Эффективность предпускового подогрева автомобильного двигателя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.43:629.06

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕДПУСКОВОГО ПОДОГРЕВА АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Р. Ф. Калимуллин Оренбургский государственный университет, Россия, г. Оренбург

Аннотация. В статье решается проблема обеспечения пусковых качеств автомобильных двигателей на основе рационального выбора системы предпускового подогрева. Представлены основные положения расчетно-экспериментальной методики оценки эффективности систем предпускового подогрева автомобильного двигателя. Методика позволяет установить области начальных температур двигателя, при которых за однократный пуск экономический эффект от снижения пусковых износов при применении системы превышает эксплуатационные затраты, связанные с её приобретением, установкой и эксплуатацией.

Ключевые слова: режим пуска, автомобильный двигатель, предпусковой подогрев, смазочный процесс, эффективность.

Введение

При эксплуатации автомобилей в условиях низких температур окружающей среды в последнее время получают распространение различные системы предпускового подогрева двигателя [1]. Среди многообразия систем практически важным вопросом остается их выбор c позиций эффективности. При использовании систем важно добиваться не только обеспечения пусковых качеств двигателей, но и снижения пусковых износов подвижных сопряжений, лимитирующих ресурс двигателя в большей степени и являющихся источниками существенных затрат при отказе. По разным оценкам на долю пусковых износов приходится от 10 до 60 % от общего эксплуатационного износа [2]. Наиболее подвержены износам подшипники коленчатого вала, особенно при холодных пусках при безгаражном хранении, поскольку в таких условиях в них нарушается смазочный процесс, а его нормализация затруднительна. Поэтому, использование систем предпускового подогрева автомобильного двигателя в заданных условиях эксплуатации должно быть эффективным с позиций снижения пусковых износов.

Таким образом, исследования, направленные на обеспечение пусковых качеств автомобильного двигателя при одновременном повышении его

долговечности за счет использования систем предпускового подогрева, являются актуальными.

Решением проблем низкотемпературных пусков посвящено большое количество работ, выполненных отечественными и

зарубежными учеными, например [3, 4]. Разработкой систем предпускового подогрева

автомобильного двигателя и исследованием их эффективного применения занимаются такие ВУЗы, как МАДИ, РВАИ, СибАДИ, СГТУ, ТюмГНГУ и др.

Для оценки эффективности систем предпускового подогрева автомобильного двигателя пригодны положения методики рационального выбора способа безгаражного хранения автомобиля, разработанной в МАДИ [5] и основанной на сравнении характеристик потери эффективности для двигателя в единицах эквивалентного по износу пробегу при однократном пуске, а также годовых энергетических затрат на пуск при обогреве двигателя. Также можно использовать подход разработанной в ТюмГНГУ [6] методики оценки эффективности способа межсменного хранения автомобилей на стоянке по показателю Е, который представляет собой отношение показателя качества к показателю затрат на сооружение и эксплуатацию этой стоянки. Оптимальная стоянка выбирается по критерию максимума эффективности Е. Среди прочих частных показателей качества межсменного хранения включаются пусковой износ двигателей, выраженный эквивалентом пробега, а также затраты топлива на прогрев двигателя на холостом ходу и агрегатов трансмиссии и шин в процессе движения после стоянки.

Вместе с тем, данные методики не позволяют учесть влияние предпускового подогрева на уменьшение изнашивания подвижных сопряжений на режиме пуска. Кроме того, в ГОСТ Р 53840-2010 «Двигатели автомобильные. Пусковые качества. Методы испытаний» отсутствует требование к минимизации пусковых износов и соответствующих параметров оценки

пусковых качеств двигателем и показателей при испытании систем предпускового подогрева автомобильного двигателя. Одной из основных причин этого является не достаточная разработанность методов и средств экспериментальных исследований процессов смазывания и изнашивания в парах трения на режимах пуска автомобильного двигателя. Вместе с тем, решение этих проблем открывает новые возможности и позволяет выявить резервы повышения долговечности двигателей, прежде всего, путем эффективного использования систем предпускового подогрева автомобильного двигателя.

Изучению режимов смазки и величины износов деталей автомобильных двигателей на пусковых режимах посвящены работы многих исследователей, например [1, 7].

Для оценки смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала перспективны электрофизические методы и средства трибомониторинга. Практическое

использование таких методов и средств в решениях различных технических задач показано в работах С. М. Захарова, И. И. Карасика, К. В. Подмастерьева, В. В. Рапина, А. И. Свиридёнка и др.

В работах [8, 9] представлены математические модели, экспериментальные методики и результаты оценки смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала автомобильных двигателей на режиме пуска. Имеющаяся методическая и техническая базы могут быть использованы при решении задачи оценки эффективности использования систем предпускового подогрева

автомобильного двигателя и определения условий их рационального использования.

Объектом настоящего исследования [10 - 12] являлся процесс изменения показателей работы систем автомобильного двигателя при низких температурах окружающей среды, предметом -закономерности изменения показателей смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала и топливно-экономических показателей автомобильного двигателя на режиме низкотемпературного пуска. Цель исследования - повышение долговечности автомобильных двигателей за счет экономически эффективного использования систем их предпускового подогрева.

Использование систем предпускового подогрева автомобильного двигателя способствует на режиме пуска уменьшению интенсивности изнашивания подшипников коленчатого вала за счет нормализации

смазочного процесса, однако это происходит за счет затрат на приобретение, установку и эксплуатацию (расхода топлива и энергии) системы.

Теоретическое обоснование

показателя оценки эффективности предпускового подогрева

Оценку пригодности использования систем предпускового подогрева автомобильного двигателя предлагается производить с помощью показателя трибо-экономической эффективности К1О. Под трибо-экономической эффективностью понимается показатель, определяемый соотношением экономического эффекта от снижения износа двигателя (т.е. триботехнический результат) и экономических затрат, обеспечивших этот эффект. Исходя из этого определения значение показателя равно отношению экономии затрат на ремонт двигателя К к сумме затрат на приобретение и установку (монтаж) ^ системы и дополнительного расхода топлива (энергии) Ко при работе системы:

К

К

I

Ко + Кэ

1 -

0>' 1+К ОТ'+К

(1)

где RL - экономия затрат на ремонт двигателя от уменьшения на 1 км. эквивалентного по износу пробега при однократном пуске, руб/км; LПИ -эквивалентный по износу пробег при однократном пуске, км; I" и 1АЫ - значения

IX 10

удельной интегральной интенсивности изнашивания подшипников на режиме пуска с применением предпускового подогрева и без него (в базовом состоянии); RО - затраты на 1 мл. топлива, руб/мл.; Ои ОАс - объем топлива, израсходованный на прогрев двигателя с применением предпускового подогрева и без него, мл.

Значения постоянных параметров RL, RО, К^ входящих в формулу (1), устанавливаются исходя из конкретных моделей двигателя, марки топлива и системы предпускового подогрева автомобильного двигателя. Так, например, для двигателей семейства ВАЗ, бензина АИ-95 и электрического нагревателя масляного фильтра «Теплостарт» значения соответственно: RL = 1 руб/км; RО = 0,035 руб/мл.; ^ = 0,56 руб.

Для определения эквивалентного по износу пробега при однократном пуске в работе использована формула,

предложенная в работе [7]:

I

I - 270

- 60, + 40 .

(2)

Параметр I, «удельная интегральная интенсивность изнашивания подшипников коленчатого вала» дает косвенную оценку интенсивности изнашивания при допущении, что интенсивность изнашивания

пропорциональна относительной

длительности контактирований трущихся поверхностей и доли индикаторной мощности, вырабатываемой двигателем в момент контактирований. Физический смысл заключается в том, что его значение показывает, какую долю составляет интенсивность изнашивания подшипников коленчатого вала на текущем режиме работы двигателя относительно интенсивности изнашивания на режиме номинальной мощности при постоянном контактном взаимодействии подшипников. Параметр безразмерен, принимает значение от 0 до 1.

В общем случае текущее значение I.х определяется по формуле:

1,х - (1 - Ед х)

N

№

(3)

где Едхх - текущее значение параметра «интегральная степень существования смазочного слоя в подшипниках коленчатого вала»; Ы™ах и N - индикаторная мощность двигателя максимальная и текущая соответственно, кВт.

В частном случае на холостом ходу двигателя индикаторная мощность равна мощности механических потерь, и формула (3) принимает следующий частный вид:

1,,х - (1 - Едх)

Пх(э, + Ь,5^/ 30)

дх птах(ртеах + а, + Ь, 5птах /30)

, (4)

где ам и Ьм - экспериментальные коэффициенты, величины которых зависят от числа цилиндров, отношения хода поршня к диаметру цилиндра и от типа двигателя; 5 -ход поршня, м; пх и птах - текущая и номинальная частота вращения коленчатого вала, мин-1; дтах - среднее эффективное давление при номинальной частоте, МПа.

Параметры 5, птах и дтах являются паспортными данными для конкретной модели двигателя.

Параметр «интегральная степень существования смазочного слоя в подшипниках коленчатого вала»

используется для обобщенной оценки смазочного процесса в системе подшипников коленчатого; принимает безразмерные

значения от 0 до 1 и зависит от множества факторов:

Ед - Ед(М„,п^„,»(д, ),6 гд ,А, . ), (5)

где Мкр - крутящий момент на коленчатом валу, Нм; п - частота вращения коленчатого вала, мин-1; х (Тм) - зависимость динамической вязкости масла (Па-с) от температуры масла Тм(°С); ТМП - температура масла на входе в подшипник, °С; рП -давление масла на входе в подшипник, МПа; Ькр- критическая толщина смазочного слоя, м; А - диаметральный зазор в подшипнике, м.

При прогреве двигателя на холостом ходу значения параметров А и Лкр, а также вязкостно-температурная характеристика масла 61 ) в модели (1) являются неизменными, а параметры п, ТМП и рП зависят от времени tx на режиме пуска и предпускового теплового состояния двигателя. Это позволяет определять значения параметра Ед.х в зависимости от текущих значений частоты вращения коленчатого вала пх, температуры масла ТМП.х и теплового состояния 75, используя модель Ед.х(Тп х,Пх^х,Т5). Учитывая, что температура масла ТМП.х зависит от начальной температуры двигателя 6°АА и

времени ^ прогрева, т.е. б(6°АА,пх,(х), то модель (4) примет обобщенный вид:

I,х - ЦЕдх,&м,пх,б5,(х). (6)

Остальные входящие в формулу параметры (5) I11 , Iм , 0% и 0АС являются

функциями от 6°АА. С учетом этого

рационального

Е10 - f(6AA ). Условием

использования системы предпускового подогрева автомобильного двигателя является Е0 >1.

Методика и результаты

экспериментальных исследований

Вид зависимостей % (60АА), ^(6^),

0тС(6°АА) и 0% (6°АА) определен в результате

экспериментальных исследований.

Исследования проведены с использованием одной из систем предпускового подогрева автомобильного двигателя - бортового электрического нагревателя масляного фильтра «Теплостарт» (модель НЭАП-М) фирмы «МР Универсал».

В основу экспериментальных

исследований была положена укрупненная математическая (кибернетическая) модель,

содержащая входные (начальная температура О0

^ л

тепловое

состояние

двигателя дАА

масляного фильтра ТБ) и выходные (пх, Ед.х, ТдВ.х, часовой расход топлива Gт.x и определяемые зависимости

1.x = (д°АА,Пх,(х,ТБ) и Рох = (д°АА,(х,ТБ))

переменные.

Исследования проводились на автомобильном бензиновом двигателе автомобиля ВАЗ-111940 при низких температурах окружающей среды. Опыты проводились в не отапливаемом гараже после стоянки автомобиля

продолжительностью не менее 16 ч после остановки. Каждый опыт включал запуск и прогрев двигателя до достижения температуры охлаждающей жидкости 40 °С. Двигатель испытывался в двух состояниях системы смазки: без подогрева («БАЗА») и с подогревом масляного фильтра («ПМФ»). Длительность подогрева масляного фильтра составляла 15 мин исходя из рекомендаций предприятия-изготовителя.

Исследование смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала по параметру Ед проводилось по специальной методике при

помощи измерительно - вычислительного комплекса «Автоматизированная система оценки смазочного процесса» [13]. Измерение пх, ТдВх и Gт.x проводилось при помощи мотор-тестера «МТ-10».

Поскольку замеры пх и Едх проводились с разной дискретностью (0,2 и 0,125 с соответственно), то по опытным данным определялись аппроксимирующие

зависимости пх^х) для каждого опыта. Используя эти зависимости и формулу (3), проводился расчет /¡.х для каждого текущего значения Едх.

Установлено, что смазочный процесс в подшипниках коленчатого вала на режиме пуска под влиянием предпускового подогрева системы смазки нормализуется. Причем, степень улучшения зависит от начальной температуры двигателя, о чем свидетельствуют установленные

закономерности средних на режиме пуска значений параметра /,, представленные в регрессионных моделях (7) и (8) и на рисунке 1: /АЯ = _з,291 -10_7&аа2 - 2,3755 • 10_6 д£А + 61,66 -10_5; (7) /'' = 2,006 •10_7дАА2 + 2,9423• 10_6дАА + 25,91 • 10_5 . (8)

-Щ-| (¡хЮ6

Я

/ —✓— / ш У ■ "" ■ N 1/

»ч ■ • ~

А / ■ : — • 1 -9-

■10 -5

- -БАЗА-

-ПМФ

'дп"

-

у

N >

Ч >4

■ ^ «Ч ч ч.

г^х. 11П

-«е-

„°С

Рис. 1. Зависимости средних значений /, и Сд°"е от ОАА

-15 -10 -5 О

- -БАЗА-ПМФ

в исследуемых тепловых состояниях

системы смазки на режиме пуска

Получены аппроксимирующие

зависимости объёма топлива,

израсходованного за пуск, 0'д°пе (мл.), представленные в регрессионных моделях (9) и (10) и на рисунке 1:

С*Я = _0,0389 д°АА2 _ 4,105 д°АА +101,47 ; (9) С/Т1 = -0,0969 д°АА2 _ 4,7403 д°АА +104,72. (10)

270

К с =

да а + 40

1 --

0,2006 д0

Установление температурных условий для эффективного предпускового подогрева

На основе полученных результатов экспериментальных исследований функция показателя трибо-экономической

эффективности нагревательного устройства «Теплостарт» на двигателе ВАЗ-111940 имеет вид, представленный в формуле (11) и на рисунке 2: 2 + 2,9423 д0АА + 25,912 л

-0,3291 д°АА2 _2,3755 д°АА + 61,657у

0,035(-0,0389 дАА _ 4,105 д°АА +101,47 )

1 --

-0,0969 д0АА2 - 4,7403 д0АА +104,72 -0,0389 д0АА2 -4,105 д0АА +101,47

Л

(11)

+ 0,56

J.U "

с _

Э

п

и

0 -1 г 0 5 ( ) ! > 1

Т °с ■дв

--5—

Рис. 2. Зависимости параметра Kq от начальной температуры двигателя О

ÄÄ

Таким образом, экспериментально установлено, что при предпусковом подогреве автомобильного двигателя ВАЗ электрическим нагревателем масляного фильтра «Теплостарт», температурными условиями его рационального использования является диапазон начальных температур двигателя от +4 до -14 °С. В этих условиях происходит уменьшение интенсивности изнашивания подшипников коленчатого вала на режиме пуска в среднем в 2,6 раза, однако увеличивается объем израсходованного топлива за запуск и прогрев в среднем на 5 %, что в целом обуславливает экономическую эффективность при однократном пуске в среднем 6,7 ед., а максимальная эффективность 8,9 ед. достигается при температуре - 10 оС.

Заключение

По результатам исследования предложено требование к эксплуатационным свойствам систем предпускового подогрева

автомобильного двигателя - в условиях пуска автомобильных двигателей его система смазки должна обеспечивать высокую сохранность номинальных значений параметров смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала при минимальных затратах, связанных с приобретением, установкой и эксплуатацией системы. На основе выполнения этого требования можно решать задачу выбора эффективной системы предпускового подогрева автомобильного двигателя для конкретных автомобилей и природно-климатического района эксплуатации.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках базовой части

государственного задания на проведение научно-исследовательской работы

«Методология обеспечения качества эксплуатации автомобильного транспорта» (№ ГР 114071170053).

Библиографический список

1. Найман, В. С. Все о предпусковых подогревателях и отопителях / В. С. Найман. - М.: Изд-во «За рулем», 2007. - 252 с.

2. Суранов, Г. И. Уменьшение износа автотракторных двигателей при пуске / Г. И. Суранов. - М.: Колос, 1982. - 143 с.

3. Денисов, А. С. Повышение долговечности подшипников коленчатого вала использованием предпусковой смазки / А. С. Денисов, Р. И. Альмеев // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2011. - № 2 (56). - С. 34-37.

4. Неговора, А. В. Совершенствование системы предпусковой подготовки автотракторных дизелей в условиях низких температур / А. В. Неговора, Р. А. Байрамов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2008. - № 5. - С. 49-50.

5. Кузнецов, Е. С. Техническая эксплуатация автомобилей / Е. С. Кузнецов, А. П. Болдин, В. М. Власов [и др.]. - М., Наука, 2001. - 535 с.

6. Резник, Л.Г. Эффективность использования автомобилей в различных условиях эксплуатации / Л.Г. Резник, Г.М. Ромалис, С.Т. Чарков. - М.: Транспорт, 1989. - 128 с.

7. Лосавио, Г. С. Эксплуатация автомобилей при низких температурах / Г. С. Лосавио. - М.: Транспорт, 1973. - 120 с.

8. Коваленко, С. Ю. Методика оценки приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска / С. Ю. Коваленко, А. В. Казаков // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2011. - № 10. - С.186 - 192.

9. Коваленко, С.Ю. Эксплуатация автомобильных двигателей. Обеспечение долговечности на режиме пуска: монография / С.Ю. Коваленко, Р.Ф. Калимуллин. - Saarbrucken,

Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co, 2011. - 115 с.

10. Казаков, А. В. Предпусковой нагрев смазочной системы автомобильного двигателя /

A.В. Казаков, Р.Ф. Калимуллин // Вестник Оренбургского государственного университета. -

2013. - № 12. - С. 219 - 225.

11. Бондаренко, Е. В. Оценка эффективности предпускового нагрева масляного фильтра автомобильного двигателя / Е. В. Бондаренко, А.

B. Казаков, Р. Ф. Калимуллин // Вестник Иркутского государственного технического университета. -

2014. - № 2. - С. 153-160.

12. Калимуллин, Р. Ф. Определение рациональных условий использования средств предпусковой тепловой подготовки автомобильного двигателя / Р.Ф. Калимуллин, А.В. Казаков // Вестник Оренбургского государственного университета. -2014. - № 10. - С.82 - 89.

13. Пат. 66046 РФ: МПК G 01 M 13/04: Устройство для контроля состояния подшипников/ Р.Ф. Калимуллин, С.Ю. Коваленко, С.Б. Цибизов, М.Р. Янучков; ОГУ. - № 2007112656/22; заявл. 04.04.2007; опубл. 27.08.07, Бюл. № 24.

THE EFFICIENCY OF AUTOMOTIVE ENGINE'S PREHEAT

R. F. Kalimullin

Abstract. The arthor describes the main results of developing calculation-experimental method of estimating the efficiency of automotive engine's preheat, allowing to set the areas of primary temperatures of an engine, in which for single launching, economic effect from decreasing launching wear exceeds the operational costs, connected with acquiring, setting and operation of a system.

Keywords: starting mode, automotive engine, preheat, lubricating process, efficiency.

References

1. Naiman V. S. Vse o predpuskovyh podogrevateljah i otopiteljah [All about preheaters and heaters]. Moscow, Izd-vo, Za rulem, 2007. 252 p.

2. Suranov G. I. Umen'shenie iznosa avtotraktornyh dvigatelej pri puske [Decreasing wear of automotive engines at launching]. Moscow, Kolos, 1982. 143 р.

3. Denisov A. S., Almeev R. I. Povyshenie dolgovechnosti podshipnikov kolenchatogo vala ispol'zovaniem predpuskovoj smazki [Increasing the durability of crankshaft bearings by using prelube]. Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 2011, no 2, pp. 34-37.

4. Negovora A. V., Bairamov R. A. Sovershenstvovanie sistemy predpuskovoj podgotovki avtotraktornyh dizelej v uslovijah nizkih temperatur [Perfecting system of prestarting training of automotive diesel engines at low temperatures]. Traktory i sel'skohozjajstvennye mashiny, 2008, no 5, pp. 49-50.

5. Kuznetsov E. S., Boldin A. P., Vlasov V. M. [and others] Tehnicheskaja jekspluatacija avtomobilej [Technical operation of automobiles]. Moscow, Nauka, 2001. 535 p.

6. Reznik L. G., Romalis G. M., Charkov S. T. Jeffektivnost' ispol'zovanija avtomobilej v razlichnyh uslovijah jekspluatacii [The efficiency of using automobiles in various conditions of operation]. Moscow, Transport, 1989. 128 p.

7. Losavio G. S. Jekspluatacija avtomobilej pri nizkih temperaturah [Operation of automobiles at low temperatures]. Moscow, Transport, 1973. 120 p.

8. Kovalenko S. Y., Kazakov A. V. Metodika ocenki prisposoblennosti avtomobil'nyh dvigatelej k rezhimu puska [Methodology of assessing suitability of automotive engines to the launching mode]. Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta, 2011, no 10, pp. 186 - 192.

9. Kovalenko S. Y., Kalimullin R. F. Jekspluatacija avtomobil'nyh dvigatelej. Obespechenie dolgovechnosti na rezhime puska [Operation of automotive engines. Ensuring durability on the launching mode]. Saarbrucken, Germany, LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co, 2011. 115 p.

10. Kazakov A. V., Kalimullin R. F. Predpuskovoj nagrev smazochnoj sistemy avtomobil'nogo dvigatelja [Pre-launch heating of a lubrication system of an automotive engine]. Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta, 2013, no 12. pp. 219 -225.

11. Bondarenko E. V, Kazakov A. V., Kalimullin R. F. Ocenka jeffektivnosti predpuskovogo nagreva masljanogo fil'tra avtomobil'nogo dvigatelja [Effectiveness' assessment of pre-launch heating of an automotive engine's oil filter]. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 2014, no 2, pp. 153-160.

12. Kalimullin R. F., Kazakov A. V. Opredelenie racional'nyh uslovij ispol'zovanija sredstv predpuskovoj teplovoj podgotovki avtomobil'nogo dvigatelja [Determining rational conditions of using means of pre-launch heating preparation of an automotive engine]. Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta, 2014, no 10. pp. 82 - 89.

13. Kalimullin R.F., Kovalenko S.Y., Tsybizov S.B., Yanuchkov M.R. Ustrojstvo dlja kontrolja sostojanija podshipnikov [Device for controlling bearings' condition]. Patent R.F., no 2007112656/22, 2007.

Калимуллин Руслан Флюрович (Оренбург, Россия) - кандидат технических наук, доцент, кафедры автомобильного транспорта Оренбургского государственного университета (460018, Россия, г. Оренбург, пр. Победы, 13, email: rkalimullin@mail.ru).

Kalimullin Ruslan Flurovich (Orenburg, Russian Federation) - candidate of technical sciences, associate professor of the department "Automobile Transport" of Orenburg State University (460018, Orenburg, Pobedy Av., 13, e-mail: rkalimullin@mail.ru)