当前的世界环境

介绍

随着种植强度的增加，发展中国家的农民用拖拉机、动力犁、柴油发动机和电动机补充了生命动力(人和牲畜)。电力在各种农业生产中起着举足轻重的作用。除灌溉农作物外，电力还可用于脱粒、切谷壳、去壳、甘蔗粉碎、运行小型榨油机等。随着机械化方法的提高和灌溉设施的改进，对电力的需求增加了;相反，发展中国家农场的电力供应呈下降趋势，这导致了近年来对灌溉做法的压力。供电质量差和供电不稳定加剧了这一问题;因此，人们越来越需要一种替代电网的能源。印度农场的拖拉机大多用于耕作、播种、跨文化、收获、脱粒等农业操作。播种作业完成后，拖拉机大多闲置。因此，为了提高拖拉机的工作时间，PTO驱动的发电机在电网电力不可用和质量差的时期发电越来越受欢迎。 But due to increase in the price of diesel, cost of producing power is increased. So, there is a need for fuel efficient power generating system, using the tractor as a power unit.

拖拉机是一种多功能机械，用于进行各种需要低功率到高功率的农业活动。农民不能为这些不同的活动购买不同的动力单元。农民通常根据农场作业(即主要耕作作业)所需的最高功率来选择拖拉机。由于各种作业对功率的要求差别很大，所以选择的拖拉机在进行耕作作业时比主耕作业时更大。为了获得最大的操作效率，拖拉机应在其额定功率附近操作，但许多野外作业不需要拖拉机的全部动力。对于这些较轻的操作，通过切换到更高的档位，同时减少油门位置，可以节省相当多的燃料。¹一些农业机械在标准PTO转速（540 rpm）下需要非常低的功率，在高发动机转速下运行时会浪费燃油。换言之；这是一种不经济的操作。²大多数农民正在以更高的发动机速度运行其PTO驱动发电机，导致更高的特定燃料消耗导致更高的运营成本。过去的研究表明，通过换档抑制概念，可以获得高达拖拉机的燃料消耗的高达20％的储蓄。^3、4、5通过降低油门位置，发动机可以以较低的速度运行，以达到最低的特定油耗。在拖拉机PTO轴与发电机轴之间采用合适的皮带和皮带轮传动，可以保持发电机的额定转速，保证发电机的工作性能。

过载发动机将导致更高的扭矩以低于设计的较低的发动机速度。¹农民目前正在练习“换档和扼杀”的程度尚不清楚，但据信耐受这种做法的抵抗因发动机超载的恐惧而产生。^4.因此，为了减少燃料消耗，需要确定发动机的临界转速，以避免在满负荷运行给定发电机时出现过载的机会。因此，本研究的主要目标是在不超载的情况下确定拖拉机的发动机转速，以便在降低油耗的情况下发电。

材料和方法

发动机转速的选择

研究选择了一辆26千瓦、额定转速2100 rpm的三缸四冲程拖拉机来运行一台10kva发电机。发电机和拖拉机的规格见表1。发电机满负荷运转所需的PTO功率为10.86 kW(获得最大电流)。操作发电机所需的功率低于拖拉机的可用功率。一般的做法是在标准PTO速度(540转/分)运行发电机，以保持发电机的额定转速。在目前的情况下，所需的功率可以在较低的发动机转速下提供，这将提供相当大的燃料节省期间发电机的运行。假设发动机能够在发电机满负荷时不过载地提供动力，则发动机可以在任何部分负荷条件下提供动力。因此，发动机转速的选择是基于发电机的满载。

发动机在不同速度下的扭矩

发电机满载时，发电机轴上的转矩要求是恒定的，发电机只需以额定转速运行，以保持电压和频率的恒定。因此，需要恒定的轴功率来产生与满载相对应的电流。为了节省燃料，发动机应低速运行，但会导致PTO转速相应降低，因为发电机的额定转速将不能保持，这对发电是不利的。发动机可以在不影响发电机额定转速的情况下以较低的速度运行，只需改变标准PTO速度所需的皮带轮比。因此，通过提供皮带传动的速度，发电机的额定转速可以维持在降低的发动机转速，但它要求更高的扭矩值在PTO轴所需的功率是恒定的。因此，发动机必须向较低的发动机转速提供更高的扭矩，以满足发电机的满负荷。通过Eq.(1)计算出发电机满负荷时恒PTO功率在不同发动机转速下的等效曲轴转矩值，并将这些转矩值与发动机转速作对比，如图1所示。

表1:发电机和拖拉机的规格

在哪里T.为等效曲轴扭矩(N-m)，N是发动机转速（rpm）和P._{美国专利商标局}是PTO功率（kW）。

图1:发电机满载时不同转速下的发动机转矩 点击此处查看数字

发动机制造商宣布拖拉机发动机的低怠速为800转/分。因此，我们选择发动机转速为1000 rpm作为最小转速，每隔100 rpm测试1579 rpm(对应标准PTO转速为540 rpm)，以实现研究目标。图1显示了发动机在低速时必须提供更高的扭矩。

断电测试

根据印度标准局（BIS）的规定，对所选拖拉机进行了部分负载部分油门（PLPT）PTO测试，以确定发电机运行时的发动机性能。^6.在试验过程中，利用涡流测功机，通过PTO轴对发动机施加不同转速下的转矩值(图1)。用于PTO测试的仪表拖拉机原理图如图2所示。

图2：用于PTO测试的仪表拖拉机的示意图 点击此处查看数字

在测试期间记录了PTO的速度和扭矩，燃料消耗，烟水，废气温度和冷却剂温度。也观察到发动机速度波动和发动机过载以判断发动机是否顺利运行，或者它被过载。为了观察发动机过载，在每个测试点检查对节气门开度的响应，并记录为缓慢或快速的响应。如果全节气门开口处的发动机速度的增益速度很慢，则得出结论，当速度增益快速时，发动机被过载并最佳地装载。AVL燃料流量计和AVL烟雾计分别用于测量燃料消耗和烟水水平。PT100温度传感器用于测量废气和冷却剂温度。

滤烟数(FSN)限值

在每个测试点的PTO测试期间测量废气的FSN值，并将这些值与烟水水平的限制值进行比较。根据BIS的规定，通过发动机位移量及其运行速度计算烟水水平的限制值^7.．允许烟雾水平的限值是基于公式(2)给出的公称气体流量。

g =（v x n）/ 120（2）

在哪里G是天然吸气四冲程发动机（L / S）的标称气流，V.总汽缸是否扫过量（L）和N为发动机转速(rpm)。

拖拉机发动机气缸总扫气量为2.94 l，利用式(2)计算出拖拉机发动机1000 ~ 1579 rpm时的公称气体流量。利用公称气体流量与Hartridge smoke unit (HSU)之间的相关性，确定HSU值，进而得到相应的FSN值。表2给出了不同发动机转速下FSN的极限值。

表2:不同发动机转速下FSN的极限值

现场试验

通过现场试验对PTO驱动发电机的性能进行了评价。在实际工作条件下进行了燃油测量，以确定交流加载和直流焊接的燃油节余。采用数字式非接触式转速表对发动机转速进行现场测量。为测量拖拉机发动机在发电机运行过程中的燃油消耗，研制了一套燃油测量系统。拖拉机上安装了一个辅助透明塑料油箱。如图3所示，主油箱的供油管路和回油管路被断开，新的供油管路被连接到副油箱以供应燃油并容纳回油。燃油消耗量由式(3)计算。

f =（f_F/_T.) x 60 (3)

式中F为油耗(l/h)，F_F油量是否需要加到标记的水平(l)和T.为实验时间(min)。

图3：用于现场实验的燃料测量系统 点击此处查看数字

进行电压和频率的测量完成，以确保测试期间的额定频率和电压。测量电流以确定发电机上的负载百分比。用数字万用表测量电压和频率，用夹具计测量电流。表3中给出了用于测量不同负荷和直流焊接的PTO驱动发电机的PTO驱动发电机的现场实验的研究计划。考虑了焊接的占空比，以便于两条滑轮比比较燃料消耗。不同焊接电极的占空比总结在表4中。

表3：现场实验研究计划

表4:不同焊条的占空比

拖拉机停放在平地上，发电机通过推进轴与PTO连接。如图4所示，将交流负载(加热线圈)连接到发电机上，该负载均匀分布在发电机的三相电源上。当皮带轮比为3.6时，发动机的转速为1215转/分，以保持发电机的额定转速为1500转/分。发电机被加载到其最大负荷的33%，试图降低发动机转速。然而，为了保持发电机额定转速，增加了油门位置。测量发动机转速、电压、频率和电流，并采用油箱加注法测量15 min的油耗。这些测试在50%、65%和95%负载下重复进行，每个负载上有三个重复。同样的程序，在皮带轮比为2.75的情况下，发动机运行在1590转/分钟，以保持发电机的额定转速。

图4.：PTO驱动发电机与AC负载 点击此处查看数字

直流负载时，将焊接单元与发电机连接，如图5所示。当皮带轮比为3.6时，发动机以1215转/分钟的速度运行，以保持发电机的额定转速。然后进行3个循环的焊接(表4)。用注罐法测量每个焊条3个循环的总油耗，并对每个焊条进行3次重复。同样的程序也被采用在2.75的皮带轮比率测试，其中发动机运行在1590转/分钟，以保持发电机的额定转速。

图5：PTO驱动发电机具有直流负载 点击此处查看数字

结果和讨论

发动机在1000 ~ 1579 rpm的转速范围内进行了部分负载部分节流PTO测试。为选择发动机转速进行发电，将发动机加载至图1所示扭矩点，部分负载部分节流试验结果如图6和7所示。当发动机在与标准PTO转速相对应的转速下运行时，比油耗较高，而在较低转速下运行时，比油耗显著降低。燃料消耗的减少是由于发动机在低速范围内摩擦损失的减少。如图6所示，比油耗从1579 rpm时的268.9 g/kW h降低到1000 rpm时的242.9 g/kW h。

另一方面，当发动机运行到较低的发动机转速时，烟度、排气温度和冷却液温度被发现升高。烟度随发动机转速的降低而增加，因为燃油燃烧时空气消耗率的下降百分比大于燃油消耗率的下降百分比。因此，在气缸内的某些区域，空气燃料比会非常高，一些碳和氧颗粒将无法结合燃烧。这些未结合的碳颗粒是造成烟雾水平升高的原因。如图6所示，烟雾水平从1579 rpm时的0.6 FSN增加到1000 rpm时的2.3 FSN。如表2所示，所有测试速度的烟度限值为4.29 FSN。烟级结果表明，FSN值在任何测试速度超过限值时均未超过。

图6：特定的燃油消耗和 不同发动机速度的烟水水平 点击此处查看数字

随着发动机转速的降低，废气温度和冷却液温度升高，因为每个循环有更多的时间用于发动机传热，这导致热损失增加。随着发动机转速从1579 rpm降至1000 rpm，废气温度从249.5°C增至306.1°C，冷却液温度从81.1°C增至84.1°C（图7）。烟度、废气温度和冷却液温度的增加速率高于1200 rpm以下，表明发动机过载。

图7：废气和冷却液 不同发动机转速下的温度 点击此处查看数字

还检查了发动机的速度波动和过载情况。在测试过程中，可以观察到，当转速达到1200转时，发动机能够在没有任何转速波动的情况下获得所需的功率。但在1200转以下出现转速波动，不利于发电机运行。在每个测试点检查发动机是否超载，这是通过在加载发动机后完全打开油门来完成的，并注意到发动机转速增加的响应。据观察，高达1200转/分钟的发动机响应良好的突然打开油门到充分，但低于该速度，发动机响应缓慢，表明发动机超载。虽然发动机转速低油耗优势持续到1000转，但发动机超载。因此，在给定PTO驱动发电机的情况下，将发动机转速定为1200转/分作为发电的临界转速。

在确定了发动机临界转速后，根据BIS的规定设计了合适的V带传动^8,9皮带轮比为3.6，用于将PTO功率传输至发电机，以保持发电机的额定转速为1500 rpm。最终发动机转速为

图8:不同交流负载下的油耗 点击此处查看数字

图9:不同直流负载下的油耗 点击此处查看数字

1215 rpm以获得发电机的额定转速，该转速下的燃油消耗率为248.06 g/kW h。标准PTO运行速度和降低PTO运行速度的不同AC和DC负载下的燃油消耗如图所示。8和9.与标准PTO转速操作相比，通过使用齿轮升油门降速概念，在不同交流负载下可实现0.35 l/h至0.55 l/h的燃油节约，在发电机不同直流负载下可实现0.43 l/h至0.48 l/h的燃油节约。

结论

考虑到发动机转速波动，发动机超载，以及烟度、废气温度和冷却液温度的快速升高，选择发动机转速1200 rpm作为发电机满负荷运行的临界转速，以获得较低的油耗。设计了合适的皮带和皮带轮传动，选择皮带轮比为3.6，要求发动机转速为1215转/分才能使发电机在额定转速下降低PTO转速。与标准PTO转速运行相比，发电机在不同交、直流负荷下可分别节省0.35 ~ 0.55 l/h和0.43 ~ 0.48 l/h的燃油。

综上所述，本研究支持PTO驱动发电机应在标准PTO转速下运行，在不影响发电机性能的前提下，在拖拉机单元外采用合适的传动比，以获得更低的油耗。否则，拖拉机制造商应在PTO中提供多个齿轮传动比;这样就可以在不同的发动机转速下达到标准的PTO速度。用于固定农场作业的PTO驱动的机器需要低功率，可以在不影响机器性能的情况下，以较低的速度运行发动机以节省燃料能量。

工具书类

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