Обоснование применения и расчет теплового аккумулятора для предпусковой подготовки автотракторного двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обоснование применения и расчет теплового аккумулятора для предпусковой подготовки автотракторного двигателя

Потапов Е.А., Вахрамеев Д.А., Арсланов Ф.Р., Мартюшев А.А.,

Корепанов Ю.Г., Шакиров Р.Р.

Аннотация

В статье показан расчет теплового аккумулятора для предпусковой подготовки двигателя на примере самой распространенной в сельскохозяйственном производстве серии Д-240, а также приводится перспективность применения теплового аккумулятора как наиболее энергосберегающего и энергоэффективного устройства.

Ключевые слова: двигатель, тепловой аккумулятор, предпусковая подготовка, снижение расхода топлива, снижение токсичности отработавших газов.

Двигатели внутреннего сгорания относятся к типу тепловых двигателей, которые требуют определенной температурной подготовки для соответствия всем заявленным техническим характеристикам и надежности в работе. Поэтому процессу прогрева ДВС (далее - двигателя) следует уделять достаточно большое внимание и относиться к этому вопросу с должным подходом.

Процесс прогрева двигателя является негативным процессом практически по всем параметрам. В частности, он сопровождается высоким уровнем шумов и вибрации [1], требует определенного рабочего времени, в течение которого не производится полезная работа, затрачивается достаточно большое количество топлива, смазочных материалов, а главное -- в атмосферу с отработавшими газами выбрасывается колоссальное количество всевозможных токсичных и ядовитых компонентов, а также их соединений.

Процесс прогрева наиболее интересен именно с точки зрения исследования характера изменения концентрации токсичных компонентов в отработавших газах. Сразу после пуска двигателя, особенно при сильно отрицательных температурах, происходит выброс оксидов азота (NОx), монооксида углерода (СО), различных углеводородов (СхНх) и многих производных соединений, которые, смешиваясь между собой, могут образовывать еще более опасные токсичные вещества [2]. При этом в период, когда цилиндро-поршневая группа еще недостаточно прогрета, моторное масло слабо снимается со стенок цилиндра маслосъемными кольцами и происходит его горение совместно с топливовоздушной смесью. Как известно, моторное масло содержит достаточно широкий перечень присадок, горение которых сопровождается выделением ядовитых компонентов, а образующаяся при этом сажа хорошо переносит данные вещества, которые впоследствии откладываются в виде пыли внутри навесов и гаражей, химически разрушая конструкционные элементы, либо оседает на растениях, что в конечном итоге приводит к попаданию вредной пыли в дыхательные пути человека и животных [3].

В идеальном случае, чтобы избавиться от всех вышеприведенных негативных явлений, необходимо просто исключить процесс прогрева из режима работы двигателя. Но в реальных условиях эксплуатации сделать это невозможно. Поэтому реальной задачей является снижение времени процесса прогрева за счет температурной предпусковой подготовки двигателя.

На сегодняшний день широкое распространение приобрели следующие виды предпускового подогрева двигателей: применение электрических подогревателей, применение автономных подогревателей, работающих на применяемом топливе, использование подогрева горячей газовоздушной смесью, подогрев горячей водой или паром [4].

Из представленных методов наиболее удобно использование автономных подогревателей [5], не требующих внешнего источника питания, но обладающих достаточно высокой стоимостью и необходимостью использования топлива для работы. Ситуация с использованием электрических подогревателей прямо противоположная. Стоит отметить, что данный метод обладает лишь одним существенным недостатком: это необходимость в наличии электрической сети, что удается обеспечить далеко не всегда. Подогрев двигателя горячей газовоздушной смесью и применение пара - достаточно энергозатратные мероприятия, приводящие к повышенной трудоемкости процесса.

В настоящее время начинают приобретать все большее распространение тепловые аккумуляторы для двигателей, предназначенные для сохранения тепловой энергии охлаждающей жидкости в период стоянки или хранения техники в период между сменами.

На сегодняшний день существует ряд конструкций тепловых аккумуляторов, отличающихся между собой как габаритными размерами, так и эффективностью, ввиду применения различных материалов и узлов. Данные устройства не получили широкого распространения из-за достаточно высокой стоимости по сравнению с другими типами предпускового подогрева двигателя и больших габаритных размеров, так как их применение было ориентировано на легковой транспорт.

Если рассматривать применение тепловых аккумуляторов для предпусковой подготовки двигателей машинно-тракторных агрегатов, грузовых автомобилей и специальной техники, то здесь открываются достаточно широкие перспективы. В таблице 1 приведен сравнительный анализ методов тепловой подготовки автотракторного двигателя, где знаком «+» отмечены преимущества, а знаком «-» - недостатки методов [6]:

Таким образом, проанализировав данные таблицы 1, можно заметить, что, в сравнении с другими типами подогрева двигателя [4, 7], применение теплового аккумулятора является самым перспективным методом, имеющим наибольшее преимущество. А если учесть тот факт, что в нашем случае габаритными размерами можно пренебречь (на любом тракторе или грузовом автомобиле достаточно места для установки теплового аккумулятора), то минусы подобных устройств сводятся лишь к их стоимости. Но и здесь необходимо отметить, что период межсменного хранения эксплуатируемых тракторов сельскохозяйственного производства или промышленного транспорта в зимний период составляет не более 15 часов. Поэтому как к конструкции, так и к материалам теплового аккумулятора в данном случае нецелесообразно применять высокие требования, что, безусловно, существенно снижает и стоимость конечного продукта.

Таблица 1. Сравнительный анализ методов предпускового подогрева

Для увеличения эффективности использования теплового аккумулятора необходимо сохранять тепловую энергию не только охлаждающей жидкости, но и моторного масла с топливом. А в процессе работы двигателя тепловой аккумулятор будет являться еще и теплообменником, позволяющим подогревать топливо в зимнее время, что существенно улучшит качество смесеобразования в цилиндрах двигателя, приведет к уменьшению расхода топлива и снижению образования токсичных компонентов в отработавших газах. Поэтому предлагается использовать конструкцию, показанную на рис. 1 [6]:

двигатель тепловой аккумулятор

Рис. 1. Предлагаемая конструкция теплового аккумулятора

Данная конструкция предусматривает три изолированные друг от друга камеры, предназначенные для охлаждающей жидкости, моторного масла и топлива [8].

Для испытаний был спроектирован и изготовлен опытный образец теплового аккумулятора [6], представленный на рис. 2.

Рис. 2. Опытный образец теплового аккумулятора

Программа испытаний опытного образца была разработана с учетом климатических условий средней полосы России, где самым холодным месяцем является январь со среднемесячной температурой -15°С. Поэтому испытания проведены при температуре воздуха не выше -15°С. Серия экспериментов предусматривала исследование зависимости падения температуры охлаждающей жидкости (антифриз) от времени и падение температуры моторного масла от времени. На основании полученных данных установлены следующие зависимости.

Как видно из графика, представленного на рис. 3, температура охлаждающей жидкости и моторного масла после 15 часов (время между рабочими сменами) хранения в опытном образце теплового аккумулятора составляет 54°С и 39°С, соответственно. Такая разница в температуре обусловлена различной удельной теплоемкостью антифриза (тосола) и моторного масла. Удельная теплоемкость моторного масла существенно ниже, соответственно, оно в закрытом объеме и остывает быстрее.

Полученные результаты являются достаточно хорошими и позволяют произвести предварительный расчет минимального необходимого объема теплового аккумулятора. Для этого на базе одного из ведущих сельскохозяйственных предприятий Удмуртской республики были проведены исследования процесса прогрева двигателя на степень токсичности отработавших газов. Объектом исследования стал двигатель Д-243 трактора МТЗ-82. Пуск двигателя производился при температуре -5°С. По результатам исследования были построены зависимости концентрации основных токсичных компонентов отработавших газов [9] от температуры двигателя (рис. 4). для моторного масла: для охлаждающей жидкости:

Рис. 3. Зависимость снижения температуры охлаждающей жидкости и моторного масла от времени

Рис. 4. Изменение концентрации токсичных компонентов отработавших газов в процессе прогрева двигателя Д-243

Из представленных графиков видно, что сразу после пуска двигателя наблюдается высокая концентрация в отработавших газах монооксида углерода (СО) и оксидов азота (NОx). Это объясняется очень плохим смесеобразованием топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателя ввиду низких температур процесса. Но при этом в процессе горения такой смеси образуются местные очаги с очень высокой температурой, для которой характерно интенсивное образование NОx. По мере прогрева двигателя качество смеси улучшается, результатом чего является снижение концентрации в газах СО и NОх. При достижении температуры двигателя 20°С концентрация NОх вновь начинает возрастать. Это объясняется общим увеличением температуры цикла работы двигателя [6].

Таким образом, при предпусковом подогреве двигателя хотя бы до 20°С удастся в несколько раз снизить токсичность отработавших газов по сравнению с холодным пуском. При этом можно добиться значительной экономии топлива и уменьшить износ деталей двигателя [10, 11].

На основании всех полученных экспериментальных данных проведем расчет теплового аккумулятора на примере самого распространенного в сельскохозяйственном производстве двигателя серии Д-240 в соответствии с предлагаемой ниже методикой.

При расчете минимального необходимого объема теплового аккумулятора необходимо учитывать тот факт, что представленная конструкция теплового аккумулятора предусматривает и подогрев моторного масла, и подогрев топлива. То есть при запуске двигателя температура и качество топливо-воздушной смеси будут значительно выше, чем при поступлении в цилиндры двигателя холодного топлива, а теплота моторного масла позволит значительно повысить температуру стенок цилиндра. Следовательно, если учесть данные аргументы, можно ориентироваться на минимальную допустимую температуру двигателя перед запуском (+5°С -- температуру, рекомендуемую производителем двигателей серии Д-240).

Исходными данными для расчета являются:

- объем моторного масла в картере двигателя (Vм) -- 12 л;

- масса охлаждающей жидкости в малом контуре двигателя (Мо) -- 8 кг;

- масса блока цилиндров в сборе с головкой цилиндров (Мд) -- 250 кг;

- удельная плотность охлаждающей жидкости (р) -- 1,10 г/смі;

- удельная теплоемкость охлаждающей жидкости (Сж) -- 3780 Дж/кг х К;

- удельная теплоемкость материала блока и головки цилиндров (Сд) -- 540 Дж/кг х К.

Особый интерес представляют значения удельных теплоемкостей самого материала двигателя (чугуна) и его рабочих жидкостей (антифриза либо тосола и моторного масла). Физический смысл данной величины заключается в способности материалов накапливать внутреннюю (тепловую) энергию или отдавать ее в процессе теплопередачи. Поэтому в представленных далее расчетах примем удельную теплоемкость охлаждающей жидкости за эталонную [3], а массу двигателя приведем к массе охлаждающей жидкости. Это позволит существенно упростить все дальнейшие расчеты, не прибегая к сложным зависимостям, при этом данное допущение существенно не отразится на точности конечных результатов.

Перед началом расчета также следует обратить внимание на процесс смешивания жидкостей. В ходе проведения экспериментальной работы были использованы две емкости с антифризом. Одна емкость была нагрета до температуры 50°С, соответствующей температуре жидкости в тепловом аккумуляторе после периода межсменного хранения, вторая емкость была охлаждена до температуры -15°С, соответствующей средним климатическим условиям. Далее данные жидкости смешивались между собой в разных пропорциях, и проводился замер их конечной температуры. По результатам работы была построена зависимость, показанная на рис. 5 [3]:

Рис. 5. Процесс смешивания антифриза

двигатель тепловой аккумулятор

Из графика видно, что зависимость является прямо пропорциональной, и при смешивании антифриза в равных долях мы получаем конечную температуру, равную 17°С. Если смешать теплый и охлажденный антифриз в пропорции 2/3, то конечная температура составит уже около 29°С.

Условимся, что минимальная температура двигателя после тепловой подготовки к запуску должна составлять не ниже 5°С, в соответствии с рекомендациями производителей автотракторной техники.

Итак, приведенная к свойствам жидкости масса блока цилиндров и головки блока двигателя [3]:

Мпр = Мд Ч Сд/С

Мпр = 250 Ч 540/3780 = 35,7 кг

В соответствии с пропорцией смешивания жидкостей 3/2, приведенной ранее по тексту, необходимая масса охлаждающей жидкости теплового аккумулятора [3]:

Мт = 3Мо / 2

Мт = 3(8) / 2 = 12 кг.

Полная масса охлаждающей жидкости в малом контуре системы охлаждения двигателя с учетом теплового аккумулятора [3]:

Мп = Мо + Мт

Мп = 8+12 = 20 кг.

Температура охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя после полного смешивания с теплой жидкостью теплового аккумулятора составит 29°С, так как 8 кг охлаждающей жидкости с температурой -15°С (с холодного двигателя) смешиваются с 12 кг охлаждающей жидкости с температурой 50°С (с теплового аккумулятора после 15 ч. хранения жидкости). Тогда, зная прямо пропорциональную зависимость графика смешивания охлаждающей жидкости (рис. 5), определим примерную температуру двигателя после прогрева при его первоначальной температуре -15°С (рис. 6).

Пропорцией в графике является соотношение полной массы охлаждающей жидкости Мп к приведенной массе двигателя Мпр: 20/35.7, или сокращенно - 3/5 (с учетом округления до целых чисел).

Рис. 6. Зависимость конечной температуры двигателя от начальной температуры антифриза

На графике, представленном на рис. 6, соотношение 3/5 соответствует конечной после процесса теплопередачи температуре двигателя +0,8°С, что не соответствует исходным требованиям (+5°С). По графику видим, что минимальное необходимое соотношение теплой к холодной охлаждающей жидкости в массе составит 9/11 для температуры +5°С. Тогда минимально необходимая полная масса охлаждающей жидкости малого контура системы охлаждения двигателя с учетом теплового аккумулятора составит:

Мп=Мпр. Ч 9/11

Мп=35,7 Ч 9/11 = 29,3кг

В соответствии с формулой 3, масса охлаждающей жидкости теплового аккумулятора равна:

Мт=29,3 - 8 = 21,3 кг

Объем охлаждающей жидкости в тепловом аккумуляторе, с учетом удельной плотности:

Vож = Мт / р

Vож = 21,3 /1,1 = 19,4 л

Если учитывать, что конструкция теплового аккумулятора предусматривает и изолированную камеру для хранения моторного масла, то общий объем конструкции:

Vт =Vож + Vм

Vт = 19,4 + 12 = 31,4 л

В основном, конструкция тепловых аккумуляторов выполняется в форме цилиндра. Это обусловлено простотой конструкции и технологичностью изготовления. При этом наружная площадь конструкции должна быть минимальна с целью максимального снижения тепловых потерь при хранении. Для наглядности представленной информации приведем график зависимости полной площади цилиндра от соотношения его диаметра к высоте при постоянном объеме (рис. 7).

Рис. 7. График зависимости полной площади цилиндра от соотношения его диаметра к высоте при постоянном объеме

Как видно из графика, условием, когда обеспечивается минимальная площадь поверхности цилиндра, является равенство его высоты и диаметра основания. Но конструктивно это соотношение может быть выбрано в пределах от 0,8 до 1,2. В данном диапазоне соотношений высоты цилиндра к диаметру его основания полная площадь поверхности цилиндра имеет минимальные значения.

Рассчитаем минимальные габаритные размеры для рассчитываемого теплового аккумулятора с учетом равенства высоты теплового аккумулятора (Н) к диаметру его основания (D): Н=D, зная общий объем теплового аккумулятора, рассчитанный выше:

D = 340 мм

Принимая во внимание толщину теплоизоляционного слоя, равного 35 мм (см. рис. 2), получаем габаритные размеры теплового аккумулятора двигателя Д-243: высота -- 375 мм и диаметр 375 мм. На тракторе МТЗ-82 разместить данное устройство не составит трудностей.

Подобные расчеты возможно провести и для других моделей двигателей.

Анализируя представленную информацию, нужно отметить, что в условиях российского климата среднемесячная температура воздуха выше +5°С наблюдается лишь в течение 5 месяцев в году, а среднегодовая температура составляет -5,5°С. Между тем, согласно требованиям производителей автотракторной техники, при понижении температуры окружающей среды ниже +5°С рекомендуется производить предпусковую тепловую подготовку [10]. Соответственно, предпусковой подогрев имеет особую актуальность в условиях российского климата, и применение в качестве источника предпускового подогрева тепловых аккумуляторов для двигателей машинно-тракторных агрегатов, специальной техники, грузовых автомобилей, множества моделей легкового транспорта вполне обоснованно и, ввиду представленных преимуществ, имеет большие перспективы в будущем.

Список использованных источников

1. Егоров Н.М., Халиуллин Ф.Х. Снижение вибрации и шума механических транспортных средств // Сельский механизатор. - 2017, №6. - С. 105-107.

2. Шакиров Р.Р., Давыдов Н.Д., Арсланов Ф.Р. Снижение токсичности отработавших газов двигателя машинно-тракторного агрегата в реальных эксплуатационных условиях // Современные проблемы экологии. Тезисы докладов XIV Международной научно-технической конференции. -Тула: Инновационные технологии. - 2016. - С. 52-55.

3. Потапов Е.А., Вахрамеев Д.А., Арсланов Ф.Р., Шакиров Р.Р., Давыдов Н.Д., Корепанов Ю.Г. Анализ методов предпусковой подготовки двигателя машинно-тракторного агрегата // Динамика механических систем: Материалы I Международной научно-практической конференции, посвященной памяти профессора А.К. Юлдашева. - Казань. - 2018. - С. 79-84.

4. Ловцов И.А., Козликин В.И. Применение современных инженерных решений в методах предпускового подогрева автомобильных двигателей // Современные автомобильные материалы и технологии (САМИТ-2016): сборник статей VIII Международной научно-технической конференции. - 2016. - С. 236-239.

5. Денисов Р.В., Петухов М.Ю. Перспективы использования автономных предпусковых подогревателей в условиях ужесточающихся экологических требований к двигателям автомобилей // Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика: матер. науч.-практ. конф.: в 2т. - Пермь: Изд-во ПНИПУ. - 2014, т. 2. - С. 120-126.

6. Потапов Е.А., Вахрамеев Д.А., Корепанов Ю.Г., Богданов А.С., Попов А.В. Тепловой аккумулятор для предпусковой подготовки двигателя машинно-тракторного агрегата // Динамика механических систем: Материалы I Международной научно-практической конференции, посвященной памяти профессора А.К. Юлдашева. - Казань. - 2018. - С. 84-90.

7. Каллимуллин Р.Ф. Эффективность предпускового подогрева автомобильного двигателя // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. - 2015, №1 (41). - С. 11-16.

8. Пат. 182409. Российская Федерация. Тепловой аккумулятор для двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Вахрамеев Д.А., Потапов Е.А., Корепанов Ю.Г.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Ижевская государственная сельскохозяйственная академия. - № 2017138880; заявл. 08.11.2017 г.; опубл. 16.08.2018 г. - 6с.: ил.

9. Марков В.А.,. Баширов Р.М, Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2002. - 376 с., ил.

10. Неговора А.В., Рязапов М.М., Шерстнев Н.А. Повышение эффективности работы жидкостного предпускового подогревателя // Технологии реновации машин и оборудования: материалы Всероссийской научно-практической конференции в рамках XI Промышленного салона и специализированных выставок «Промэкспо, станки и инструмент», «Сварка, контроль, диагностика». - 2016. - С. 184-188.

11. Неговора А.В., Гусев Д.А. Обоснование конструктивно-режимных параметров предпускового подогревателя // Труды ГОСНИТИ. - 2016, т. 125. - С. 90-96.

Размещено на Allbest.ru