Содержание к диссертации
Введение
1.1. Вводные замечания 8
1.2. Оценка природно-климатических особенностей условий эксплуатации автомобилей 9
1.3. Свойства воды и процессы накипеобразования и водоподготовки 12
1.4. Надежность системы охлаждения двигателей и методы управления ею 20
1.5. Задачи исследований 25
Глава II. Методика районирования зоны жаркого клима та по природно-климатическим условиям эксплуатации ав томобилей 26
2.1. Природно-климатические условия Средней Азии ... 26
2.2. Научно-обоснованный выбор критериев районирования 28
2.3. Районирование зоны Средней Азии и исследование критериев природно-климатических условий в зоне жаркого климата 35
2.4. Краткие выводы 39
Глава III. Исследование процесса накипеобразования ... 42
3.1. Общая методика исследования 44
3.2. Методика лабораторных исследований на моделях 45
3.3. Методика эксплуатационных исследований накипеобразования г 50
3.4. Результаты лабораторных исследований 52
3.5. Результаты эксплуатационных исследований накипеобразования .60
З.б. Расчетно-теоретический анализ процесса накипе
образования и результатов исследований . 64
Глава ІV. Исследование способов снижения и предотвращения накипеобразования и методов удаления накипи из системы охлаждения двигателя
4.1. Общая методика исследования 72
4.2. Исследование по предотвращению и снижению накипеобразования . 72
4.2.1. Обзор методов снижения накипеобразования 72
4.2.2. Частная методика лабораторных исследований 76
4.2.3. Анализ результатов лабораторных исследований 81
4.2.4. Частная методика эксплуатационных исследований 84
4.2.5. Анализ результатов эксплуатационных исследований 88
4.2.6. Совместный анализ результатов исследований 92
4.3. Исследования по удалению накипи из системы охлаждения.
4.3.1. Обзор способов удаления накипи 92
4.3.2. Частная методика лабораторных исследований 94
4.3.3. Частная методика эксплуатационных исследований 102
4.3.4. Анализ результатов лабораторных и эксплуатационных исследований по удалению накипи 106
4.4. Выводы НО
Глава V. Методы поддержания эффективности системы охлаждения двигателей в условиях жаркого климата
5.1. Вводные соображения III
5.2. Мероприятия по защите деталей системы охлаждения от коррозии 114
5.3. Совершенствование конструкций системы охлаждения двигателя автомобилей^ эксплуатируемых в условия жаркого климата 118
5.4. Периодичность удаления накипи из системы охлаж
дения двигателя в условиях жаркого климата 122
5.4.1. Затраты на мероприятия по снижению накипеоб-разования 124
5.4.2. Затраты на удаление накипи из системы охлаждения двигателя 125
5.4.3. Затраты на потери от перерасхода топлива, вызываемого накипеобразованием в системе охлаждения двигателя 126
5.4.4. Затраты на потери от снижения мощности, сокращения ресурса деталей при накипеобразовании в системе охлаждения двигателя 133
5.4.5. Затраты на простой автомобилей при промывке системы охлаждения . 135
5.4.6. Оптимальная периодичность удаления накипи из системы охлаждения двигателя . 138
5.5. Выводы 140
Глава VІ. Технико-экономический анализ результатов исследования и их внедрения
6.1. Опытное внедрение 143
6.2. Экономический эффект от внедрения предложенных мероприятий 143
Общие выводы и рекомендации 148
Литература
- Оценка природно-климатических особенностей условий эксплуатации автомобилей
- Природно-климатические условия Средней Азии
- Методика эксплуатационных исследований накипеобразования
- Исследование по предотвращению и снижению накипеобразования
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года", утвержденных ХХУІ съездом КПСС, предусмотрено увеличение грузооборота автомобильного транспорта в 1,4 раза, пассажирооборотов автобусов на 16-18$, что требует увеличения выпуска новых, более совершенных автомобилей и автобусов, а также более эффективное использование существующего парка подвижного состава, [і]
В связи с этим возникают проблемы снижения расхода топлива и дальнейшего повышения надежности подвижного состава автомобильного транспорта.
Автомобильный транспорт является одним из основных потребителей легкого топлива, и дальнейшее увеличение грузо- и пас-сажирооборота автомобильного транспорта повысит его потребление. "Основными направлениями" предусмотрено обеспечить экономию топлива и энергетических ресурсов в народном хозяйстве в количестве 1600-1700 тонн условного топлива. Удельные нормы расхода топлива должны быть снижены в 1985 году на 12% по сравнению с 1980 г. [I]
Одним из путей решения поставленной задачи является повышение эффективности использования подвижного состава автомобильного транспорта, которое возможно при совершенствовании методов управления технической эксплуатации автомобилей (ТЭА) с учетом природно-климатических условий. Последние существенно влияют на расход топлива и надежность автомобилей. Изменение температурного режима двигателя (снижение его в северных широтах и повышение в жаркой зоне) повышает расход топлива двигателем на 6—8%.
В решениях партии и правительства подчеркнута необходи моеть-продолжить работы по созданию и расширенному выпуску автомобилей, приспособленных к различным климатическим условиям. Однако основная масса автомобилей выпускаются для эксплуатации в умеренной зоне Советского Союза, а для полярной зоны предусмотрен и освоен выпуск автомобилей в северном исполнении.
Для эксплуатации же в жаркой зоне СССР автомобили должны иметь дополнительные конструктивные устройства и выпускаться в южном исполнении, что, к сожалению, до сих пор не выполняется.
Хотя жаркая зона занимает только % территории Советского Союза, численность населения зоны на I января 1977 года составляла свыше 44,1 млн.человек, т.е. 16,6$ от общей численности СССР; протяженность городских и внегородских автомобильных дорог 190 тыс.км ,что в расчете на 1000 кв.км территории УзССР в 2,24 раза больше, чем в целом по Советскому Союзу.
Основную площадь жаркой зоны СССР занимает Средняя Азия и условия эксплуатации автомобилей здесь имеют характерные климатические особенности. Важнейшими из них которые, влияют на реализацию эксплуатационных качеств автомобилей, являются температура окружающего воздуха с низкой относительной влажностью, высокая жесткость воды и запыленность воздуха.
По своим климатическим характеристикам многие районы Узбекистана, Туркмении, Таджикистана приравниваются к районам с сухим тропическим климатом. Проведенный нами анализ условий эксплуатации автомобилей в УзССР позволил выявить, что из-за высокой жесткости воды, заливаемой в систему охлаждения автомобилей, происходит значительное отложение в ней накипи, которое приводит к заметному снижению эффективности работы этой системы и увеличению расхода топлива по сравнению с условиями умеренной зоны СССР, понижению мощности, а также к снижению надежности двигателя. В результате падает производительность автомобиля и повышается себестоимость перевозок автомобильным транспортом.
Однако жаркая зона СССР не является однородной по своим климатическим условиям. Все перечисленные выше факторы довольно существенно изменяются при переходе от одной части жаркой зоны к другой. Это предопределило необходимость научно обоснованного районирования жаркой зоны.
Обобщение опыта эксплуатации автомобилей и автобусов в условиях сухого жаркого климата и высокой жесткости воды, многолетние наши исследования определили основное направление настоящей диссертационной работы.
Целью представленной диссертации является разработка методов повышения надежности и эффективности системы охлаждения двигателей автомобилей и автобусов, эксплуатируемых в условиях сухого жаркого климата и высокой жесткости воды.
Теоретическая и прикладная значимость диссертационной работы заключается в том, что проблема повышения надежности и эффективности работы системы охлаждения рассматриваются в комплексе, начиная с исследования процесса накипеобразования, новых методов предупреждения ее появления и удаления, с дальнейшей разработкой рекомендаций в сфере эксплуатации по поддержанию надежности системы охлаждения на высоком уровне при минимальных затратах и разработкой усовершенствованной конструкции системы охлаждения двигателей.
Внедрение разработанных в диссертации мероприятий дает сокращение расхода топлива, увеличивает долговечность системы охлаждения двигателя, сокращает число текущих ремонтов.
Реализация результатов исследований осуществлена в практическом применении предложенных мероприятий по умягчению воды, очистке системы охлаждения от накипи, диагностике системы охлаждения в автобусных парках гг.Ташкента и Бухары, Министерства автомобильного транспорта УзССР и в Бухарской автотранспортной конторе Госкомводстроя.
Характерной особенностью настоящего исследования является то, что вся экспериментальная его часть выполнялась непосредственно на производстве, в автобусных парках гг.Ташкента и Бухары Министерства автомобильного транспорта УзССР и в Бухарской автотранспортной конторе Госкомводстроя.
Результаты исследований докладывались автором и обсуждались:
- на Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности использования автомобильного транспорта в условиях жаркого климата и высокогорных районов", Ташкент 1978 г.
- на IX и X научно-теоретических и технических конференциях профессорско-преподавательского состава Ташкентского авто-мобильно-дорожного института в I98I-I982 годах.
- на 40-й научно-методической и научно-исследовательской конференции Московского автомобильно-дорожного института, проходившей с 27 января по 5 февраля 1982 года в г.Москве.
Оценка природно-климатических особенностей условий эксплуатации автомобилей
Одним из основных условий наиболее эффективного использования автомобильного транспорта является соответствие типов и конструктивных особенностей автомобилей эксплуатационным условиям.
Член-корр.АН СССР Д.П.Великановым были проведены работы по изучению отдельных условий эксплуатации, и результаты их обсуждены на широкой дискуссии в Особой автомобильной лаборатории АН СССР [22] .
Результаты обсуждения позволили признать первоочередной задачей раздельное изучение взаимосвязи условий эксплуатации с конструкцией автомобиля, без решения которой не может быть научно обоснован выбор отдельных типов и конструктивных особенностей автомобилей.
Проф.Д.П.Великановым условия эксплуатации разделены на следующие три группы [22J: а) транспортные; б) дорожные; в) природно-климатические.
А. Транспортные условия, определяющие требования к конструкции автомобиля: объем перевозок, вид груза, условия погрузки-разгрузки, срочность перевозок, режим эксплуатации, условия хранения, обслуживания и ремонта.
Б. Дорожные УСЛОВИЯ. Факторы,- определяющие требования к их конструкции, следующие: прочность дороги, мостов, сооружений, тип и ровность дорожного покрытия. Элементы плана и профиля дорог; особенности, определяемые рельефом местности, а также проезжее состояние (снег, грязь,пыль).
В. Природно-климатические условия, для которых целесообразны конструктивные особенности автомобилей, сведены в три основные зоны: полярная, умеренная, жаркая.
Южная граница полярной зоны выбрана по изотерме средних температур января -20С, а северная граница жаркой зоны по изотерме средних температур июля +26С.
В работах Д.П.Великанова [26] , А.В.Пасенко [95] , Т.И.Раш [99] и др. [70,7 рассмотрено существенное влияние различных климатических условий на мощностные, изностные характеристики двигателя, изменение ресурса и производительности автомобилей.
Г.В.Крамаренко, Бодровым В.А. и другими [48] была сделана попытка вывести обобщенный показатель условий эксплуатации автомобилей. Климатические условия характеризуются температурой окружающего воздуха, барометрическим давлением, относительной влажностью воздуха, скоростью ветра и т.д.
Разработка обобщенного показателя климатических условий осуществляется с помощью модели, приведенной в работе В.А.Бодрова [ю], согласно которой необходимо устанавливать квалификационный признак, связывающий все составляющие системы среда-машина-человек по изучаемому свойству.
Для исследования ряда эксплуатационных характеристик автор выбрал в качестве квалификационного признака режим работы автомобиля. В частности, изменение мощностного режима двигателя при прочих равных условиях может характеризовать влияние климатических факторов и служить количественной оценкой этого влияния.
Им же предложено определение обобщенного показателя клима тических условий - как отношение мощности, развиваемой двигателем при конкретном сочетаний климатических факторов, к мощности, приведенной к стандартным климатическим условиям.
В.Ю.Гиттисом [34] дана формула, учитывающая связь снижения мощности двигателя при изменении параметров атмосферного воздуха, а также климатическое районирование территории СССР произведено на основе температуры и влажности воздуха, оказывающего наиболее значительное влияние на характеристики двигателя автомобилей.
Д.П.Великановым [27] территория СССР подразделяется на три географические зоны - зона умеренного климата, зона холодного климата, зона жаркого и высокогорного климата.
Зона жаркого климата занимает 1,7 млн.км2, т.е. 7,6% территории СССР. Она охватывает территорию Средней Азии и Закавказья.
По природно-климатическим условиям зона жаркого климата подразделяется на три части: пустынную, высокогорную, субтропическую. Автомобили предназначенные для перевозок на территории зоны жаркого климата, должны иметь усиленные системы охлаждения замкнутого типа [27].
Подводя итоги рассмотрения условий эксплуатации автомобилей и природно-климатических особенностей, приходим к выводу, что в их основе лежат: температура окружающего воздуха, относительная влажность, солнечная радиация, барометрическое давление и скорость ветра.
Природно-климатические условия Средней Азии
Климатические условия характеризуются температурой окру-жающего воздуха-, барометрическим давлением, относительной влажностью воздуха и скоростью ветра.
Понятие "Средняя Азия" в советской географической литературе трактуется различно. С формальной точки зрения [ 72], Средней Азией называют суммарную площадь четырех среднеазиатских республик: Узбекской, Туркменской, Таджикской и Киргизской.
С физико-географической точки зрения, несколько более обоснована классическая трактовка, в соответствии с которой северная граница Средней Азии отодвигается в глубь Казахстана. В этом случае границей Средней Азии считается Арало-Иртышский водораздел, отводящий верховья рек западной Сибири от области внутреннего стока. На северо-западе границу условно проводят по реке Эмбе или вдоль восточной окраины Мугоджар и подножья северного чинка (обрыва) Устюрт. Западной границей Средней Азии служит побережье Каспия, южным и восточными рубежами условно считается государственная граница СССР с Ираном, Афганистаном и Китаем.
Площадь Средней Азии в таких границах составляет около 2400 тыс.км2, то есть 1/9 часть всей территории СССР [lOOj.
Своеобразие природы Средней Азии определяется резко континентальным и на значительных пространствах пустынным климатом, который связан с удаленностью от океанов, с горными барьерами, окружающими ее с юга-запада и затрудняющими проникновение циклонов Средиземноморья и муссонов Южной Азии.
Республики Средней Азии расположены в жарко-пустынной местности. При характеристике климата какой-либо зоны чаще всего используется метод комплексной климатизадии. В основе этого метода лежат представления о климате как о многолетнем режиме погоды, последний в свою очередь рассматривается как непосредственно наблюдаемый и как целостное явление природы, характеризуемое сложным комплексом метеорологических элементов и явлений.
Вместе с тем необходимо отметить, что природно-климатические условия (ПКУ) характеризуются своим разнообразием и отсутствием однородности.
К основным метеорологическим условиям и элементам жарко-пустынных областей относятся: температура воздуха, солнечная радиация, влажность воздуха и осадки.
Данные факторы являются основными, отрицательно влияющими на работу механизмов, машин, автомобилей. Климат Средней Азии отличается высокой температурой окружающего воздуха в течение длительного периода и малыми осадками, вследствие чего становится особенно важным вопрос о сопоставлении его с некоторыми районами мира, типичными представителями сухого тропического климата, с целью определения степени близости к последнему.
Сухой тропический климат охватывает области, в которых температура воздуха достигает +55С, весьма интенсивная солнечная радиация при низкой относительной влажности воздуха. Среднемесячная относительная влажность воздуха в самые сухие месяцы падает в некоторых областях ниже 30$. Годовые осадки обычно не превышают 200 мм. Характерными также являются ежедневные большие колебания воздуха и высокое содержание в нем песка и пыли (из-за сухости и частых ветров).
Методика эксплуатационных исследований накипеобразования
Накипеобразование в системе охлаждения двигателя автомобилей в эксплуатационных условиях связано с изменением жесткости воды, заливаемой в систему, температуры воды на входе в радиатор и температуры масла в картере двигателя.
Сравнительные дорожные испытания по накипеобразованию и изучению влияния особенностей климатической зоны региона Средней Азии на надежность отдельных элементов системы охлаждения автомобилей нами проведены по следующей методике.
Для этого были проведены эксплуатационные испытания 44 автомобилей ЛАЗ-695, ЛАЗ-697Е в автобусном парке !Г 6 Бухарского облавтотреста.
Автобусы используются для перевозки пассажиров в пределах Бухарской области, а также на маршруте Бухара-Ургенч, Бухара-Самарканд, Бухара-Ташкент, кроме того в черте города.
Среднее расстояние перевозок составлял: ,- в городе 8,8 км. - межрайонные 9,7 км. - междугородние 412 км.
Суммарный пробег всех автобусов за период наблюдений составлял 12943 тыс.км.
Пробеги автобусов с начала наблюдений составили от 17 тыс. км. до 325,4 тыс.км, включая автобусы, в которых двигатели подвергались капитальному ремонту и в среднем составили 171,2 тыс«км.(По данным автобусного парка № 6).
Для наблюдения за процессом накипеобразования в системе охлаждения двигателей мы предварительно промыли систему охлаждения всех 44 подконтрольных автобусов специальным промывочным раствором. В качестве промывочного раствора использовали 10#-й водный раствор керосинового контакта КП .
Эту жидкость заливали в систему охлаждения двигателя и выпускали на линию, а после 10...12 часов работы автомобиля сливали раствор и промывали систему охлаждения чистой теплой водой в течение 10...15 мин. в прямом и обратном направлениях, предварительно вынув термостаты.
Давление промывочной воды создавалось с помощью консольного насоса 1,5К-6.
Подконтрольные автобусы были разбиты на четыре группы. В первую группу входили автобусы, работающие в черте города. В их систему охлаждения заливали воду из городского водопровода, жесткость которой равна 14,8 мг-экв/л. и среднесуточный пробег составляет 238,7 км. Во вторую группу входили межрайонные автобусы, в СЮ которых воду заливали из Аму-Бухарского канала, жесткость которой равна 5,6 мг-экв/л и среднесуточный пробег -287 км.
В третью группу включили автобусы, работающие на направлениях Уч-Кудук, Тамды, Ургенч, Газли. Воду заливали из скважины, жесткость которой 16,8 мг-экв/л. Среднесуточный пробег равен 351,2 км.
В четвертую группу включили автобусы, которые работали в направлениях Навои, Самарканд, Ташкент, воду заливали предварительно умягченную водопроводную, жесткость которой равна 2,42 мг-экв/л, а среднесуточный пробег - 352,6 км.
Умягчение воды производили содой с последующим осаждением и фильтрацией через песчаный фильтр.
Как отмечалось выше, вода,заливаемая в систему охлаждения подконтрольных автобусов,бралась из 4-х источников, в табл.2.2 приводятся данные о солевом составе вод, где вода имеет различный химический состав и различную жесткость. Анализ воды производился по общей методике [54].
Замеры толщины слоя накипи производили микрометром через каждые 5 тыс.км.пробега, отсоединив при этом патрубок верхнего бачка радиатора и патрубок корпуса термостата.
Наблюдениями установлено, что толщина отлагающейся накипи в различных точках системы охлаждения различная. В связи с этим мы производили замеры толщины накипи в патрубке термостата и в блоке цилиндров десяти двигателей ЗШГ-І30, поступивших на капитальный ремонт.
Результаты замеров показали, что толщина накипи в рубашке охлаждения двигателя отличается от толщины накипи в верхней части патрубка термостата.
Исследование по предотвращению и снижению накипеобразования
В теплоэнергетике широко применяются различные способы снижения и предотвращения накипеобразования по содержанию котлов, компрессорных станций и конденсаторных труб.
Успешно используются различные методы содержания паросилового оборудования в безнакипном состоянии, в частности: - методы облучения воды у ;6 и рентгеновскими лучами [6,8,36] , методы ультразвуковой обработки [18] , методы магнитной обработки,[38, 79, 80, 112, 118] , методы наложения электрического поля [8] , а также химические методы [49, 56, 67, 77, 81, 82] .
Действие ионизирующих У ,/Ь и рентгеновских излучений преимущественно сводится к интенсификации окисления растворенными в воде органических и миниральных кислородом примесей, в результате чего имеют место следующие явления [6, 36j , обез-жирование воды; разложение поверхностно активных веществ (ПАВ); фенолов; цианидов; дегазация воды; ускорение осаждения взве-шанных частиц-примесей; обесцвечивание воды; улучшение обезвоживания осадков. Все перечисленные процессы облегчают обработку воды магнитным полем и частично уменьшают жесткость воды.
В качестве источников излучения используются большей частью 60QQ И 137С И другие. Как правило, для достижения дос таточных эффектов дозы облучения принимают 1 10 1 10 рад.
В результате облучения воды содержащими взвешанные частицы и соли жесткости у ; fi лучами, скорость хлопьеобразования возрастает и создаются условия для нахождения хлопьев в растворе, а не осаждаться на внутренних стенках в виде накипи. Эффект вероятно состоит в воздействии радиации на структуру ионных и молекулярных ассоциатов.
Облучение не вызывает ядерных превращений в растворах и образцах вод и следовательно безопасно [20J .
Успешно используется ультразвук при каогуляции и обработке водных растворов карбоната кальция, кварца и угля-, красителей, волокон целюлозы и др. [2l]. Оптимальные частоты лежат в диа-позоне от нескольких килогерц ДО I МГЦ.
Озвучание воды производится с помощью специальных ультро-звуковых генераторов, помещая сосуды с водой в ультрозвуковое поле. При прохождении ультрозвука через раствор воды со взвесями, находящееся в воде, последние ориентируются перпендикулярно направлению распространения звуковой волны. И между частицами действуются силы взаимного притяжения, т.е. образуются хлопья, которые не осаждаются на стенках. Кроме того, ультрозвук может разрушать ранее образовавшеюся накипь и смолистые отложения. Оборудование, применяемое при ультрозвуковой обработке воды, обычно состоит из генератора тока высокой частоты и излучателя (преобразователя токов высокой частоты в ультрозвуковое колебание) смонтированного в ванне с водой.
В качестве излучателей ультрозвуковых колебаний низких частот 15-25 кгц в основном используется магнитострокционные преобразователи.
Магнитная обработка воды заключается в том, что поток воды с некоторой определенной скоростью пересекает перпендикулярно магнитные силовые линии. Прохождение воды через магнитные поля способствует изменению характера накипеобразователей, в результате вместо плотного слоя накипи образуется рыхлый шлам.
Значительное количество исследований [79,80,83,112,115, 118] показало, что после магнитной обработки воды не только прекращалось отложение накипи, но наблюдалось также разрыхление и превращение в шлам ранее образовавшихся отложений.
Аппаратура для магнитной обработки воды выпускается нашей промышленностью, как на постоянных магнитах, так и на электромагнитах. Оптимальным условием обработки воды являются напряженность магнитного поля 200...300 а/см, скорость движения воды в рабочем зазоре 0,5 - 1,0 м/сек. Омагничивание изменяет свойства и структуру воды.
Расход электроэнергии при магнитной обработке составляет 5-8 вт час на I м3 производительности прибора.
Простейшим способом умягчения воды является кипячение воды в течении 30...40 мин., или известково-содовый метод осаждения накипеобразователей, в результате которых происходят химические реакции солей кальция, магния с известью [58] .
Все методы химического воздействия растворами солей, три-лоном Б, связаны с прохождением химических реакций между солями жесткости кальцием и магнием с другими ионами. В одних случаях происходит осаждение солей в других получаются комплексное соединение которые не отлогаются, а находятся в растворе воды [76, 77, 81J , Кроме того все эти методы в основном рассмотрены для водоподготовки и содержанию паросиловых установок в безнакипном состоянии в теплоэнергетике.
