)是指通過改變某些組件的幾何形狀或尺寸,來優(yōu)化流體的流動狀態(tài)和壓力分布,從而提高發(fā)動機的效率和性能[7]。例如,可變幾何渦輪增壓器可以根據(jù)發(fā)動機負(fù)載和轉(zhuǎn)速的變化,自動調(diào)節(jié)渦輪葉輪的幾何形狀和轉(zhuǎn)速,以最大限度地提高渦輪增壓器的效率,從而提高發(fā)動機的動力輸出和經(jīng)濟性。同樣,可變幾何進氣道可以根據(jù)空氣流量和進氣溫度的變化,自動調(diào)節(jié)進氣道的截面積和長度,以最大限度地提高進氣效率和燃燒效率。

因此,本文探討如何將可變幾何技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)用車發(fā)動機,以優(yōu)化發(fā)動機的性能,提高發(fā)動機的效率,并減少燃油消耗和污染排放。

1 可變幾何技術(shù)的原理

可變幾何技術(shù)的原理是根據(jù)工作條件實時調(diào)整機械結(jié)構(gòu)的幾何形狀,以適應(yīng)不同的工作負(fù)載和運行狀態(tài),從而優(yōu)化機械系統(tǒng)的性能和能效。可變幾何技術(shù)的實現(xiàn)基于先進的控制系統(tǒng)和智能材料技術(shù),通常包括傳感器、執(zhí)行器、控制器和可變形材料等組成部分。傳感器用于測量機械系統(tǒng)的工作狀態(tài)和環(huán)境條件,執(zhí)行器用于調(diào)整機械結(jié)構(gòu)的幾何形狀,控制器用于根據(jù)傳感器的信號和預(yù)設(shè)算法實時調(diào)整執(zhí)行器的動作,可變形材料用于實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)的形狀變化[8]。

例如,在可變幾何渦輪增壓器中,渦輪葉片通常由智能材料制成,可以根據(jù)控制器發(fā)出的指令改變?nèi)~片角度和面積,從而實現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)子的調(diào)整。在可變幾何進氣道中,進氣道的截面積和長度可以通過調(diào)節(jié)活塞和導(dǎo)向板等部件的位置和角度來實現(xiàn)。

可變幾何技術(shù)的原理相對簡單,但其實現(xiàn)需要涉及多個學(xué)科和領(lǐng)域,包括機械設(shè)計、控制工程、智能材料、傳感器技術(shù)和計算機科學(xué)等。在實際應(yīng)用中,需要根據(jù)具體的工作條件和系統(tǒng)需求選擇適合的可變幾何技術(shù)方案,并進行詳細(xì)的設(shè)計和實驗驗證。

2 農(nóng)用車發(fā)動機的節(jié)能降耗問題分析

農(nóng)用車作為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具之一,承擔(dān)著農(nóng)作物種植、收割等重要任務(wù)。然而,在農(nóng)用車的使用過程中,發(fā)動機的能源消耗占據(jù)了重要比重,成為制約其節(jié)能降耗的主要因素。因此,對農(nóng)用車發(fā)動機節(jié)能降耗問題進行深入分析具有重要意義。

首先,農(nóng)用車的使用環(huán)境特殊,經(jīng)常需要在惡劣的道路條件和復(fù)雜的地形環(huán)境下行駛,這就對發(fā)動機性能提出了更高要求。同時,農(nóng)用車工作負(fù)荷較大,長時間高負(fù)荷運轉(zhuǎn)容易導(dǎo)致能源浪費和損耗。

其次,當(dāng)前農(nóng)用車發(fā)動機技術(shù)水平和燃油質(zhì)量參差不齊,一些老舊設(shè)備和低端產(chǎn)品存在燃油效率低、污染大等問題,導(dǎo)致了能源浪費和環(huán)境污染。

針對上述問題,可變幾何技術(shù)可以提供一種有效的解決方案。通過對發(fā)動機進氣道、排氣道、燃油供給等部件的動態(tài)調(diào)整,可以使發(fā)動機在不同負(fù)荷下保持最佳工作狀態(tài),實現(xiàn)能源的高效利用和降耗。此外,可變幾何技術(shù)還可以根據(jù)不同工作環(huán)境和要求,提高發(fā)動機性能和適應(yīng)性,進一步降低能源消耗和環(huán)境污染。

3 基于可變幾何技術(shù)的農(nóng)用車發(fā)動機設(shè)計方案

3.1 可變幾何進氣道設(shè)計

可變幾何進氣道設(shè)計是一種將發(fā)動機進氣道進行優(yōu)化設(shè)計的技術(shù)。其原理是通過控制進氣道的形狀和尺寸,以適應(yīng)不同工況下發(fā)動機運行狀態(tài),從而實現(xiàn)優(yōu)化燃燒和提高燃油利用率的目的。

傳統(tǒng)的發(fā)動機進氣道設(shè)計一般采用定形進氣道,其尺寸和形狀固定,不能根據(jù)工況變化自適應(yīng)地調(diào)整。而可變幾何進氣道則可以通過改變進氣道的形狀和尺寸,以適應(yīng)不同的工況,從而優(yōu)化燃燒和提高燃油利用率。

本研究可變幾何進氣道設(shè)計方案具體包括以下幾個方面:

1)進氣道的形狀設(shè)計。可變幾何進氣道采用可變長度、可變截面等設(shè)計,以適應(yīng)不同工況下的進氣需求。

2)進氣道的控制系統(tǒng)設(shè)計。可變幾何進氣道的控制系統(tǒng)需要能夠?qū)崟r檢測發(fā)動機的運行狀態(tài),并根據(jù)不同工況調(diào)整進氣道的形狀和尺寸。控制系統(tǒng)采用電子控制系統(tǒng),并通過傳感器、執(zhí)行器等實現(xiàn)調(diào)節(jié)。

3)進氣道的材料選擇。進氣道的材料需要具備良好的耐高溫、耐腐蝕和耐磨損性能,以保證長期穩(wěn)定運行。本研究使用的材料為高溫合金。

3.2 智能控制系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 控制算法設(shè)計

智能控制系統(tǒng)需要通過控制算法實現(xiàn)對發(fā)動機的智能控制。本研究控制算法采用模糊控制方法,以適應(yīng)不同的控制需求。控制算法需要能夠?qū)Πl(fā)動機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和識別,以實現(xiàn)精準(zhǔn)控制,本研究控制算法部分程序如圖1所示。該程序使用了skfuzzy庫來實現(xiàn)模糊控制,通過實時監(jiān)測和識別發(fā)動機的運行狀態(tài),包括轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和溫度等,然后根據(jù)設(shè)定的模糊集合和規(guī)則來計算燃油噴射率和點火時機的調(diào)整量,最終優(yōu)化發(fā)動機的性能和燃油效率。

圖1 模糊控制方法部分程序示意圖

3.2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括傳感器、執(zhí)行器、控制器等部分。傳感器可以用于測量發(fā)動機的運行狀態(tài),如轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等。執(zhí)行器可以用于控制發(fā)動機的各個部分,如進氣道、燃油系統(tǒng)等。控制器可以用于實現(xiàn)控制算法的計算和控制命令的輸出。

3.2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計需要實現(xiàn)控制算法的計算和控制命令的輸出。軟件設(shè)計需要考慮實時性、可靠性、靈活性等因素,并通過仿真和測試等方法進行驗證和優(yōu)化。

4 測試結(jié)果與分析

4.1 試驗方法

1)設(shè)計測試方案,確定測試的工況和范圍;

2)安裝基于可變幾何技術(shù)的農(nóng)用車發(fā)動機,并連接相關(guān)測試設(shè)備;

3)在不同工況下,對農(nóng)用車發(fā)動機的功率和燃油消耗進行測試;

4)根據(jù)測試結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析和處理,比較與傳統(tǒng)發(fā)動機的性能差異。

4.2 試驗設(shè)計

1)選擇一款標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)用車作為測試對象,保證測試環(huán)境的一致性;

2)將傳統(tǒng)農(nóng)用車發(fā)動機和基于可變幾何技術(shù)的農(nóng)用車發(fā)動機進行對比測試;

3)在同一測試工況下,記錄農(nóng)用車的速度、轉(zhuǎn)速、功率和燃油消耗等參數(shù);

4)分別進行靜態(tài)測試和動態(tài)測試,以驗證發(fā)動機在不同工況下的性能表現(xiàn);

5)根據(jù)測試結(jié)果對發(fā)動機進行優(yōu)化設(shè)計,并重新進行測試,以進一步驗證性能表現(xiàn)。

4.3 結(jié)果與分析

基于可變幾何技術(shù)的農(nóng)用車發(fā)動機測試結(jié)果如表1所示,結(jié)果表明,試驗組的發(fā)動機在所有工況下的功率和油耗均優(yōu)于對照組。這說明采用可變幾何技術(shù)的設(shè)計方案在降低油耗的同時也能保證足夠的動力輸出;其次,在試驗組中,隨著工況的增加,發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和功率均有所增加。這是由于在高負(fù)荷工況下,發(fā)動機需要提供更多動力輸出來完成任務(wù);最后,在對照組中,雖然功率和油耗的變化趨勢與試驗組相似,但是數(shù)值均低于試驗組。

表1 基于可變幾何技術(shù)的農(nóng)用車發(fā)動機測試結(jié)果

5 結(jié)論

本文針對農(nóng)用車發(fā)動機的節(jié)能降耗問題,采用了可變幾何技術(shù)進行設(shè)計和優(yōu)化。通過試驗驗證,得出了以下結(jié)論(表1):

1)采用可變幾何技術(shù)的農(nóng)用車發(fā)動機設(shè)計方案,在保證足夠動力輸出的同時,能夠降低油耗;

2)隨著工況的增加,發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和功率均有所增加;

3)對照組結(jié)果表明,采用優(yōu)化設(shè)計方案的發(fā)動機比常規(guī)設(shè)計方案具有更好的燃燒效率和動力輸出。

可變幾何技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊,未來還可以進一步探索以下問題:

1)如何將可變幾何技術(shù)應(yīng)用于其他農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域,如拖拉機、收割機等;

2)如何通過優(yōu)化設(shè)計和配套控制系統(tǒng),進一步提高發(fā)動機的節(jié)能降耗效果和可靠性;

3)如何通過可變幾何技術(shù)的應(yīng)用,為農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域帶來更多創(chuàng)新性解決方案。