Повышение эффективности послепускового прогрева двигателя динамическим нагружением

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Повышение эффективности послепускового прогрева двигателя динамическим нагружением

Булгаков С.А., Воронин Д.М., Вертей М.Л.

Новосибирский государственный аграрный университет

Аннотация

Приведено обоснование способа повышения эффективности послепускового прогрева двигателя путем перевода его в режим работы «свободный разгон-выбег». Работа в таком режиме осуществляется циклично с увеличением скоростного диапазона угловой скорости коленчатого вала по мере прогрева двигателя путем управления подачей топлива. Граничные значения диапазона в цикле разгон-выбег определяются устойчивой работой, приемистостью двигателя при нижнем значении и временем выбега двигателя, определяемым моментом сопротивления вращению в зависимости от вязкости моторного масла при действительной температуре, в качестве верхнего предела.

Разработанный способ позволяет загрузить сопряжения и детали двигателя инерционными силами, возникающими при работе на бестормозных неустановившихся скоростных режимах, что существенно повышает эффективность послепускового прогрева двигателей внутреннего сгорания по отношению к установившемуся режиму холостого хода.

Ключевые слова: ПРОГРЕВ ДВИГАТЕЛЯ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОГРЕВА, ПОСЛЕПУСКОВОЙ ПРОГРЕВ, ВРЕМЯ ПРОГРЕВА, ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОГРЕВА, ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОГРЕВА, ДИНАМИЧЕСКОЕ НАГРУЖЕНИЕ, РАЗГОН-ВЫБЕГ

Территория Российской Федерации, на которой используется около 80% автотракторного парка страны, расположена в умеренном и умеренно холодном климатическом районе. Несмотря на суровые погодные условия и температурный режим при эксплуатации техники, обеспечение хранения всех транспортных средств в отапливаемых гаражах в зимний период является задачей нереальной. Большая часть единиц техники хранится на открытых площадках [1].

В этих условиях время, затрачиваемое на тепловую подготовку двигателя, составляет 20-80 мин. Это объясняется повышением теплоотдачи с поверхности агрегата в окружающую среду, что вызывает резкий рост времени прогрева двигателя после пуска до оптимальных рабочих температур и сокращение периода его охлаждения после остановки.

Низкие значения температур окружающей среды и двигателя во время пуска, а также последующего прогрева обусловливают рост относительных насосных и тепловых потерь, ухудшение процессов смесеобразования, а, следовательно, увеличение удельного расхода топлива при пониженной частоте вращения коленчатого вала и уменьшении мощности двигателя в установившемся режиме работы на холостом ходе [2], что приводит к продолжительным простоям транспортного средства, сопровождающимся повышенным износом деталей двигателя и увеличением вредных выбросов в атмосферу.

Проблемная ситуация заключается в том, что при прогреве двигателя в режиме холостого хода, в связи с отсутствием внешней нагрузки на коленчатом валу, вся индикаторная работа (Аi) от сгораемого топлива расходуется на преодоление механических потерь двигателя, т.е. Ai=Aмп. Величина работы механических потерь (Aмп) на пониженных частотах вращения коленчатого вала имеет небольшое значение. В свою очередь, из-за малых цикловых подач топлива ухудшаются процессы смесеобразования и сгорания топливовоздушной смеси, что негативным образом сказывается на эксплуатационных и экологических показателях двигателя автотракторной техники.

Решению вышеперечисленных проблем способствует сокращение времени прогрева двигателя.

Цель исследования - сокращение затрат времени на послепусковой прогрев бензинового двигателя при эксплуатации в условиях низких температур за счет динамического нагружения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Установить характер изменения теплового потока во время прогрева двигателя.

Обосновать способ прогрева двигателя динамическим нагружением.

Провести экспериментальные испытания и дать оценку эффективности способа прогрева двигателя динамическим нагружением в условиях низких температур.

Анализ способов тепловой подготовки двигателя показал, что возможное сокращение затрат времени на прогрев достигается за счет использования технических устройств и средств, требующих внесения изменений в штатную конструкцию различных систем двигателя или транспортного средства, а также путем повышения загрузки двигателя при его работе после пуска.

В производственных условиях, с учетом множества эксплуатационных и конструктивных факторов, влияющих на прогрев двигателя неподготовленной неподвижной машины, одним из возможных способов загрузки двигателя является его работа в неустановившемся режиме.

Наиболее простой способ осуществления такого режима, поддающийся автоматическому управлению, - перевод на работу в режиме «свободный разгон-выбег». В таком случае нагружение создается его собственными инерционными массами, при последовательно чередующихся тактах разгона и выбега, создаваемых воздействием на орган управления топливоподачей.

Для решения поставленной проблемы предлагается способ, при котором работа двигателя осуществляется периодически повторяющимися циклами, состоящими из тактов включения подачи топлива (тактов разгона) и тактов полного отключения подачи топлива (тактов выбега) что можно представить графически (рис. 1).

Рис. 1. Схема циклического режима работы двигателя «разгон-выбег»

Общее количество теплоты, требуемое на прогрев двигателя, определяется выражением:

Qобщ=?ДТ(1)

где: - средняя теплоемкость материалов двигателя, Дж/К; - общий вес двигателя, кг; ДТ= Тв-Тож - температура холодного пуска (разница температуры окружающей среды и охлаждающей жидкости, соответственно).

При циклическом режиме работы «свободный разгон-выбег» тепло для прогрева двигателя поступает в виде двух составляющих:

двигатель тепловой температура охлаждающий

Qобщ= Qр +Qв(2)

где: Qр - тепло, выделяющееся на такте свободного разгона двигателя; Qв. - тепло, выделяющееся на такте выбега.

Такой режим позволяет перераспределить индикаторную работу по тактам: на такте разгона за счет повышенной цикловой подачи топлива (по сравнению с холостым ходом) обеспечивается ее прирост на величину работы, затрачиваемой на преодоление сил инерции () подвижных деталей двигателя (), т.е. на накопление кинетической энергии; на такте выбега за счет нулевой цикловой подачи топлива индикаторная работа равна нулю (, ), т.е. кинетическая энергия, накопленная в такте разгона, расходуется на преодоление механических потерь.

Следовательно, на такте выбега рабочий процесс в двигателе не осуществляется, однако за это время цилиндры практически полностью очищаются от отработавших газов, и они лучше подготовлены к осуществлению рабочего процесса в такте разгона. На такте разгона рабочий процесс двигателя осуществляется с повышенными цикловыми подачами топлива при незначительном присутствии в цилиндрах остаточных газов, что способствует более качественному смесеобразованию и полному сгоранию топливовоздушной смеси. То есть какой-то промежуток времени двигатель работает с максимальной нагрузкой (аналогичной тормозным испытаниям), выделяя при этом максимальное количества теплоты.

Qi = Gt• tр• q, (3)

где: Qi -количество теплоты, поданное в двигатель, Дж; Gt -часовой расход топлива в режиме свободного разгона, г/кВт•ч; tр - время работы в режиме разгона, с; q - теплотворная способность топлива, Дж/кг.

При достижении двигателем заданной частоты вращения коленчатого вала выключается подача топлива.

Двигатель переходит в режим свободного выбега, реализуя при этом накопленную кинетическую энергию в тепловую.

(4)

где: - приведенный момент инерции движущихся частей двигателя, Н*мc2; и - угловая скорость вращения, начальная и конечная, соответственно, с-2; - тепловой эквивалент.

При достижении в процессе выбега заданной частоты включается подача топлива, переводя тем самым двигатель в циклический режим работы «разгон-выбег».

Без учёта тепломассообмена уравнение теплового баланса двигателя при прогреве за один цикл имеет вид:

(5)

где - количество циклов

(6)

С учетом того, что время прогрева , получаем

(7)

(8)

Потери тепла при разгоне и выбеге:

(9)

Общие потери тепла (при ):

(10)

Уравнение теплового баланса

(11)

с учетом потерь теплоты за один цикл:

(12)

(13)

Сложность термодинамических процессов и имеющиеся результаты исследований по КПД теплопередачи дают основание оценивать действительный расход энергии выражением:

(14)

Целесообразность способа определяется:

(15)

где: -теплота, полученная в цикле;

- потери теплоты в цикле за счёт тепломассообмена.

С учетом того, что начальные условия прогрева определяются стабильной работой двигателя > > пуск , целесообразность способа очевидна.

Скоростной режим во время прогрева определяется средним значением диапазона угловой скорости коленчатого вала, с учетом того, что эти значения переменны и зависят от степени прогрева двигателя. Граничные значения скоростного диапазона в цикле «разгон-выбег» определяются устойчивой работой и приемистостью двигателя при нижнем значении, и временем выбега двигателя, определяемым моментом сопротивления вращению в зависимости от вязкости моторного масла при действительной температуре в качестве верхнего предела.

Таким образом, тепловое состояние, т.е. увеличение температуры двигателя и сокращение затрат времени, будет улучшаться по мере увеличения нагрузки, эффективной мощности и скоростного диапазона «разгон-выбег», а предлагаемый способ позволит сократить время послепускового прогрева двигателя внутреннего сгорания и повысить качество сгорания топливной смеси за счет очистки цилиндра при работе двигателя в режиме выбега.

Экспериментальные исследования выполнялись с учетом требований, предъявляемых к пуску и тепловой подготовке холодного двигателя согласно ГОСТ Р 54120-2010 [3] Для неподготовленного двигателя минимальное значение температуры двигателя при пуске принималось равным -20С.

Согласно руководству по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту двигателя ЗМЗ-4062.10 [4], минимальная температура двигателя, подготовленного к принятию нагрузки, составляет 40С, что и принималось за верхний предел тепловой подготовки.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что при работе бензинового двигателя ЗМЗ-4062.10 в режиме холостого хода (рис. 1а) при температуре окружающей среды -30°C температура охлаждающей жидкости повышается лишь до 61°C, при этом стабилизация температуры наступает после 23 мин работы. При увеличении температуры окружающей среды до -20°C температура достигает значений 82°C после 18 мин работы.

Режим прогрева динамическим нагружением (рис. 1б) осуществлялся электрическими элементами штатной системы при помощи устройства управления работой бензиновых форсунок путем полного отключения подачи топлива в цилиндры при полностью открытой дроссельной заслонке управления топливоподачей. Результаты показали, что при температуре окружающей среды -30°C температура охлаждающей жидкости повышается до 82°C после 10 мин работы, а при увеличении температуры окружающей среды до -20 °C время прогрева снижается до 8 мин работы.

Рис. 2. Изменение температуры охлаждающей жидкости двигателя в зависимости от температуры окружающего воздуха, времени работы и режима: а - режим холостого хода, б - режим «разгон-выбег»

Стоит отметить, что при прогреве двигателя в режиме динамического нагружения при полном открытии дроссельной заслонки подачи топлива интенсивность повышения температуры охлаждающей жидкости и масла в различных точках контроля практически идентична, это указывает на возрастающие механические потери на трение. Поэтому тепло, выделяемое при трении деталей кривошипно-шатунного механизма, в основном, поступает в моторное масло, нагревая его. С одной стороны, это приводит к более равномерному прогреву всех омываемых маслом элементов силового агрегата, с другой стороны, - повышение частоты вращения коленчатого вала влечет за собой увеличение объема прокачиваемых в системе смазки масла и воздуха, проходящих через цилиндры двигателя на такте выбега, что влечет дополнительные потери теплоты на их нагрев и, как следствие, увеличение часового расхода топлива [5], что является резервом повышения эффективности. Оптимизация в этом случае возможна за счет сужения скоростного диапазона «разгон-выбег» и определения рационального угла поворота открытия дроссельной заслонки подачи топлива.

Применение способа позволит сократить время послепускового прогрева на 30-50 %, в зависимости от начальных условий пуска в сравнении с прогревом при работе двигателя на холостом ходу, что подтверждает результаты теоретических исследований.

Выводы

Проведенные теоретические исследования показали, что использование теплоты рабочего процесса двигателя - одно из перспективных направлений тепловой подготовки двигателя к эксплуатации в условиях отрицательных температур.

Сравнительные испытания работы двигателя в режимах «холостой ход» и «разгон-выбег» показали, что интенсивность прогрева и время стабилизации температуры охлаждающей жидкости бензинового двигателя в большей степени зависят от температуры окружающей среды и частоты вращения коленчатого вала.

Предложенный способ динамического нагружения позволяет сократить время прогрева бензинового двигателя ЗМЗ-4062.10 на 9 минут при температуре окружающей среды -20°C и скоростном диапазоне оборотов коленчатого вала от 1000 до 4500 об/мин, в сравнении с прогревом двигателя при работе на холостом ходу.

Список использованных источников

1. Кузнецов Е.С., Болдин А.П., Власов В.М. и др. Техническая эксплуатация автомобилей: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и дополн. - М.: Наука. - 2004. - С. 535.

2. Крохта Г.М., Иванников А.Б., Пронин Е.А. Вторичное использование бросовой теплоты двигателя для оптимизации тепловых режимов в агрегатах самоходных машин // Тракторы и сельхозмашины: научно-практич. журнал. - 2015, №4. - С. 17-22.

3. ГОСТ Р 54120-2010 Двигатели автомобильные. Пусковые качества. Технические требования.

4. Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту бензиновых двигателей моделей ЗМЗ-4062.10. Подготовлено управлением главного конструктора ПАО «ЗМЗ». - г. Заволжье. - 2015.

5. Булгаков С.А. Особенности прогрева двигателя в режиме работы «свободный разгон-выбег» // Вестник Алтайского государственного университета. - 2015, №5. - С. 149.

Размещено на Allbest.ru