Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Анализ условий эксплуатации и работы двигателей в условиях низких температур 8
1.1.1 Факторы, характеризующие эксплуатационные качества двигателя в условиях низких температур 8
1.1.2 Анализ процесса пуска холодного двигателя 12
1.2 Способы улучшения пусковых качеств двигателей 15
1.2.1 Классификация методов улучшения пусковых качеств двигателей 15
1.2.2 Использование электронагревательных устройств 19
1.3 Задачи исследования 24
1.4 Общая методика проведения исследований 25
2 Теоретические исследования процесса нагрева моторного масла в картере 29
2.1 Постановка задачи 29
2.2 Методика расчета температур моторного масла в картере двигателя 29
2.3 Экспериментальное обоснование исходных данных 34
2.4 Расчетное определение установившихся температур методом теплового баланса 40
2.5 Определение рациональных режимов подогрева моторного масла 48
2.6 Выводы 54
3 Экспериментальное исследование процесса пуска двигателей оборудованных ленточным электроподогревателем моторного масла .56
3.1 Постановка задачи 56
3.2 Стендовые испытания ленточного электроподогревателя моторного масла в составе двигателя 57
3.2.1 Объект и методика испытаний 57
3.2.2 Результаты испытаний 58
3.3 Эксплуатационные испытания автобусов семейства «Газель» на режиме пуска холодного двигателя 60
3.3.1 Объект и методика испытаний 60
3.3.2 Результаты испытаний 66
3.4 Выводы 68
4 Рекомендации по применению ленточных электроподогревателей моторного масла 69
4.1 Мощность и место установки ленточных электронагревателей моторного масла 69
4.2 Режимы предпускового подогрева моторного масла 70
4.3 Сравнительный анализ затрат на применение ленточных электронагревателей моторного масла и организацию закрытых
стоянок 73
4.4 Выводы 75
Заключение 76
Список использованной литературы
- Способы улучшения пусковых качеств двигателей
- Методика расчета температур моторного масла в картере двигателя
- Стендовые испытания ленточного электроподогревателя моторного масла в составе двигателя
- Режимы предпускового подогрева моторного масла
Способы улучшения пусковых качеств двигателей
Использование в качестве теплоносителей горячей воды или пара обеспечивает достаточно интенсивный разогрев двигателя, но, при этом, предполагается применение воды в качестве охлаждающей жидкости. В условиях эксплуатации автомобилей при низких температурах это создает угрозу замерзания охлаждающей жидкости и повреждения двигателя, что приводит к необходимости сливать воду из системы охлаждения на время длительной стоянки автомобиля с заглушённым двигателем.
Предпусковой разогрев двигателя посредством охлаждающей жидкости является достаточно эффективным и отработанным способом подготовки двигателя к холодному пуску. Однако, как показали исследования, проведенные на ОАО «ГАЗ» (рисунок 1.8), при достаточно продолжительном подогреве двигателя охлаждающей жидкостью температура коренных подшипников коленчатого вала увеличивается незначительно. Так, спустя 30 минут подогрева, когда температура жидкости составляет 20 ч- 40 С, температура коренных подшипников остается отрицательной, а температура моторного масла в картере практически не изменяется.
Разогрев двигателя горячим воздухом, по сравнению с разогревом водой, позволяет использовать в качестве охлаждающих, незамерзающие жидкости - антифризы [46]. Однако воздух имеет низкую теплоемкость, вследствие чего возрастает продолжительность разогрева. При этом не удается избежать больших потерь тепла, связанных с невозможностью надежной изоляции двигателя от окружающей среды. О с?
В системах предпусковой тепловой подготовки двигателей наибольшее распространение получили трубчатые электронагревательные элементы (ТЭН). Такой элемент (рисунок 1.9) состоит из стальной или медной трубки 1, внутри заполненной наполнителем 3 (периклаз или кварцевый песок), с нихромовой или фехралевой спиралью 2. Большой перепад температур спирали и поверхности при отсутствии интенсивного теплообмена с нагреваемой средой ограничивает удельную мощность. При использовании ТЭН для нагрева моторного масла, для избежания пригара масла и ос-моления, активной поверхности нагревателя удельная мощность должна быть довольно невысокой. 1 З
Проблему беспригарного подогрева моторного масла в картере двигателя перед пуском позволяет решить водомасляный теплообменник [77]. Однако его использование предполагает наличие подогревателя охлаждающей жидкости или устройства подогрева двигателя циркуляцией горячей воды через систему охлаждения. Несмотря на это он имеет дополнительное преимущество - возможность охлаждения моторного масла в картере за счет системы охлаждения двигателя. При эксплуатации в жаркий период года и на больших нагрузках, когда температура моторного масла высока, водомасляный теплообменник позволяет снижать температуру масла, сохраняя его смазывающие свойства и продлевая ресурс двигателя.
Наиболее эффективными и безопасными для подогрева моторного масла являются, разработанные и запатентованные в СибАДИ, ленточные электронагревательные элементы (рисунок 1.10) [84, 86]. Оценка их безопасности и беспригарности осуществлялась путем проведения стендовых безмоторных испытаний в наиболее термонагруженном режиме - при высокой температуре окружающего воздуха. X
Картер двигателя ВАЗ-2105 был заполнен маслом М5з/10п в количестве 3,8 л и установлен в помещении лаборатории с температурой окружающего воздуха +25 С. Нагревательный элемент был подключен к аккумуляторной батарее 6СТ-132. Втечение 40 минут с начала нагрева производилась регистрация температур на активной поверхности нагревательного элемента и на сетке маслоприемника. Эти температуры спустя 40 минут работы нагревателя составили, соответственно, +163 С и +128 С.
Результаты эксперимента показали, что максимальная температура на активной поверхности нагревательного элемента не превышала +163 С, при температуре лакообразования масла +240 ч- +250 С. Ленточный нагревательный элемент является практически безинерционным и мгновенно после включения начинает разогревать моторное масло. После завершения испытаний моторное масло сливалось из картера, нагревательный элемент демонтировался и протирался мягкой ветошью. Внешний осмотр показал отсутствие на активной поверхности нагревателя каких-либо отложений. Все это позволяет сделать вывод о беспригарности и безинерционности ленточных нагревательных элементов. При этом, ленточный электронагревательный элемент, по сравнению с устройствами других типов, является компактным и его размещение в картере двигателя в непосредственной близости к маслоприемнику масляного насоса не вызывает затруднений.
Методика расчета температур моторного масла в картере двигателя
Это позволяет сделать вывод о том, что большие значения установившейся температуры достигаются быстрее за счет более высокой температуры окружающей среды. То есть, установившаяся температура зависит от мощности нагревательного элемента и температуры окружающей среды и не может быть повышена за счет увеличения времени нагрева.
Таким образом, получение заданных установившихся температур зависит от мощности нагревательного элемента. Можно получать большие температуры нагревательным элементом заведомо большей мощности, что позволит сократить время нагрева моторного масла. Однако при этом критичным становится время подогрева, превышение которого приведет к увеличению расхода электроэнергии. При правильном подборе мощности нагревательного элемента практически отпадает необходимость контроля времени подогрева ввиду отсутствия опасности перегрева моторного масла, так как превышение времени подогрева не приведет к значительному росту температуры моторного масла, а увеличит потери теплоты через картер в окружающую среду.
Из графика (рисунок 2.15) видно, что расчетные данные хорошо согласуются с результатами полученными экспериментально. Максимальная ошибка расчета времени подогрева составляет около 3 мин (7 %), а ошибка расчета установившейся температуры не превышает 4С (6 %).
Аппроксимация экспериментальных данных экспоненциальной кривой является наиболее близкой к зависимости полученной с помощью расчетов по модели теплового баланса: tycm=\0QAe-mT "". (2.56)
Сравнение данных, полученных с помощью расчета с экспериментальными значениями позволяет сделать вывод о том, что предложенная математическая модель теплового баланса трех тел «нагреватель - масло -картер» с достаточной для практики точностью позволяет рассчитывать установившиеся значения температуры моторного масла во время нагрева в зависимости от температуры окружающей среды и параметров электронагревательного элемента.
1. Расчет температурных полей моторного масла в картере двигателя методом конечных элементов показал, что данный расчет процесса нагрева позволяет с погрешностью не более 8 % определять температуры моторного масла в различных точках в зависимости от температуры окружающего воздуха, мощности нагревательного элемента и времени нагрева. Однако, в начале процесса расчеты давали значительную, до 50 %, по 55
грешность. Кроме того, использование конечно-элементной схемы для практических расчетов является весьма затруднительным. Целесообразным будет применение этого метода в дальнейших исследованиях процесса подогрева моторного масла.
2. Предложенное математическое описание теплового баланса трех тел «нагреватель - масло - картер» с достаточной для практики точностью позволяет рассчитывать установившиеся значения температуры моторного масла во время нагрева в зависимости от температуры окружающей среды и параметров электронагревательного элемента. Наибольшая ошибка расчета времени подогрева составляет около 3 мин (7 %), а ошибка расчета установившейся температуры не превышает 4С (6 %).
3. Результаты расчетов показали, что увеличение мощности нагревательного элемента приводит к росту установившейся температуры нагрева моторного масла и снижению времени нагрева. Однако при мощностях выше 500 Вт увеличение установившейся температуры и уменьшение времени нагрева изменяются менее интенсивно, то есть эффективность процесса нагрева падает, а потери энергии в окружающую среду, за счет теплоотдачи от картера к воздуху, увеличиваются. Таким образом, рациональным можно считать нагревательный элемент мощностью до 500 Вт.
4. Согласно расчетным данным, большие значения установившейся температуры достигаются быстрее за счет более высокой температуры окружающей среды, а установившаяся температура зависит от мощности нагревательного элемента и температуры окружающей среды и не может быть повышена за счет увеличения времени нагрева. Правильный подбор мощности нагревательного элемента позволяет отказаться от контроля времени подогрева ввиду отсутствия опасности перегрева моторного масла.
Для оценки эффективности системы электроподогрева моторного масла в картере необходимо провести сравнительные стендовые испытания двигателя на режиме холодного пуска при отрицательных температурах с предпусковым подогревом моторного масла в картере и без подогрева. Это позволит проверить достоверность расчетных данных, отработать конструкцию системы электроподогрева моторного масла и скорректировать методику испытаний автомобилей, оборудованных системой предпускового электроподогрева моторного масла, в условиях эксплуатации.
В связи с этим ставились следующие задачи экспериментальных исследований:
1. Провести сравнительные стендовые испытания двигателя оборудованного системой электроподогрева моторного масла в картере на режиме холодного пуска при отрицательных температурах с предпусковым подогревом масла и без подогрева.
2. Провести сравнительные эксплуатационные испытания в зимний период автомобилей, оборудованных системой предпускового электроподогрева моторного масла и без таковой.
3. На основе результатов экспериментальных исследований и данных полученных расчетным путем разработать практические рекомендации для использования системы электроподогрева моторного масла в картере.
Стендовые испытания ленточного электроподогревателя моторного масла в составе двигателя
Для эксплуатации газобаллонных автобусов в ОМУ ПАТП-7 была оборудована открытая стоянка с подводом электропитания к местам стоянки автобусов и розетками для подключения электроподогревателей .
Для подключения электронагревателя к розетке питания на картере двигателя установлена клемма подключения напряжения (рисунок 3.5), соединенная с кабелем, на котором установлена вилка (рисунок 3.6).
Во время испытаний производились ежедневные запуски двигателей автобусов перед выходом на маршрут и фиксировались следующие параметры - температура наружного воздуха; - результаты пуска двигателя с первой попытки. Температура наружного воздуха измерялась ртутным термометром с диапазоном измерения -50 ч- +50 С и ценой деления 0,5 С.
Для оценки эффективности системы предпускового подогрева моторного масла в картере ленточным нагревательным элементом в качестве критерия была выбрана доля двигателей, запустившихся успешно с первой попытки. На рисунке 3.8 представлена зависимость доли успешных запусков двигателей от температуры наружного воздуха для двигателей оборудованных ленточным электроподогревателем в картере и двигателей штатной комплектации.
Зависимость доли двигателей оборудованных (сплошная линия) и необорудованных (штриховая линия) подогревателями моторного масла запустившихся с первой попытки от температуры наружного воздуха
Экспериментальные данные апроксимировались кусочно-линейными функциями следующего вида: температура наружного воздуха, С. Анализ экспериментальных данных показал, что использование предпускового подогрева моторного масла в картере обеспечивает надежный пуск с первой попытки у 80 % двигателей при температуре наружного воздуха -24 С (рисунок 3.8). Для двигателей, не оборудованных подогревателями, эта температура составила -17,5 С.
Из графика видно, что доля двигателей пускавшихся с первой попытки при температурах окружающего воздуха ниже -31 С не зависела от наличия предпускового подогрева моторного масла.
Однако, из этого не следует вывод о том, что при температурах ниже -31 С не нужен предпусковой подогрев моторного масла. В этих условиях предпусковой подогрев моторного масла обеспечит лучшую прокачиваемость масла, снизит задержку поступления масла к узлам трения, что приведет к уменьшению износов деталей двигателя.
1. Сравнительные стендовые моторные испытания двигателя ЗМЗ-406.10 показали, что время пуска холодного двигателя с использованием электроподогрева моторного масла ленточным электронагревательным элементом мощностью 450 Вт в течении 30 мин. снижается в среднем с 4,26 до 3,50 с (18 %). При этом средние пусковые обороты коленчатого вала при холодном пуске двигателя с использованием предпускового электроподогрева выросли со 117,2 до 164,4 об/мин. (28 %), максимальный ток стартера снизился в среднем с 272 до 226 А (17 %).
2. Испытания автобусов семейства «Газель» в условиях эксплуатации позволяют сделать выводы, что использование предпускового подогрева моторного масла в картере ленточным электронагревательным элементом мощностью 450 Вт обеспечивает надежный пуск с первой попытки у 80 % двигателей при температуре наружного воздуха -24 С. Для двигателей не оборудованных подогревателями эта температура составила -17,5
Мощность и место установки ленточных электроподогревателей моторного масла Анализ расчетов, проведенных с помощью математической модели (п.2.5) и результаты испытаний автобусов на режимах пуска двигателя при низких температурах позволяют сделать ряд рекомендаций по практическому применению ленточных электроподофевателеи моторного масла в картере:
1. Рациональным местом установки подогревателя является днище поддона картера под маслоприемником масляного насоса (рисунок 4.1).
Вид на установку ленточного электронафевательного элемента в поддоне картера двигателя 2. Для двигателей с объемом масла 4 + 6 литров при доминирующих в зимний период температурах окружающего воздуха ниже -20 С необходимая мощность нагревательного элемента составляет 400 + 600 Вт, что обеспечивает нагрев моторного масла до температур 50 + 70 С в течении времени 30 + 45 минут.
Систему предпускового подогрева моторного масла в картере необходимо оснащать блоком реле выполняющим функции защиты от перегрузки и замыкания. Один из возможных вариантов исполнения такого блока показан на рисунке 4.2. Он состоит из панели управления, реле времени, реле защиты и блока предохранителей. На панели управления установлены лампы индикации режима работы подогревателя и выключатель.
Расчет экономической эффективности производился методом сравнения затрат на оборудование одного автомобиле-места на открытой стоянки газобаллонных автобусов в ОМУ ПАТП-7, г. Омск и в тёплом гараже ОАО "Омский Бекон". Затраты на организацию открытой стоянки приведены в таблице 4.2, затраты на реконструкцию помещения под хранение газобаллонных автомобилей "Газель" (с учётом требований ОНТП-АТП-СТО-91) приведены в таблице 4.3 (в ценах 2001 года).
Режимы предпускового подогрева моторного масла
Программа предварительных оценочных испытаний пусковых свойств дизеля ВАЗ 3413 в;составе дизель-генератора У98, предусматривала осуществление запуска дизеля при отрицательной температуре окружащего воздуха.
Программа испытаний предусматривала осуществление пуска дизеля без подогрева масла , топлива и охлаждающей жидкости и пуска дизеля с подогревом масла МЭН-02 мощностью 205Вт. Контролируемые параметры: ток,.потребляемый стартером; время прогрева, время прокрутки коленвала, . температура масла в -, поддоне при работе подогревателя.
Испытания дизеля ВАЗ 3413-40 в составе У98 проводились в , АО "БарнаултрансмапГ на открытом воздухе при температуре -7С, охлаждение ДГУ проводилось в течении 20 часов в температурном диапазоне -2?.-15С. Ю температура воздуха Е иоксе измерялась настенным спиртовым термо-метром, размещённым непосредственно вблизи испытуемого поддона, температура масла в различных точках картера, температура стенок и днища поддона PI температура ленты подогревателя измерялись термопарами типа ХК с записью на ленте самописца КСП-4 с пределом измеряемых температур от -50С до +200С.
Дополнительно температуру масла в картере на высоте поверхности успокоительной перемычки поддона измеряли ртутным термометром с пределом измеряемых температур от 0С до +100С. Напряжение питания измерялось вольтметром постоянного тока 3532, класса точности 0.-5. Ток нагрузки измерялся амперметром постоянного тока с пределом измерений от 0 до 30 А с- наружным шунтом 75 mV, класса точности 0.5. Время измеряли секундомером часового типа.
Питание нагревательного элемента осуществлялось от аккумуляторной uaxapbii DLi iui, Методика испытании. E соответствии с программой испытаний и заданием отдела дизель-генераторов измерение температуры масла в картере и температуры ленты нагревательного элемента производились в соответствии со схемой СБ.Э-156 .(приложение-1).
МЭН-02, а именно 205 Вт и 280 Вт. После испытания подогревателя МЭН-02 мощностью 205 Вт и акаптза полученных результатов было принято решение об испытании подогревателя мопщостью 280 Вт. При этом, в целях сокращения Бремени на переустановку в картер подогревателя мощностью 280 Вт, было принято решение получить необходимую мощность подогревателя путем увеличения напряжения питания до 13,2+0,1 В. Методика испытаний подогревателя МЭН-02 мощностью 280 Вт была оставлена без изменений.
Было отмечено, что интенсивность конвективных восходящих потоков теплого масла значительно выше, чем при испытаниях подогревателя мощностью 205 Вт, Еыше также была скорость движения пузырьков газа от центра к периферии свободной поверхности масла.
По данным табл. 1 был построен график изменения температуры масла и нагревательного элемента в зависимости от Бремени нагрева, который приведен Е приложении 2. По результатам испытаний подогревателя мощностью 280 Вт также построен график, приложение
При визуальном осмотре установлено, что поверхности спирали (ленты) нагревателького элемента чистые, светлые, без видимых нарушений и разрывов. Шины "плюс" к."минус" прочно подпаяны соответственно к изолированной клемме на корпусе поддона и "массе" поддона.
После испытаний на поверхности спирали (ленты) нагара, лакообра-зования и других изменений не обнаружено. Лента спирали чистая, светлая, корпус элемента без трещин, сколов и разрывов, пайка шин без изменений, других замечаний нет.
Выводы. На основании проведенных ускоренных испытаний ленточного .электрического подогревателя ЮН-02 на ДЕух ступенях мощности (205 и 280 Вт) в поддоне картера-дизеля ВАЗ-3413 при температуре окружающего воздуха +20С, анализа результатов с построением графиков можно сделать следующие выводы:
Максимальная. температура ленточной спирали подогревателя МЭН-02 при мощности 205 Вт составила +139С, при мощности 280 Вт - не превышала +163С, что значительно ниже температуры лакообразования масла (+240...+250С).
При мощности подогревателя 205 Вт масло на ...уровне маслоприем-ника на 30-й минуте прогрева достигает +65С, а к 40-й минуте - +74С. При мощности 230 Ет температура в этой же точке достигает соответственно +80С и +870.
Неравномерности прогрева масла во всех измеряемых точках практически не зависит от мощности подогревателя и составляет на 40-й минуте прогрева 21 и 24С соответственно при 205 и 280 Вт мощности МЭН-02.
Для контроля температуры масла в поддоне картера при прогреве его подогревателем МЗН-Ой рекомендуется устанавливать датчик в точке 5 (сливная пробка), как наиболее информативной точке.
.Ленточный электрический подогреватель МЭН-02 практически мгновенно после включения отдаёт тепло в масло и не обладает собственной тепловой инерцией.
Осмотр ленточкой спирали МЭН-02 после испытания Б течение более 30 минут подтвердил отсутствие каких либо отложений, лакообразования на ней или других замечаний, 4TG свидетельствует о беспригарности
