Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Анализ факторов влияющих на вязкостные свойства моторного мае- 8 ла при низких температурах окружающего воздуха
1.2. Влияние вязкости моторного масла на работу системы смазки и пуск двигателя внутреннего сгорания при низких температурах 11
1.3. Способы и средства улучшения режимов работы системы смазки во время пуска двигателя при низких температурах окружающей среды 15
1.4. Анализ режимных параметров устройств предпускового подогрева моторного масла 26
1.5. Выводы. Цель и задачи исследований 33
ГЛАВА 2. Теоретические исследования по обоснованию параметров и режимов работы устройства электроподог рева моторного масла с саморегулированием мощности 35
2.1. Обоснование принципа работы устройства электроподогрева моторного масла с саморегулированием мощности 35
2.2. Разработка математической модели процесса подогрева моторного масла в поддоне картера ДВС устройством с саморегулированием мощности 41
2.3. Теоретический анализ динамических показателей саморегулируемого устройства электроподогрева моторного масла 53
2.4. Выбор позистора для устройства электроподогрева моторного масла с саморегулированием мощности 58
2.5. Обоснование конструктивных параметров УЭМС 62
2.6. Обоснование выбора мощности УЭМС для автотракторной техники 72
ГЛАВА 3. Программа и методики экспериментальных исследований 77
3.1. Программа исследований 7 7
3.2. Методики экспериментальных исследований 77
3.2.1. Методика исследования по выбору позистора для устройства электроподогрева моторного масла с саморегулированием мощности 77
3.2.2. Методика исследование контактного термического сопротивления между позистором и пластиной 82
3.2.3. Методика исследования по обоснованию конструктивных параметров УЭМС 86
3.2.4. Методика исследования формирования температурного поля моторного масла в поддоне картера ЛВС 88
3.2.5. Методика исследования по обоснованию мощности УЭМС для двигателей ЯМЗ-240Б, СМД-60, КамАЗ-740 92
3.2.6. Методика исследования влияния температуры окружающей среды на динамические показатели УЭМС 95
3.2.7. Методика исследования диэлектрических свойств загрязненных моторных масел 96
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 101
4.1. Исследования по выбору позистора для устройства электроподогрева моторного масла с саморегулированием мощности 101
4.2. Исследования контактного термического сопротивления между позистором и пластиной 105
4.3. Исследования по обоснованию конструктивных параметров УЭМС 109
4.4. Исследования формирования температурного поля моторного масла
в поддоне картера ДВС 118
4.5. Исследования по обоснованию мощности УЭМС для двигателей ЯМЗ-240Б, СМД-60, КамАЗ-740 125
4.6. Исследования влияния температуры окружающей среды на динамические показатели УЭМС 128
4.7. Исследования диэлектрических свойств загрязненных моторных масел 132
ГЛАВА 5. Практическое использование и экономическая эффективность результатов исследований 134
5.1. Результаты испытаний УЭМС в производственных условиях 134
5.2. Методика инженерного расчета УЭМС 136
5.3. Технико-экономическая оценка применения УЭМС 141
Общие выводы 144
Литература 146
Приложения 159
- Влияние вязкости моторного масла на работу системы смазки и пуск двигателя внутреннего сгорания при низких температурах
- Разработка математической модели процесса подогрева моторного масла в поддоне картера ДВС устройством с саморегулированием мощности
- Методика исследование контактного термического сопротивления между позистором и пластиной
- Исследования контактного термического сопротивления между позистором и пластиной
Введение к работе
Актуальность работы. Бблыпая часть территории Российской Федерации находится в северной климатической зоне, в условиях которой эксплуатируется 80 % автотракторного парка страны Несмотря на суровые условия, зимой выполняется около 70 % объема транспортных и тракторных работ на Севере и Северо-востоке, а в целом по стране до 30 % годового объема всех тракторных работ. На нынешнем этапе развития сельского хозяйства практически отсутствует централизованное хранение техники в отапливаемых гаражах в зимний период, и большая ее часть хранится на открытых площадках. Поэтому время, затрачиваемое на предпусковую подготовку двигателя, составляет 40 - 80 мин, а износ двигателя в процессе пуска до 70 % от общих эксплуатационных износов. В условиях эксплуатации автотракторной техники наиболее эффективным способом решения данной проблемы является предпусковой подогрев.
Большинство научных работ по подогреву моторного масла в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) проводилось на традиционных средствах тепловой подготовки (трубчатые электронагреватели, индивидуальные подогреватели, газовые горелки, и пр.). Однако за последние 15-20 лет произошли значительные изменения в науке и технике Проведенные поисковые научно-исследовательские работы (НИР) показали, что, используя современные достижения можно создать новые высокоэффективные технические средства предпускового подогрева моторного масла в поддоне картера ДВС, используя саморегулируемые источники тепла, обеспечивающие высокую надежность и качество этой технической операции. Информационно-патентные исследования показали, что до настоящего времени нет методик расчета и проектирования электронагревательных устройств, выполненных на базе саморегулируемых нагревательных элементов (позисторов), что сдерживает широкое их использование. Поэтому работа по разработке и обоснованию параметров электронагревательных устройств с саморегулированием мощности является актуальной научной задачей и представляет значительный теоретический и прикладной интерес.
Работа выполнена в соответствии с Федеральной программой «Создание техники и энергетики нового поколения и формирование эффективной инженерно-технической инфраструктуры агропромышленного комплекса» 2001 -2005 гг.
Объект исследований. Объектом исследований являются теплообменные процессы предпускового подогрева моторного масла в поддоне картера ДВС и режимы работы устройства с саморегулированием мощности.
Методика исследований. Поставленные задачи решены путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. В работе использованы положения теории эксплуатации автотракторной техники, теплообмена, теоретических основ электротехники, а также методы физического моделирования математической обработки экспериментальных данных и современного компьютерного моделирования (MathCAD 2001 і, Curve Expert 1.34, STATISTICA).
ЮС и. пальна*
F. f>A
і
Научная новизна работы. Обоснован принцип повышения срока эксплуатации автотракторной техники на основе применения в зимний период устройства электроподогрева моторного масла с саморегулированием мощности (УЭМС). Разработана математическая модель процесса подогрева моторного масла в поддоне картера ДВС, позволяющая установить закономерности изменения энергетических и режимных параметров УЭМС. Определены оптимальные конструктивные и энергетические параметры УЭМС.
Практическая значимость:
конструктивная схема устройства электроподогрева моторного масла с саморегулированием мощности, размещенном в поддоне картера ДВС, защищенная патентом РФ № 2201525 и положительным решением на выдачу патента № 2001128548/06(030417) от 22.10.2001,
программа расчета динамических характеристик устройства электроподогрева моторного масла с саморегулированием мощности;
обоснованные энергетические и конструктивные параметры УЭМС;
разработанная номограмма выбора мощности УЭМС для различной автотракторной техники;
алгоритм и методика инженерного расчета основных параметров УЭМС.
Реализация результатов исследований. УЭМС используется для подогрева моторного масла в двигателях внутреннего сгорания в зимний период в СПК «Серебряковская Нива» Тамбовского района, Тамбовской области. Результаты исследований включены в «Программу мероприятий по реализации и финансовому обеспечению» серийного производства УЭМС, согласованную с заводом-изготовителем теплового оборудования на базе позисторов ОАО «Алмаз» г. Ко-товск. Также результаты исследований используются в учебном процессе Тамбовского государственного технического университета при изучении дисциплинам «Эксплуатация машинно-тракторного парка» и «Электроосвещение и электротехнологии в сельском хозяйстве».
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации доложены, обсуждены и одобрены на конференциях: VII научно-технической г. Тамбов, ТГТУ, 2002; VIII научно-технической г. Тамбов, ТГТУ 2003; XI Международной научно-практической г. Москва, ГНУ ВИМ, 2002; Ш международной научно-технической г. Москва, ГНУ ВИЭСХ, 2003.
Публикация результатов работы. Материалы диссертации отражены в 11 печатных работах, 1 патенте и 1 положительном решении на выдачу патента. Общий объем публикаций составляет 3,5 п.л., из них 1,34 п.л. принадлежат лично соискателю.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 166 наименований, из них 7 на иностранном языке, изложена на 190 страницах, включая 78 рисунков, 13 таблиц и 5 приложений. 2
Влияние вязкости моторного масла на работу системы смазки и пуск двигателя внутреннего сгорания при низких температурах
Влияние вязкости моторного масла на работу системы смазки и пуск двигателей внутреннего сгорания (ДВС) при низких температурах рассматривается в работах [1-5, 31-62].
Современный двигатель внутреннего сгорания представляет собой сложный механизм, работоспособность которого зависит от четкого функционирования его различных систем и, в первую очередь, системы смаз-ки.[39]
Система смазки служит для уменьшения трения и износа деталей и в тоже время является внутренней системой охлаждения двигателей. При низких температурах окружающей среды функция моторного масла как охладителя двигателя не является первостепенной, однако его вязкость носит главенствующий характер, что отмечено во множестве работ посвященных эксплуатации двигателей [38, 39, 44, 47, 49, 52, 55, 56].
Как было установлено ранее, вязкость масел очень чувствительна к изменению температуры и в зимнее время может увеличиваться в тысячи раз до полной потери подвижности при температуре застывания (рис. 1.1). Резкое увеличение вязкости моторных масел при низких температурах снижает частоту вращения коленчатого вала и эффективность работы масляного насоса, а также масляной системы в целом (закупорка сетки маслоприемника, масленых фильтров и пр.). Давление в системе нарастает медленно, и даже нормальное давление в этих условиях не может гарантировать гидродинамический режим смазывания в парах трения, в результате чего происходит износ деталей (цилиндров, поршневых колец, подшипников коленчатого вала и
Таким образом, при определенной вязкости (температуры) моторных масел происходит резкое снижение их прокачиваемости, что увеличивает износ двигателя. Однако данные количественной оценки влияние вязкости и температуры моторного масла на износ двигателя не однозначны. Работы по исследованию влияния низких температур на интенсивность изнашивания автомобилей, а также их агрегатов, систем и механизмов, ведутся многими учеными [38 - 44].
По данным И.М. Примакова, износ двигателя В-6 при понижении температуры от 20 до -35 С увеличивается в 2.0...2.5 раза. А.А. Гуреев [18] показал, что понижение температуры двигателя и моторного масла от 20 до -30 С ведет к увеличению скорости его изнашивания в 3 раза.
В работе [57] автор утверждает, что для обеспечения надежной работы системы смазки, необходимо чтобы вязкость масла не превышала 10 000 сСт.
В работе [13] автор указывает, что важным условием надежной работы двигателя, является подача масла к поверхностям трения. Исследования, проведенные на двигателе А-41, показали, что при использовании масла М-8В2 и температуре -10...-15 С расход через подшипники составляет всего 0,6...0,9 л/мин. Такой расход не обеспечивает жидкостного режима смазки, приводит к разрыву масляного слоя в подшипниках и контактированию их поверхностей с шейками коленчатого вала.
Г.С. Ласавио [15, 50, 51] обобщил различные данные о величинах пусковых износов. Он предложил метод расчета величины пускового износа двигателя в зависимости от температуры. В качестве параметра для сравнения величин износов им принят диаметральный износ цилиндров за один пуск, выраженный в эквивалентный ему «пробегом» износ цилиндров. На рис. 1.3 показана зависимость пробега, эквивалентная по износу одному пуску, от общего температурного состояния двигателя.
Как видно из рисунка, при понижении температуры ниже 20 С пусковые износы двигателей начинают резко возрастать. Однако при температурах моторных масел близких к потере их текучести двигатель может вовсе не запустится.
Для надежного пуска двигателя скорость проворачивания или частота вращения коленчатого вала (пдв) должна быть равна или превышать минимальную пусковую частоту вращения (nmjn), обеспечивающую процесс подготовки горючей смеси в карбюраторном двигателе или достаточную темпе 14 ратуру конца сжатия в дизеле, т.е. должно быть выполнено условие пдв nmj [11].
Зависимость пробега, эквивалентная по износу одному ПУСКУ, от общего температурного состояния двигателя Г501
В работе [12] приводится предельная вязкость масла (80-120 Ст), при которой стартер автомобиля развивает минимально необходимую для пуска данного двигателя частоту вращения коленчатого вала (30-50 об./мин. для карбюраторных и 100-300 об./мин. для дизельных двигателей ).
Автором работы [31] указывается, что опытом эксплуатации двигателей и исследованиями установлена предельно допустимая вязкость смазочных масел при пуске. Например, для двигателей ЗИЛ-130, ЗИЛ-35, ГАЗ-63, ЯМЗ-236 она равна 120-130 Ст.
В работе [13] отмечается, что максимальной вязкостью масла, при которой возможен запуск двигателя от стартера, считается 2000...5000 сСт, циркуляция масла в системе смазки прекращается при вязкости 20 000 сСт, а заметное уменьшение подачи и ухудшение разбрызгивания масла внутри узлов трения происходит уже при вязкости 4000...5000 сСт.
Таким образом, момент сопротивления прокручиванию, прокачивае-мость и вязкостно-температурная характеристика масла носит одинаковый характер, указывая на тесную связь этих факторов и значительное влияние на запуск двигателя внутреннего сгорании при низких температурах окружающей среды.
Проведенный анализ влияния вязкости моторного масла на пуск ДВС при низких температурах показывает, что необходимо проводить тепловую предпусковую подготовку двигателя, эффективность применения которой, как для облегчения пуска в условиях низких температур, так и для обеспечения повышения долговечности и безотказности основных сопряжений, подтверждена многочисленными исследованиями и опытом зимней эксплуатации.
Способы и средства улучшения режимов работы системы смазки во время пуска двигателя при низких температурах окружающей среды
Разнообразные условия зимней эксплуатации и технические особенности использования тракторов и автомобилей, различные возможности обеспечения предприятий смазочными материалами, топливом и электроэнергией, конструктивные особенности карбюраторных и дизельных двигателей жидкостного и воздушного охлаждения определяют требования к способам и средствам улучшения режимов работы системы смазки во время пуска ДВС. Этим вызвано большое разнообразие способов и средств подогрева моторного масла в ДВС, применяемых в различных отраслях народного хозяйства предлагаемых в работах [63 - 96]. Их классификация представлена на рис. 1.4.
Разработка математической модели процесса подогрева моторного масла в поддоне картера ДВС устройством с саморегулированием мощности
Для выбора средней мощности УЭМС расчетным путем были получены номограммы (см. приложение 3), учитывающие выше полученное значение рациональной удельной площади устройства и его обоснованных конструктивных параметров. С помощью номограмм, в зависимости от объема моторного масла в поддоне картера и количества позисторов используемых в устройстве, можно определить среднюю потребляемую мощность УЭМС за период нагрева. Это позволяет выбирать устройства электроподогрева моторного масла для различных типов двигателей.
Однако с научной позиции важно установить оптимальную потребляемую мощность при минимуме затрат электроэнергии на подогрев.
На основании выше изложенного, были проведены теоретические исследования с помощью математической модели (2.20) по подогреву моторного масла в поддонах картеров автотракторной техники наиболее часто используемой в сельском хозяйстве: Т-40, КАМАЗ, Т-150, К-700. Значение средней мощности варьировалось с помощью номограмм в пределах Рср= 350-И 500 Вт. Так как мощность установки должна выбираться таким образом, чтобы обеспечить достижение температуры моторного масла при наиболее низких температурах окружающей среды в регионе [33], то для расчетов эта температура принималась равной минус 40 С.
Из рис.2.22 видно, что увеличение средней мощности УЭМС приводит к снижению времени нагрева моторного масла в поддоне картера. Однако при значениях средней мощности УЭМС выше 450 Вт для трактора Т-40, 600 Вт для трактора Т-150, 720 Вт для двигателя автомобиля КамАЗ, 1.1 кВт для двигателя трактора К-700, уменьшение времени нагрева становится менее интенсивным. Это означает, что эффективность процесса нагрева падает, увеличиваются потери в окружающую среду, что отражается на расходе электроэнергии.
Зависимость времени подогрева моторного масла от средней мощности УЭМС Увеличение потерь происходит из-за увеличения средней температуры моторного масла за период нагрева и соответственно температуры стенок поддона картера, а, следовательно, и коэффициентов теплоотдачи а.зср, ot4Cp. Ha рис.2.23 показана зависимость средней температуры моторного масла tMxp рVC.CD5 Вт в поддоне картера двигателя КамАЗ от средней мощности УЭМС Рус.ср р Вт
Зависимость средней мощности УЭМС от средней за период нагрева температуры моторного масла Средняя температура моторного масла за период нагрева вычислялась согласно выражению:
На рис.2.24 показана зависимость расхода электроэнергии от средней мощности УЭМС. Согласно полученным данным минимум расхода электроэнергии на подогрев моторного масла наблюдается у трактора Т-40 в пределах средней мощности от 420 Вт до 500 Вт, у трактора Т-150 в пределах от 450 Вт до 550 Вт, у автомобиля КамАЗ в пределах от 620 Вт до 700 Вт, у трактора К-700 в пределах от 1 кВт до 1.1 кВт.
Таким образом, в ходе теоретических исследований был проведен анализ энергетических и режимных показателей саморегулируемого устройства электроподогрева моторного масла в поддонах картеров двигателей внутреннего сгорания в зимний период, обоснованы его конструктивные и режимные параметры, позволяющие снизить материалоемкость устройства и энергоемкость процесса подогрева
В программу входило: - исследования по выбору позистора для УЭМС; - исследование контактного термического сопротивления между позис-тором и пластиной; - исследования по обоснованию конструктивных параметров УЭМС; - исследования по формированию температурного поля в поддоне картера ДВС; - исследования по обоснованию мощности УЭМС для двигателей ЯМЗ-240Б, СМД-60, КамАЗ-740; - исследование влияния температуры окружающей среды на динамические показатели УЭМС; - исследование диэлектрических свойств загрязненных моторных масел. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных усло виях ГНУ ВИИТиН и на центрально-испытательной станции завода по вы пуску позисторов ОАО «Алмаз».
Для эффективного использования электронагревательных устройств, выполненных на базе позисторов, необходим выбор этих нагревательных элементов в соответствии с их номинальными параметрами и температурными характеристиками. На нынешнем этапе развития промышленности по производству терморезисторов, предлагается широкий выбор позисторов для различньїх целей использования: датчики температуры, элементы для тепловой защиты электродвигателей, электронагревательные элементы и др.
С учетом специфики эксплуатации электронагревательных устройств разогрева моторного масла: высокая вязкость, низкая теплопроводность и конвекция разогреваемой среды, необходимо обосновать параметры позисторов, которые наиболее подходят для этой цели.
Целью проведения исследований являлся выбор типа позистора, а также подтверждение результатов теоретических исследований.
В таблице 3.1 приведены позисторы отвечающие выше перечисленным требованиям, однако необходимо изучить влияние номинального сопротивления позистора на динамические показатели работы УЭМС и выбрать по-зистор с наилучшими параметрами.
Схема лабораторного стенда представлена на рис.3.4. Стенд состоит из камеры холода (КХТ - 04 - 004) 1; поддона картера двигателя внутреннего сгорания 2; измерительной аппаратуры и источника питания: комбинированного измерительного прибора Щ-300 (относительная погрешность прибора составляет ±0.1 %) 3, самописец КСП4 (с относительной погрешностью ±1.5 %) 4 и термометры сопротивления ТСП-50М (с погрешностью ±2 %) 5,
Измерительная аппаратура галетный переключатель 6, источник питания постоянного тока В-ТГТПД-315-28,5 7; электронагревательного устройства выполненного в виде пластины 8 и припаянных к ней позисторов 9. Электронагревательное устройство помещено в поддон картера с моторным маслом 10; измерение температуры пластины и позисторов электронагревательного устройства производились с помощью термопар ХК (с погрешностью ±1.2 %)
Эксперимент производился следующим образом.
Перед началом опытов проводилась тарировка измерительной аппаратуры. В поддон картера устанавливалось электронагревательное устройство и заливалось моторное масло. После включения камеры холода КХТ происходило охлаждение моторного масла в поддоне картера 4-5 часов. При достижении моторным маслом и воздухом в камере температуры -20 С (значения температур воздуха в камере и моторного масла фиксировалось самописцем КСП с помощью термометров сопротивления ТСМ). От многоцелевого выпрямителя В-ТППД-315-28,5 подавалось напряжение 24В постоянного тока на электронагревательное устройство. Ток, проходящий через позисторы, вызывал их разогрев. Теплота от позисторов передается теплопроводностью - камера холода (КХТ - 04 - 004), 2 комбинированный
Vxwvx «-г w-г,, . - х.оддон картера ДВС, 3 - прибор цифровой Щ-300, 4 - самописец КСП4, 5 - термометры сопротивления ТСП-50М, 6 - галетный переключатель, 7 - источник питания постоянного тока В-ТППД-315-28,5, 8 - пластина, 9 - позисторы, 10 - моторное масло, 11 - термопары ХК
Рис. 3.4. Схема лабораторного стенда по выбору типа позистора к пластине (температура позистора и пластины через термопары и галетный переключатель фиксировалась комбинированным измерительным прибором Щ-300).
На панели выпрямительного устройства вольтметром, фиксировались значения приложенного напряжения, амперметром потребляемого тока электронагревательным устройством. Процесс нагрева моторного масла в поддоне картера проводили до температуры 20 С.
Методика исследование контактного термического сопротивления между позистором и пластиной
Однако после 6 минут разогрева кривые динамик сливаются. Это происходит оттого, что площадь активной поверхности исследуемых устройств приблизительно одинаковы. Коэффициент теплопередачи от позистора в моторное масла через корпус устройства определяется в значительной степени теплофизических свойств масла и одинаков для исследуемых устройств. Поэтому количество тепла передаваемого от позистора в моторное масло для всех вариантов является также одинаковым.
Выше сказанное подтверждают данные, приведенные на рис. 4.19. Как видно из рисунка динамики разогрева моторного масла сливаются.
Таким образом, анализируя полученные в результате проведенных исследований данные при различных значениях толщины стенки корпуса устройства, можно сделать вывод, что толщина стенки оказывает несущественное влияние на процесс разогрева моторного масла в поддоне картера ДВС, и следовательно, для уменьшения материальных затрат на изготовление УЭМС толщину стенки корпуса устройства необходимо выбирать из условий механической
В результате обоснования конструктивных параметров УЭМС были получены следующие значения, которые сведены в таблицу 4.1.
Как видно из табл. 4.1., полученные данные подтверждают теоретические исследования. Среднее процентное их отклонение находится в пределах 6.5 - 7.8 %. Исследования формирования температурного поля моторного масла в поддоне картера ДВС
Исследованиям формирования температурного поля при свободной конвекции, происходящей между нагретым телом и жидкостью посвящено множество работ [118,135,136,141 и др.]. В этих исследованиях в основном рассматривается теплоотдача при свободном ламинарном движении вдоль вертикальных пластин. Лишь незначительная часть этих работ посвящена исследованиям теплообмена между горизонтальной пластиной и жидкостью. Между тем характер свободного движения жидкости, вызванной разной плотностью нагретых и холодных слоев в этих вариантах, существенно отличается.
Одной из частных задач по исследованиям формирования температурного поля является задача определения его неравномерности при предпусковом подогреве моторного масла в поддоне картера ДВС. Как было доказано
Поэтому целью проведенных исследований являлось изучение формирования температурного поля моторного масла в поддоне картера ДВС, а также обоснование расположения УЭМС относительно днища поддона (горизонтальное, либо вертикальное).
На рис. 4.20 представлено распределение температуры внутри поддона картера двигателя КАМАЗ по диагонали А. При этом подогрев моторного масла осуществлялся с помощью УЭМС расположенного горизонтально (рис. 3.6). В начальный момент времени температура моторного масла вдоль диагонали одинаковая. После 5 минут разогрева температура моторного масла на дне поддона картера (непосредственно над устройством) и верхних слоях разогревается интенсивнее, чем в центральной части. Это обусловлено свободно-конвективным движением слоев масла разной плотности. Однако, в течение процесса разогрева происходит выравнивание температурного поля моторного масла по высоте. Неравномерность температурного поля по высоте в конце нагрева составляет Y„ = 6.4 %. По диагонали неравномерность температурного поля на каждом уровне незначительна и в среднем ровна YH = 0.79 %. Температура в центральной части поддона опережает на 0.5-4 градуса температуру в крайних точках. Это происходит в результате потерь тепла от моторного масла в окружающую среду через стенки поддона.
На рис. 4.21 представлено распределение температуры в поддоне картера по диагонали В. Неравномерность температурного поля по высоте в конце нагрева составила YH = 6.2 % (область маслоприемника). По диагонали неравномерность температурного поля на каждом уровне незначительна и в среднем ровна YH = 0.76 %.
На рис. 4.22 показано распределение температуры в поддоне картера по диагонали А при вертикальном расположении УЭМС. Согласно полученным данным, в течении первых 10 мнут подогрева моторного масла температура на дне и в центре поддона практически не изменяется. При этом в верхней части поддона Рис.4.23. Распределение температуры в поддоне картера преимущественно разогреваются верхние слои масла. Если рассмотреть изменение температурного поля по диагонали, то видно, что в центральной части поддона температура моторного масла отстает от крайних точек. Особенно это ярко выражено на дне поддона. Это обусловлено тем, что температура между пластинами УЭМС изменяется быстрее. В течение процесса разогрева происходит выравнивание температурного поля по диагонали. Неравномерность которого в конце процесса разогрева составляет на каждом уровне в среднем YH= 1.5 %, а по высоте Y„ = 21.5 % (в точке «О»).
Однако совсем иную картину температурного поля мы наблюдаем на рис. 4.23 (диагональ В). Здесь имеется большая неравномерность температурного поля. Особенно четко это выражено в нижних слоях масла. Температура между пластинами УЭМС резко отличается от температур в области маслоприемника. Это связано с низкой конвекционной способностью и теплопроводностью моторного масла. В результате этого неравномерность температурного поля в конце процесса подогрева моторного масла по диагонали В составляет в среднем на каждом уровне YH = 157.2 %, а по высоте в области маслоприемника YH = 111 %. Как видно, эти данные сильно отличаются от данных по подогреву с горизонтальным расположением УЭМС, что говорит о низкой эффективности и недостаточном подогреве моторного масла в области маслоприемника (температура под маслоприемником в конце подогрева составила -5.2 С). Выравнивание температурного поля возможно увеличением времени подогрева, но это не целесообразно с экономической точки зрения.
Исследования контактного термического сопротивления между позистором и пластиной
УЭМС - это устройство электроподогрева моторного масла саморегулированием мощности, которое также может быть использовано для нагрева других вязких нефтепродуктов, где необходимо обеспечить отсутствие их пригорання в связи с плохой конвекционной способностью. В этом устройстве нагрев осуществляется за счет прохождения электрического тока через по-зисторы (полупроводниковые нагревательные элементы с положительным температурным коэффициентом сопротивления 8- 15 %-0С" ). В результате высокого ТКС позисторов, их сопротивление и мощность УЭМС существенно зависят от температуры теплоотдающей поверхности и окружающей среды, значения подведенного напряжения и других возмущающих факторов. Это вносит отличительные особенности в методику расчета его конструктивных параметров.
Задачами расчета являются определение мощности и геометрических параметров теплоотдающей поверхности устройства.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований стали основой для разработки методики инженерного расчета конструктивных и энергетических параметров устройства электроподогрева моторного масла с саморегулированием мощности. Алгоритм расчета представлен на рис. 5.1 и заключается в следующем:
Для процесса разогрева вязких нефтепродуктов при свободной конвекции, как было доказано теоретически и практически, необходимо выбирать позисторы с наибольшим номинальным сопротивлением RHOM, а также температурой переключения Тпер удовлетворяющей требованиям сохранения физико-химических свойств разогреваемых веществ. Такими позисторами для разогрева моторного масла являются позисторы с RH0M = 6.8 Ом и Тпер— 130 С.
Согласно полученной мощности устройства, а также зная объем моторного масла в поддоне картера ДВС, тип позисторов и их параметры, по номограмме (приложение 3, рис.5.2) определяем необходимое количество позисторов N и их суммарную площадь Fn.
Зная суммарную площадь позисторов по выражению (4.1) определяем необходимую площадь теплоотдающей поверхности корпуса Fyc устройства. Чистота обработки поверхности, контактирующей с позистором должна быть по V6-7 классу чистоты, что соответствует средней шероховатости материала 10-20 мкм. Контактная поверхность при этом должна быть заполнена теплопроводной пастой. Давление сжатия пластины и позистора должна
На основании габаритных размеров поддона определяем геометрические параметры устройства и оребренность его поверхности. Целесообразность оребрения определяется величиной критерия Био, если Bi 1, то ребро или штыри увеличивают эффективность радиатора [144]: где 8Р - толщина ребра, или эквивалентный диаметр среднего сечения штыря, м; а - коэффициент теплоотдачи от радиатора в моторное масло, вычисляемый по формулам (2.26) Вт/(м2 К); X - коэффициент теплопроводности материала Вт/м-С.
Высота ребер h, штырей также не может увеличиваться произвольно. Оптимальная степень эффективности ребер, штырей определяется соотношением и лежит в пределах 0.8 -0,985 [144]: где t - температура поверхности радиатора (120 -130 С), 5 - толщина стенки корпуса устройства,
Таким образом, на основе результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований была разработана методика инженерного расчета УЭМС, позволяющая в зависимости от требуемой мощности устройства определить основные конструктивные параметры, учитывающие характер протекания тепломассообменных процессов в поддоне картера двигателя внутреннего сгорания. Данная методика может быть полезна конструкторским бюро заводов и проектным организациям при создании саморегулируемых устройств подобного типа.
Технико-экономическая оценка применения устройства разогрева моторного масла Устройство разогрева моторного масла с саморегулированием мощности (УЭМС) по принципу действия можно сравнить с блоком электронагревателей моторного масла в поддоне картера двигателя внутреннего сгорания типа ТЭНБ-154А10/2, 0Р220-И1 выпускаемых по ТУ 16-531.675-79 (базовый вариант).
Отличие базового варианта от нового заключается в том, что в базовом варианте используют пускорегулирующую аппаратуру для ограничения нагрева моторного масла выше допустимого значения.
Таким образом, годовой экономический эффект от применения устройства электроподогрева моторного масла в двигателях внутреннего сгорания с саморегулированием мощности составляет 404 рубля на один двигатель. И так как его стоимость на 47% ниже по сравнению с базовым вариантом (см. табл.5.1), то этот фактор значительно повышает конкурентоспособность УЭМС на существующем рынке для оборудования подобного типа.
