CC BY
38
УДК 621.43.629
АПРОБАЦИЯ СПОСОБА УСТРАНЕНИЯ ПЕРЕГРЕВА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПУТЕМ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ИЗМЕНЕНИЯ СКОРОСТИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ
В. П. Денисов, А. П. Домбровский, О. О. Домбровская
Аннотация. Экспериментально проверен способ устранения перегрева двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с помощью пульсирующего изменения скорости теплоносителя в системе охлаждения. Преимущество предлагаемого способа заключаются в том, что путем повышения турбулентности теплоносителей, которая достигается созданием пульсирующего скоростного режима течения теплоносителей, увеличивается количество отводимого с охлаждающей жидкостью тепла. Данный метод повышает надежность функционирования автомобиля в экстремальных условиях эксплуатации, например, при длительном нахождении в транспортной пробке и высокой температуре окружающей среды.
Ключевые слова: полосовой фильтр, система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, частота вращения электропривода, автоматическое управление.
Введение
Сегодня к двигателям внутреннего сгорания транспортных средств предъявляются жесткие требования по многим параметрам, таким как высокая мощность и, одновременно, экономичность, надежность и долговечность. С увеличением мощности двигателей транспортных средств, для обеспечения их оптимального теплового режима ужесточаются требования к эффективности систем охлаждения. Это требование особенно актуально для работы в тяжелых климатических условиях расширенного температурного диапазона окружающей среды от -50°С до +50°С. Существует много вариантов улучшения систем охлаждения ДВС. В работе [1] предложен способ уменьшения температуры ДВС с помощью увеличения турбулентности охлаждающего воздуха.
В данной статье представлена экспериментальная установка для проверки гипотезы уменьшения температуры ДВС с помощью увеличения турбулентности охлаждающего воздуха. На основании полученных экспериментальных данных показана возможность уменьшения температуры охлаждающей жидкости без изменения конструкции системы охлаждения путем управления процессом охлаждения с помощью увеличения турбулентности охлаждающего воздуха.
Обоснование метода понижения температуры ДВС
Известно, что турбулентность теплоносителей приводит к увеличению процесса охлаждения. Турбулентность можно создать, например: увеличив число Рейнольдса (увеличив линейную или угловую скорость); увеличив число Релея (нагрев среду); увеличив
число Прандтля (уменьшив вязкость), или задав сложный вид внешней силы (хаотичная сила) [2]. Опыт эксплуатации транспортных средств и эксперименты, проведенные на двигателях В-2 и А-41М, показали, что пульсирующее изменение скоростного режима теплоносителей, т. е. увеличения турбулентности течения воздуха и охлаждающей жидкости, приводит к уменьшению температуры ДВС[3]. Увеличение турбулентности происходит по причине случайного изменения частоты вращения коленчатого вала. Коленчатый вал двигателя вращает вентилятор и насос. Частота вращения вала двигателя зависит от колебаний момента сопротивления, действующих на машину. Изменения момента сопротивления носят случайный характер. Все эти процессы и приводят к уменьшению температуры ДВС.
На современных транспортных средствах широко используется электропривод вентилятора. Таким образом, появилась возможность реализации пульсирующего режима течения теплоносителей с помощью управления работой электропривода вентилятора.
При использовании транспортных средств могут возникать экстремальные ситуации, когда традиционные методы управления насосом и вентилятором не позволяют поддерживать температуру двигателя в допустимых пределах.
Располагая электроприводом вентилятора, можно воспроизвести пульсирующее изменение скоростного режима течения воздуха, что позволит уменьшить температуру охлаждающей жидкости на выходе из радиатора. Для этого был разработан алгоритм управления работой вентилятора, который позволил осуществить пульсирующее изменение скоростно-
го режима воздуха через радиатор. Для реализации алгоритма были получены основные характеристики случайного процесса, при осуществлении которого и возникает эффект дополнительного охлаждения ДВС.
Основные математические характеристики, используемые при создании алгоритма управления работой вентилятора системы охлаждения ДВС
Параметры пульсирующего изменения скорости вращения вентилятора задавались из опыта эксплуатации транспортных средств, где вентилятор приводился в действие коленчатым валом двигателя. Для определения дисперсии крутящего момента необходимо знать автокорреляционные функции колебаний нагрузки. Экспериментально получены для колебаний нагрузки, действующей на транспортные средства, автокорреляционные функции и нормированные спектральные плотности, которые аппроксимируются выражениями [4]:
R (т) = аМеа cos /т , (1)
Se (®) = 2аа
а2 + /2 +ю2
(а2 + / +®2 ) - 4Р2а>2
(2)
2 J2 - 4/
В работе [4] а и ¡3 - коэффициенты, характеризующие затухание автокорреляционной функции и частоту периодической составляющей процесса, соответственно.
Для осуществления пульсаций сигнала получена дискретная передаточная функция формирующего фильтра, позволяющая сформировать выходной случайный сигнал с требуемой спектральной плотностью.
Входным сигналом формирующего фильтра является нормально распределенный дискретный белый шум £(п), то есть некоррелированная последовательность случайных чисел с математическим ожиданием
=0 и дисперсией а2 =1. Генерация белого шума £(п) производится программно с помощью датчика случайных чисел.
Пульсации сигнала реализуем в виде стационарного случайного сигнала с полосовым частотным спектром, нормированная корреляционная функция которого для непрерывного процесса описывается выражением [3]:
RT) = еа cos /т ; (3)
Выбор корреляционной функции данного вида делает возможным формировать пуль-
сации в требуемой полосе частот, изменяя параметры а и /3 .
Нормированная корреляционная функция дискретного процесса
R(n) = е~а" cos //n ; (4)
где а = aAt; / = /At; At - интервал дискретизации по времени.
Для реализации в микроконтроллере случайного сигнала с полосовым частотным спектром представим формирующий фильтр рекуррентной зависимостью [1]
£(n) = a£(n) + a£(n - 1) - b£(n - 1) - b^3(n - 2) ; (5)
где £ - входной и выходной сигналы формирующего фильтра, соответственно; а0, а1, b1, b2- параметры формирующего фильтра, зависящие от а и / .
Реализация алгоритма полосового фильтра в соответствии с выражением (5) позволяет осуществить пульсирующее течение теплоносителей в контуре охлаждения ДВС.
Экспериментальная установка
Испытания для подтверждения правильности вышесказанных теоретических предположений проводились на разработанной экспериментальной установке.
Экспериментальная установка включает в себя следующие элементы: персональный компьютер (ПК), программируемый логический контроллер (ПЛК), блок управления электровентилятором системы охлаждения «Борей» (БУ ЭВСО) ООО «СиличЪ», вентилятор системы охлаждения с электроприводом, ДВС, датчик температуры двигателя, датчик оборотов вентилятора системы охлаждения, датчик напряжения (рис. 1).
Установка функционирует следующим образом. ПЛК выдаёт с помощью ЦАП на аналоговый выход напряжение в диапазоне, равном диапазону изменения сигнала с датчика температуры ДВС. Аналоговый выход заведён на аналоговый вход «Борея», контролирующего температуру ДВС и выдающего с помощью встроенного в него блока широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжение питания электропривода вентилятора, тем самым изменяя скорость его вращения. Таким образом, мы можем осуществлять управление вращением вентилятора по заданному нами алгоритму.
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки
БУ ЭВСО «Борей» является устройством для плавного управления мощностью вентилятора системы охлаждения с помощью ШИМ [5]. Устройство монтируется в штатную электрическую схему системы охлаждения. Инструкция по настройке и схемы монтажа указаны в руководстве по эксплуатации на устройство. Датчик температуры охлаждающей жидкости закреплён в патрубок на выходе радиатора.
Программируемый логический контроллер - это электронная составляющая промышленного контроллера, специализированного (компьютеризированного) устройства, используемого для автоматизации технологических процессов. В экспериментальной установке был использован ПЛК Siemens S7-200 224XP, номинальным напряжением питания 24 В постоянного тока (рис. 2). ПЛК содержит четырнадцать цифровых входов, десять цифровых выходов, два аналоговых входа, один аналоговый выход и два коммуникационных порта для обмена данными [6].
Управляющий сигнал для БУ ЭВСО «Борей» формировался на аналоговом выходе ПЛК с погрешностью ±0,5 %. Обороты вентилятора измерялись датчиком, состоящим из излучателя и приёмника инфракрасного диапазона, с погрешностью ±0,25Гц. Напряжение на вентиляторе измерялось с погрешностью ±0,05 %.
Измерение температуры охлаждающей жидкости производилось датчиком температуры DS18B20 фирмы Maxim Dallas Semiconductors. DS18B20 цифровой термометр с программируемым разрешением, от 9 до 12-bit, которое может сохраняться в EEPROM памяти прибора [7]. DS18B20 обменивается данными по 1-Wire шине и при этом может быть как единственным устройством на линии так и работать в группе. Все процессы на шине управляются центральным микропроцессором. Диапазон измерений от -55°С до +125°С и точностью ±0.5°С в диапазоне от -10°С до +85°С. В дополнение, DS18B20 может питаться напряжением линии данных, при отсутствии внешнего источника напряжения.
о о о о о о о о о \
——
[Q1H П.* ОД Q.1 Q-2 СКЯ О-* ДМ 2L+ Р.5 OUB 0.7 1.Р 1.1 |
nj GO i I п 1 [ и п п п п QI i га
-I— -О Л .£. Л .4 .В .6 .7 .а .1
М L-bODCl
CPU 224ХР jn СЮ/Е>СЛ>0
E-Staod: JOC
а i
Sl 14-2AD23-0X3O
_S
fptM a.a o-i o-3 ft.a Q.4 Q-fi ci-ft a.7 пул i.o 1.1 t.a 1 л.4. i JT| | м L-t- о I
oooooooooooooooooo
Ш
Рис. 2. ПЛК Siemens S7-200 224XP
Последовательность эксперимента и результаты. Последовательность проведения эксперимента:
1. Прогрев двигателя до температуры 80 °С при 2100 оборотах коленчатого вала в минуту.
2. Включение электропривода вентилятора на 60 % мощности и фиксация показаний температуры.
3. Достижение установившегося режима по температуре двигателя, т.е. отсутствия изменения температуры охлаждающей жидкости в течение времени 10 минут (стационарный режим).
4. Включение экспериментальной установки в режим пульсирующего изменения скорости вращения лопастей электровентилятора и фиксация показаний температуры.
Эксперимент проводился при температуре окружающей среды 21 °С.
БУ ЭВСО «Борей» настраивался на включение вентилятора при выходном сигнале с датчика температуры выше 2,02 В. При напряжении более 2,05 В вентилятор работал на максимальной скорости.
При проведении эксперимента использовались следующие параметры формирующе-
Ъ Гц 30
го фильтра: 1. Математическое ожидание 2,04 В; 2. Дисперсия 0,05 В2; 3.Коэффициент а = 0,05; 4. Коэффициент р = 0,01.
Частота вращения вентилятора (1) и напряжение на вентиляторе (и) при выполнении алгоритма показаны на рис. 3 и 4, соответственно. Наблюдаются колебания измеренных значений случайного характера, что приводит к хаотическому изменению скорости потока теплоносителя через радиатор, а, следовательно, и к увеличению турбулентности потока.
При пульсирующем режиме работы температура охлаждающей жидкости изменяется, как показано на рис. 5. Температура измеряется раз в секунду.
Из графика видно, что до включения пульсирующего режима (в 15:25:18) охлаждающей способности вентилятора не хватает, чтобы понизить температуру охлаждающей жидкости. Температура перестаёт изменяться. После включения пульсирующего режима температура охлаждающей жидкости понижается, что свидетельствует об увеличении охлаждающей способности, путём увеличения турбулентности теплоносителя.
Л 11^1 Л| ^ \ л 1 4 1 1 1 У Р
шД. г
V» V и 1 ^рУ V 1 V
тНУЭтНГ^Г^СО <
I
ОУЭ^НГ^ <
САСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСАСА
Время испытания
Рис. 3. Частота вращения вентилятора при пульсирующем режиме работы
и, В 14 12
Время испытания
Рис. 4. Напряжение на вентиляторе при пульсирующем режиме работы
т, °С85
Время испытания
Рис. 5 . Температура охлаждающей жидкости при создании пульсирующего режима изменения скорости вращения вентилятора
Заключение
В результате проведения эксперимента получены характеристики процесса охлаждения ДВС пульсирующим течения воздуха через радиатор системы охлаждения. Из результатов эксперимента следует, что после достижения установившегося режима, наблюдается снижение температуры охлаждающей жидкости. Снижение температуры происходит за счёт создания пульсирующего изменения скорости вращения вентилятора системы охлаждения.
Применение предлагаемого метода позволяет увеличить эффект охлаждения ДВС в экстремальных условиях, тем самым повысив надежность эксплуатации автомобиля.
Библиографический список
1. Денисов, В. П. Повышение надёжности эксплуатации автомобиля при управлении системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания / В. П. Денисов, А. П. Домбровский, О. О. Мироничева // Вестник СибАДИ. - 2012. - № 5 (27). - С. 25 - 30.
2. Ландау, Л. Д. Гидродинамика. / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. - М.: Наука, 1986., 736 с.
3. Деев, А. Г. Некоторые вопросы к теории теплоотдачи при неустановившемся режиме работы двигателя / А. Г. Деев, В. И. Четошников // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2010. - №5 (67). -С. 74-77.
4. Денисов В. П. Система регулирования температуры ДВС / В. П. Денисов, В. В. Максимов // Автомобильная промышленность. - 2012. - № 3. -С. 17-19.
5. Паспорт, руководство по эксплуатации и инструкции по монтажу. Блок управления вентилятором системы охлаждения двигателя «СИЛИЧЪ-БОРЕЙ» СИЛЧ.468364.010
6. SIEMENS SIMA^ Программируемый контроллер S7-200, Системное руководство, 2004
7. Чернов, Г., DS18B20 русское описание работы с датчиком температуры. - Магетекс, Украина, Днепропетровск, 2009.
APPROBATION OF THE METHOD OF ELIMINATION OF OVERHEATING OF THE
ENGINE OF INTERNAL COMBUSTION BY
PULSATING CHANGE THE SPEED OF THE COOLANT IN THE COOLING SYSTEM
V. P. Denisov, A. P.Dombrovskiy, O. O.Dombrovskaya
In this article have been considered the experimental installation for testing of method of removal of the internal combustion engine overheat by realization of a mode pulsing change coolant speed in cooling system. Experimental results are given. The new
method increase of efficiency of cooling system of the automobile in extreme conditions of operation; for example, locate in traffic congestion and high ambient temperature.
Keywords: bandpass filter, the cooling system of the internal combustion engine, the drive speed, automatic operation.
Bibliographic list
1. Denisov V. P. Dombrowski A. P. Mironicheva O. O. Increase of the automobile maintenance reliability by control of an internal combustion engine cooling system // Vestnik SibADI - 2012 . - № 5 (27). - P. 25 - 30.
2. Landau L. D., Lifshitz E. M. Hydrodynamics . / Landau L D., Lifshitz E. M.. - Moscow: Nauka, 1986. , 736 p.
3. Deev A. G., Chetoshnikov V. I. Some question to the theory of heat transfer in unsteady - smiling engine operation. // Bulletin of Altai State Agrarian University - 2010 . - № 5 (67). - P . 74-77.
4. Denisov V. P., Maksimov V. V., System re -regulation temperature engine // Automotive - 2012. -№ 3. - P. 17-19.
5. Passport, manual and the instructions for installation . Fan control unit -set engine cooling system " SILICH - Borey " SILCH.468364.010
6. SIEMENS SIMATIC programmable con-troller S7-200 System Manual, 2004.
7. Chernov G., DS18B20 Russian description you work with a temperature sensor Mageteks, Ukraine, Dnepropetrovsk, 2009.
Денисов Владимир Петрович - доктор технических наук, доцент, зав. Каф. Электротехника и автотракторное электрооборудование. Финансовый университет при «Правительстве РФ»; аспирант Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ). Основное направление научных исследований: управление в технических и экономических системах на основе интеллектуальных технологий. Общее количество публикаций более 70. e-mail: vpdenisov@mail333. com.
Домбровский Андрей Петрович - аспирант, Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ). Основное направление научных исследований - автоматизированное проектирование системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания. Общее количество публикаций 5. e-mail: [email protected]
Домбровская Ольга Олеговна - аспирант Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ). Основное направление научных исследований - автоматизированное проектирование системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания. Общее количество публикаций 5. е- mail: olga. mironicheva@mail. ru.
