К вопросу определения параметров систем охлаждения двигателей мобильных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Т Р А Н С П О Р Т

УДК 621.431.7

К ВОПРОСУ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ МОБИЛЬНЫХ МАШИН

Докт техн. наук, доц. ЯКУБОВИЧ А. И., канд. техн. наук ТАРАСЕНКО В. Е.

Белорусский государственный аграрный технический университет

Проектирование систем охлаждения (СО) предполагает выбор составляющих компонентов и формирование из них структурной схемы. Одни компоненты выбираются из числа имеющихся - это жидкостный насос, вентилятор, которые поставляются вместе с принятым на мобильную машину двигателем, другие - рассчитываются, проектируются и изготавливаются. Расчет СО по известным математическим моделям выполняется при принятых неизменных значениях расходов теплоносителей, действующих на систему возмущающих факторов [1-3]. В действительности на СО влияет множество переменных факторов, приводящих к изменению параметров системы и теплового режима двигателя [4-7]. Учитывая современные тенденции роста мощностей двигателей мобильных машин, вопросы распределения теплоты агрегатами СО в зависимости от возмущающих факторов становятся все более актуальными [8, 9].

Цель данных исследований - разработка методики расчета параметров СО двигателя, позволяющей оценить ее функционирование при изменении исходных параметров (температуры и расхода теплоносителей) и действующих на систему возмущающих факторов (температуры окружающей среды и эксплуатационных режимов нагружения), что позволит обоснованно, системно принять при выполнении расчета параметры проектируемой СО и ее агрегатов, а также проводить анализ достаточности и эффективности отдельных параметров.

СО является термодинамической системой, состоящей из трех звеньев. Каждое из звеньев (жидкостный контур, теплообменник, воздушный контур) функционирует по законам термодинамики.

Процессы передачи теплоты в жидкостном и воздушном контурах СО описываются уравнениями теории теплообмена [2, 10], которые характеризуют нагрев теплоносителей при поступлении теплоты от источника, т. е. повышение внутренней энергии жидкостного и воздушного теплоносителей (ЖТ и ВТ соответственно) или их теплосодержание, а также процесс теплопередачи через стенки трубок и от поверхностей охлаждающих пластин (лент) радиатора. Характер теплопередачи зависит от коэффициента теплопередачи материала кт, площади поверхности охлаждения ^ и температур теплоносителей Ту, Тш [10]. Переменными в процессе теплопередачи и зависящими от температуры являются теплоемкости теплоносителей.

Рассмотрим влияние теплоемкостей теплоносителей на процессы в СО. График функции количества теплоты, подведенной к среде, в зависимости от температуры не является прямолинейным вследствие зависимости теплоемкости среды от температуры. Графически зависимость 2 = / (Т) ЖТ имеет вид, представленный на рис. 1. Среднее значение теплоемкости можно представить как тангенс секущей, проходящей через точки Т1 (начальная температура среды) и Т2 (конечная температура среды) относительно оси абсцисс, т. е. tg5. Истинные значения теплоемкостей в точках 1 и 2 определяются как tg5l и tg52. При последующем рассмотрении процессов, происходящих в СО, расходные параметры теплоносителей, поверхность охлаждения и их теплофизические свойства принимаются постоянными. Таким образом, состояние каждого из звеньев и СО

Наука итехника, № 2, 2012

в целом определяются начальным и конечным значениями температуры и соответствуют законам термодинамики.

Рис. 1. Зависимость количества подведенной теплоты от температуры среды

Расчеты количества теплоты, поступающей в ЖТ и ВТ при нагревании, по средним и действительным значениям теплоемкостей отличаются не более чем на 1,5 %, что вполне допустимо для технических расчетов. Это позволяет принимать средние значения теплоем-костей и анализировать графики исследуемых функций, приняв прямолинейную зависимость поступающей теплоты в ЖТ и ВТ от температуры.

В общем виде эти функции описываются уравнениями прямой у = кх, когда за начальную температуру принимается температура (273 К), и в виде у = кх + с, когда за начальную принята температура 0 °С, где к - угловой ко-

эффициент наклона графика зависимости теплоотдачи теплоносителя от температуры к оси абсцисс. Уравнение теплоотдачи ЖТ представим в виде

гр _ гр _ Оу 2 — 0-У 1 ТУ 2 ту1 = ^ ,

СрУ°У

где Ту\, Туг - соответственно начальная и конечная температура ЖТ, °С; <02 — - количество теплоты, подведенное к среде при нагревании ее от температуры Ту\ до Туг, кДж/с; Сру - теплоемкость ЖТ, кДж/(кг К); Оу - расход ЖТ, кг/с.

Угол наклона зависимости О = / (Ту) определяется расходом ЖТ и значением теплоемкости. Так, увеличение угла наклона зависимости О = / (Ту) к оси абсцисс свидетельствует об уменьшении расхода ЖТ при постоянном значении теплоемкости. На рис. 2 приведены расчетные графики зависимостей, применяемых в жидкостной СО теплоносителей при нагреве их до температуры 120 °С при разных расходах.

Функциональная зависимость количества теплоты, поступающей в ЖТ, описывается уравнением

0 = сру^у {Ту2 — ту1 )•

Т °Ct Qm = fT) Qw=ATw) ' i 1 11-'-, г

Qv=fíTw)

_А_

115 230 345 460 575 690 805 920 1035 1150 1265 Q. 101,

кДж/с

Рис. 2. Зависимость температуры теплоносителей от количества подведенной теплоты: 1 - расход масла Vм = 10 л/мин; 2 - 20; 3 - 30; 4 - 40 л/мин; 5 - расход воздушного теплоносителя W = 4000 м3/ч; 6 - 6000; 7 - 8000; 8 - 10000; 9 - 12000; 10 - 14000 м3/ч; 11 - расход жидкостного теплоносителя V = 80 л/мин; 12 - 120; 13 - 160; 14 - 200 л/мин

■■ Наука итехника, № 2, 2012

Эту функциональную зависимость запишем в виде 2 = I (Т1, Ту2 ). График зависимости прямолинейный и определяется начальным Т и конечным Ту2 значениями температуры ЖТ. Нагрев ЖТ при поступлении теплоты, или градиент температуры, равен

ату = (ту2 - ту1 ) = ЧуОУ >

где - коэффициент пропорциональности, = Исруву. Графически в прямоугольной системе координат Т) зависимость = = / (ТУ1, Туг) представляет прямую линию

(рис. 3). Угол наклона графика этой функции к оси абсцисс составляет

1

а = жсХ^у = аг^-—.

СрУ^У

Точки 1 и 2 на этой графической зависимости определяют значения температур ЖТ на входе в двигатель после радиатора Т и на выходе из двигателя при поступлении в радиатор Т . Ординаты из точек 1 и 2 при пересечении с осью абсцисс определяют количество поступающей в ЖТ теплоты 2 .

Теплота ЖТ передается потоку ВТ, циркулирующему через каналы сердцевины радиатора, и поступает в окружающую среду. Количество теплоты, поступающей к потоку ВТ, описывается уравнением

2 = СрШ^¥ (Т2 — ТШ1 ) ,

где срш - теплоемкость ВТ, кДж/(кгК); Ош -расход ВТ, м3/с; Тш1, Тш2 - соответственно начальная и конечная температуры ВТ, °С.

Из этого уравнения следует, что нагрев потока ВТ составит

ATW = (Tw2 Twi ) = qwQw,

(1)

где дш - коэффициент пропорциональности, равный дш = 1/срЩОш.

Функциональная зависимость количества теплоты 2 = / (Тт, ) также прямолинейна. При

установившемся тепловом состоянии СО = 2у.

Предположим, что поток ВТ, поступающий к радиатору, имеет температуру, равную тем-

Наука

итехника, № 2, 2012_

пературе окружающей среды: ТШ1 = Токр. На

графике рис. 3 проведем линию, параллельную оси абсцисс и соответствующую температуре Токр. Пересечение ординаты из точки 1 с линией, соответствующей Токр, определяется точкой 3. Проведем через точку 3 график функциональной зависимости 2 = / (ТШ1, ), используя коэффициент пропорциональности дш, определяемый по известному значению расхода потока ВТ через радиатор, значение теплоемкости - по таблицам. Рассчитаем угол наклона графика этой функции к оси абсцисс

1

в = arctgqw = arctg-

с G

cpWGW

Т,

К (°С)

T,

f.Kp.

tv2 -i

I <3'

Tvi

2>

t w2 TW

TOKp. = tw1

/ 4

Е-, / 5 / /

/ /

/ /у / // 3

/ / В С

Qv= Qf = Qw

AQf.kp.

Q, кДж/с

'''Q: кр.

Рис. 3. Принципиальная схема для расчета параметров системы охлаждения двигателя мобильной машины

Ранее отмечалось, что 2 = 2, тогда пересечение графика этой функции с ординатой из точки 2 определит температуру потока ВТ на выходе из радиатора ТШ2. График зависимости 2 = I (^, ) в некоторой точке Е пересекается с графиком зависимости 2 = = I (Ту,, ТУ2 ). В этой точке наступает температурное равновесие ЖТ и ВТ, следовательно, теплообмен между ними прекращается. График зависимости 2 = I (Т1, ^2 ) не может иметь продолжения выше данной точки при рассмот-

T

D

рении ее в совокупности с зависимостью О = = / {ТУ1, ТУ2). Следовательно, точка Е определяет предельную или критическую температуру процессов теплообмена в СО между ЖТ и потоком ВТ и то максимальное количество теплоты, которое ЖТ может передать потоку ВТ.

Промежуточным звеном между ЖТ и потоком ВТ является поверхность охлаждения радиатора. Вычислим количество теплоты, которое передает поверхность охлаждения:

Qf = КF(Tv -Tw ).

(2)

где кт - коэффициент теплопередачи поверхности охлаждения, кВт/(м2-К); Е - площадь поверхности охлаждения, м2.

График функции, что следует из уравнения (2), также прямолинейный. Обозначим эту функциональную зависимость в виде QF = = / {Ту, Т¥). Температурный перепад между средними значениями температур теплоносителей

^Tv-w = (Tv - Tw ) = 4fQf

(3)

где ^ - коэффициент пропорциональности, дЕ = 1/ктЕ.

В (3) переменными являются Т и Т • При установившемся тепловом режиме в СО QF = = Qу. В данном случае путем аналитических расчетов или графически определяются значения средней температуры ЖТ (точка 6) и средней температуры ВТ Тж (точка 5). Проведя через точки 5 и 6 прямую линию, построим график функциональной зависимости QF =

= / {Ту, Тш ). График этой функции пересекается с графиком функции О = / {ТУ1, ТУ2 )

в точке В. Точка В определяет ту предельную или критическую температуру, до которой возможна передача теплоты от ЖТ к поверхности охлаждения радиатора, и то максимальное количество теплоты, которое охлаждающая поверхность радиатора способна воспринять и передать потоку ВТ. График функции QF =

= /{Ту, Тш) также не может иметь продолжения далее точки В в процессе теплообмена в СО.

С) ценка достоверности метода моделирования. Рассмотрим решения нескольких задач по определению параметров СО методом моделирования. Отметим, что при построении графиков в системе координат (Т, Q), по оси абсцисс откладываем количество теплоты, поступающее к средам, а по оси ординат - температуру сред. Для наглядности графических построений количество теплоты, кДж/с, делим на 10. В последующем этот коэффициент построения учитываем при расчетах.

Задача 1. В двигателе Д-243 в ЖТ, расход которого составляет 5,9 м3/ч, отводится теплота. Поверхность охлаждения радиатора составляет 12,6 м2, коэффициент теплопередачи от ЖТ к ВТ через радиатор равен 0,092 кВт/(м2К). Определить расход потока ВТ через радиатор, чтобы обеспечить температуру ЖТ в двигателе 96 °С и перепад 5 °С в условиях температуры окружающей среды 45 °С.

Решим данную задачу, используя представленные выше положения (рис. 4).

1. В координатных осях (Т, Q) построим график функции 0У = / {Ту) по заданному расходу ЖТ и значению теплоемкости, принятому по таблицам, температурные параметры определяем по шкале Цельсия.

90 80 70 60 50 40 30

< 2

/

- Qv = f (TV) у / '

- 5.1 1

TV2 = 96 °C TV = 93,5 °C T„ = 91 °C Tw2 = 87 °C

Qw = f (Tw)

Y = 83°23'

\a = 56°40' / 1ГЧ в = 85°

i^L Twi = 45 °C

Qf = f(Tv,Tw)

„. I

v/ i X/

200 210 220 230 240 250 26Cq.10-i,

кДж/с

Рис. 4. Схема для решения задачи 1 по определению расхода ЖТ

2. На оси ординат отмечаем значения тем-

ператур ЖТ на выходе из двигателя 96 °С и на

■■ Наука итехника, № 2, 2012

входе (96 - 5) °С = 91 °С и сносим их на график функции 2 = IТ), получим точки 1 и 2.

3. Из точек 1 и 2 опускаем ординаты на ось абсцисс и получаем значение количества теплоты 2, поступающей в ЖТ.

4. Рассчитываем среднюю температуру ЖТ и наносим ее значение на график (точка 6).

5. По известному значению поверхности охлаждения и коэффициента теплопередачи определяем угол наклона графика функции 2 = IТ, Т') относительно оси абсцисс

10

Y = arctg-= arctg

kTF

10

0,092-12,6

= 83°23'.

6. Проводим через точку 6 прямую, представляющую график функции 2 = I (Т > Т-) >

пересечение которой с ординатой из точки 1 определяет значение средней температуры ВТ, равное 66 °С (точка 5).

7. Приняв, что на входе в радиатор температура ВТ равна температуре окружающей среды, рассчитываем температуру ВТ на выходе из радиатора

ТШ2 = 2ТШ — ТШ1 = 2 • 66 — 45 = 87 °С.

8. Соединив точки 5 и 6 прямой, получим график функции 2 = IТ ), угол наклона которой относительно оси абсцисс по построению равен р = 85°.

9. Рассчитываем расход потока ВТ, необходимого для обеспечения заданной температуры ЖТ СО при окружающей температуре 45 °С:

gw =

10

10

tg8 5°cpw9w 11,43-1,009-1,029 = 0,84 м3/с = 3034 м3/ч.

Таким образом, путем несложных графических построений и расчетов определен расход потока ВТ СО трактора «Беларус-80.1», расчетное значение от действительного отличается на 1,3 %, что допустимо.

Задача 2. В двигателе Д-243 в СО отводится 2 = 40,7 кДж/с теплоты, расход потока ВТ ш= = 4-103 м3/ч. Определить расход потока ЖТ в жидкостном контуре и поверхность охлаждения радиатора при обеспечении температуры ЖТ на

Наука

итехника, № 2, 2012_

выходе из радиатора 93 °С и перепаде 5 °С, температура окружающей среды равна 35 °С.

Решение данной задачи состоит в следующем.

1. На оси абсцисс (рис. 5) откладываем количество теплоты, поступающей в ЖТ, равное 40,7 кДж/с, и из точек А и В восстанавливаем ординаты. Точка А определяет теплосодержание двигателя в рабочем режиме, равное 243 кДж/с.

Т, " °С

Qf = f (Tv,Tw)

Tv2 = 93 °C Tv = 90,5 °C TV1 = 88 °C

Tw2 = 74,3 °C

70 - Qv = f (Tv)

60 -50 40

Y = 83° Tw = 54,5 °C

Qv = 40,7 кДж/ с

аУ'\В

200 210 220 230 240 250 д.

кДж/с

Рис. 5. Схема для решения задачи 2 СО по определению расхода ЖТ и поверхности охлаждения радиатора

2. Отмечаем на оси ординат значение температуры ЖТ на входе в радиатор, равное 93 °С, и ее величину на выходе при перепаде 5 °С, равную 88 °С. Прямые, проведенные через точки отмеченных температур, параллельные оси абсцисс, пересекаются с ординатами из точек А и В в точках 1 и 2.

3. Прямая линия, проведенная через точки 1 и 2, представляет график функции 2 = IТ) угол наклона которой относительно оси абсцисс характеризует расход ЖТ, по построению угол наклона равен 51°. Рассчитаем расход ЖТ в жидкостном контуре

G =-

10

1,235 - 962,85 - 4,214

= 1,99 • 10-3 м3/с = 7,18 м3/ч.

4. Приняв, что перед жидкостным радиатором отсутствуют другие тепловыделяющие

узлы, температура ВТ на входе в радиатор равна температуре окружающей среды 35 °С. Отмечаем значение этой температуры на оси ординат и через нее проводим прямую, параллельную оси абсцисс. Пересечение этой прямой с ординатой из точки А определяет одну из точек функциональной зависимости 0Г = / {Т№ )

5. По известному значению расхода потока ВТ рассчитываем угол наклона функционального графика расхода воздуха

в = arctg

10

1,11-1,005-1,060

-= 83°9'.

6. Через точку 3 под углом в проводим прямую линию, пересечение которой с ординатой из точки В определяет температуру ВТ на выходе из радиатора (точка 4).

7. Рассчитываем и наносим на график значение средней температуры ЖТ (точка 6)

% = 93 + 2,5 = 90,5 °С

и значение средней температуры ВТ (точка 5) 35 + 74,5

T =-

2

— = 54,75 °С.

8. Соединив точки 5 и 6, получим график функции Ои = / {Ту, Тш ), угол наклона которого по построению равен у = 83°.

9. Определим требуемую поверхность охлаждения, приняв следующие типы сердцевины радиатора:

трубчато-пластинчатая латунная, кт = = 0,092 кВт/(м2К):

F = -

10

10

arctgy • К 8,144 - 0,092

= 13,35 м:

2.

,35 м ,

трубчато-пластинчатая алюминиевая, кт = = 0,103 кВт/(м2К)

F = -

10

8,144- 0,103

= 11,92 м

2

,92 м ,

трубчато-ленточная гладкая алюминиевая, кт = 0,071 кВт/(м2К)

F = -

10

8,144-0,071

= 17,29 м2.

Приведенная модель при принятых допущениях представляет метод решения задач СО линейными уравнениями, которые представлены во взаимосвязи. Такая имитация процессов, происходящих в СО, позволяет вследствие своей наглядности при изменении одного параметра определить возможные значения других параметров, а решение линейных уравнений позволяет вывести зависимости для определения параметров СО, представить путь решения задачи.

В Ы В О Д Ы

Разработана методика расчета параметров СО двигателя, позволяющая выполнять расчет СО, анализировать влияние на температурный режим расходных параметров теплоносителей и их температур, поверхности охлаждения радиатора, температуры окружающей среды. В совокупности математическая и графическая модели составляют новый метод решения задач СО.

Расчетные параметры, полученные при использовании данной методики, достоверны и соответствуют действительным значениям параметров СО тракторов «Беларус». Методика расчета параметров СО является инструментом для решения прикладных задач СО тракторов и других мобильных машин. Моделирование процессов в СО предполагает проведение аналитических расчетов и построение графических диаграмм. Моделирование процессов позволяет путем несложных графических построений и аналитических расчетов по исходным данным проводить расчеты поверхности охлаждения радиатора или теплообменника, расходов теплоносителей, определять влияние расхода теплоносителей, температуры окружающей среды и др. на температурный режим двигателя, проводить анализ достаточности и эффективности отдельных параметров и СО в целом.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Гаврилов, А. К. Системы жидкостного охлаждения автотракторных двигателей: теория, конструкция, расчет и экспериментальные исследования / А. К. Гаврилов. - М.: Машиностроение, 1966. - 163 с.

2. Теплообмен в двигателях и теплонапряженность их деталей / Н. Х. Дьяченко [и др.]; под ред. С. Н. Дашкова. -Л.: Машиностроение, 1969. - 248 с.

Наука итехника, № 2, 2012

3. Лазарев, В. М. Разработка метода расчета и оценки эффективности системы жидкостного охлаждения тракторного дизеля: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.04.02 /

B. М. Лазарев; Владимирский гос. ун-т. - Владимир, 2008. - 16 с.

4. Овтов, В. А. Температурные условия эксплуатации и экономичность дизеля / В. А. Овтов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2007. - № 12. - С. 24-25.

5. Якубович, А. И. Нестационарный температурный режим дизеля / А. И. Якубович, В. Е. Тарасенко // Механика машин, механизмов и материалов. - 2008. - № 3 (4). -

C. 19-23.

6. Якубович, А. И. Исследование движения жидкости в каналах системы охлаждения двигателя / А. И. Якубович, В. Е. Тарасенко // Механика машин, механизмов и материалов. - 2011. - № 1 (14). - С. 41-46.

7. Инвариантная система жидкостного охлаждения ДВС со следящим электроприводом вентилятора обдува /

И. П. Ксеневич [и др.] // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2007. - № 11. - С. 16-19.

8. Информационное сообщение. Системы охлаждения агрегатов современных тракторов / Реф. В. М. Володин // Дифференцированное обеспечение руководства научно-технической информацией «ДОР НТИ» // Profi technik. - 2005. - № 9. - С. 76-79.

9. Петров, А. П. Зависимость с/х автомобиля от потока воздуха через систему охлаждения ДВС / А. П. Петров, К. А. Петров // Автомобильная промышленность. - 2008. -№ 3. - С. 19-22.

10. Исаченко, В. П. Теплопередача: учеб. для вузов / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1975. - 488 с.

Поступила 22.06.2011

УДК 621.113-592.004.58

ТЕХНОЛОГИЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ МАШИН

Инж. ОПАНОВИЧ В. А., докт. техн. наук, доц. КАРПИЕВИЧЮ. Д.

Белорусский национальный технический университет

Ныне роль автомобильного транспорта возрастает, а удовлетворение в перевозках во многом зависит от технического состояния автомобилей. В свою очередь повышение технической готовности автомобильного парка трудно обеспечить без четкой и обоснованной организации технического обслуживания и ремонта.

Своевременное выявление неисправностей, их устранение силами и средствами автотранспортных предприятий позволит существенно повысить техническую скорость движения автомобилей и увеличить их производительность без дополнительного расхода топлива. Однако несвоевременное выявление неисправностей и неудовлетворительное техническое обслуживание автомобилей влекут за собой не только значительные материальные потери, но и повышенную опасность возникновения дорожно-транспортных происшествий.

Автомобильный транспорт является наиболее опасным из всех видов транспорта. Данные статистики показывают (табл. 1), что опасность при использовании автомобилей значительно превышает опасность других видов транспорта.

Таблица 1

Относительная опасность видов транспорта

Вид транспорта Количество погибших в расчете на 1 млрд пас.-км перевозок

Автомобильный 16,0

Воздушный 8,5

Железнодорожный 1,2

Основной причиной возникновения дорожно-транспортных происшествий является неудовлетворительное техническое состояние автомобилей. От 15 до 20 % дорожно-транспорт-

Наука итехника, № 2, 2012