CC BY
22
Пожарная техника
УДК 621.43.056.001.8
О РЕЗУЛЬТАТАХ РЕСТРУКТУРИЗАЦИИ ВНЕШНЕГО ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ДВИГАТЕЛЕЙ ПОЖАРНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ НА НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
А. К. Юлдашев
Казанская государственная сельскохозяйственная академия
Х. И. Исхаков
Академия Государственной противопожарной службы МЧС России
М. А. Савин
УГПС МЧС России Свердловской области
Теоретически и экспериментально показана техническая возможность сокращения времени прибытия пожарных автомобилей к месту вызова зимой.
Пожары — это мощный фактор, негативно влияющий на социально-экономическое состояние страны. Ежегодно в России происходит более 264 тыс. пожаров, в результате которых гибнет свыше 13,5 тыс. чел. Полные потери от пожаров превышают 22 млрд руб., что составляет почти 5% от бюджета страны 1999 г. и до 0,9% ВВП [1].
Из статистики [2] следует, что основные показатели обстановки с пожарами в различные сезоны в целом по России в 1996 - 1998 гг. отличаются, главным образом, лишь одним параметром — гибелью людей за осенне-зимний период — 65,67%, в то время как на весну и лето пришлось 34,33% жертв, т.е. на 47,7% меньше.
В условиях заметного роста интенсивности дорожного движения средняя скорость движения пожарных автомобилей (ПА) на пожар постоянно снижается, соответственно увеличивается время подачи первого ствола на решающем направлении. Так, среднее время следования ПА по вызову выросло в 1992 - 1996 гг. в городах с 7,66 до 8,08 мин, а на селе — с 15,41 до 18,9 мин. Зимой еще более снижаются динамические качества ПА в связи с увеличением периода послепускового прогрева двигателей внутреннего сгорания (ДВС) (т.е. такого неустановившегося режима работы, когда "холодный" ДВС развивает лишь часть номинальной мощности), что объективно приводит к увеличению количества жертв и материальных потерь. Между тем каждая минута среднестатистического пожара в 1999 г. обошлась российскому обществу
более чем в 1,5 тыс. руб. полного ущерба. Кроме того, в масштабе страны сокращение времени прибытия оперативных расчетов к месту вызова всего на одну минуту могло бы спасти порядка 1404 жизней (на 1с — соответственно 23,4 чел.) или в пересчете на 100 пожаров — 4,25 чел. [3].
Следовательно, сокращение времени прибытия к месту вызова первого эшелона пожарных является важнейшей не только инженерной, но и социально-экономической проблемой.
Снять остроту проблемы улучшения динамических качеств ПА представляется возможным двумя основными путями. Первый — посредством увеличения удельной мощности (энергонасыщенности) ПА, т.е. их оснащением ДВС большей мощности — это задача определенного будущего [4]. Форсирование послепускового прогрева ДВС — суть второго пути.
Удлинение продолжительности послепускового прогрева ДВС при низких температурах объективно обусловлено тем, что изменение температуры влияет на те свойства воздуха, от которых зависит эффективность отвода тепла от функциональных систем ПА: при охлаждении с +20°С до - 40°С его плотность возрастает более чемна1/4,а кинематическая вязкость уменьшается наполовину [5]. В результате зимой способность воздуха "затекать" через неплотности и отбирать тепло у нагретых функциональных систем, узлов и деталей ДВС значительно возрастает, тем самым период после-пускового прогрева увеличивается.
В то же время в литературе практически полностью отсутствуют какие-либо данные по проблемам эксплуатации двигателей ПА в условиях низких температур. Вместе с тем, проведенный анализ конструкций жидкостных систем охлаждения (СО) ДВС, наиболее часто применяемых в отечественных ПА, таких как ЗИЛ и ЯМЗ, показал, что они недостаточно приспособлены для работы ПА в условиях низких температур, т.к. ДВС долго прогреваются после пуска.
Тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания
Преобразование теплоты в работу в цилиндре ДВС, согласно второму началу термодинамики, неизбежно связано с отводом в окружающую среду доли теплоты, выделяющейся при сгорании топлива. Для оценки совершенства распределения теплоты, вводимой в ДВС с топливом, величины тепловых потерь и возможности их уменьшения, определения путей улучшения показателей работы ДВС используют внешний тепловой баланс. Применительно, например, к прогретому карбюраторному двигателю ЗИЛ-130 тепловой баланс при номинальной частоте вращения п = 3200 об./мин на режиме полностью открытой дроссельной заслонки имеет следующие составляющие (в % введенного в ДВС тепла): полезная работа — 24,6; потери в охлаждающую жидкость (ОЖ) — 19,8; потери в масло — 2,74; химическая неполнота сгорания (при а = 0,87) — 13; потери с отработавшими газами (ОГ), на излучение и другие потери — 39,8 [6]. Таким образом, потери теплоты прогретого до оптимальных температур двигателя ЗИЛ-130 в стандартных условиях составляют 75,4%. Стандартными же условиями считаются [7, п. 4.7] температура воздуха Т0 = 298 К (+25°С) и атмосферное давление Р0 = 100 кПа (750 мм. рт. ст.). Очевидно, что в реальных условиях осенне-зимней эксплуатации, при понижении температуры воздуха и соответствующем изменении его теплофизических свойств, объективно будут создаваться все условия для увеличения расходных статей внешнего теплового баланса ДВС, т.е. при низких температурах, если не принять определенных технических мер, теплорас-сеивание ДВС автоматически возрастает.
Влияние температурного режима ДВС на внешний тепловой баланс представлено на рис. 1 [8]. Анализ линейных зависимостей и их экстраполяция позволяют сделать ряд выводов. Так, относительное количество теплоты, эквивалентное эффективной работе, инвариантно в отношении теплового состояния ДВС. Тот же вывод относится и к потерям с ОГ. Напротив, лучеиспускание внешними поверхностями "холодного" ДВС будет равно нулю. У непрогретого ДВС теплопотери через стен-
Теплота на радиацию Теплота с отработавшими газами
Теплота в охлаждающую жидкость
Теплота на полезную работу
йш, % -80 60 . 40 20 0
50 60 70 80 90 100 Т, °С РИС.1. Влияние температуры ОЖ на тепловой баланс ДВС
ки камеры сгорания в ОЖ монотонно возрастают почти вдвое против номинала и составляют до 40%. Очевидно, что для форсирования процесса выхода ДВС на режим номинальной мощности весьма желательно, чтобы большая часть этой теплоты в первый период после запуска не рассеивалась радиатором СО в окружающее пространство, а использовалась, прежде всего, для самопрогрева механизмов и функциональных систем ДВС.
Из теплового баланса получим уравнение прогрева силовой установки:
(тесе + тдесде) АТ/А1 = а(Тр - ^^
(1)
где те — масса ОЖ в системе, кг;
св — удельная теплоемкость ОЖ, Дж/(кг • К);
тдв — масса двигателя, кг;
сде — удельная теплоемкость материала ДВС,
Дж/(кг • К);
х — время, с;
а — суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 • К);
(Тр — Т0) — текущая разность температур, К; S — площадь поверхности двигателя, м2. Анализ левой части уравнения (1) позволяет определиться с удельным расходом теплоты, необходимой для прогрева двигателей ЗИЛ-130 и ЯМЗ-236 на один Кельвин. Здесь возможны два случая. Первый случай, когда термостаты из СО демонтированы. Вшорой — термостаты исправны, герметичны и находятся на штатных местах. Поскольку предельно допустимые значения эксплуатационных температур трансмиссионного масла и масла для ДВС близки и незначительно отличаются от температур ОЖ системы охлаждения, то при расчетах было сделано допущение — считать силовую установку системой с одинаковой среднеобъемной температурой [9], поскольку при работе ДВС, коробки передач и коробки отбора мощности происходит выравнивание температурного поля по всему объему. Обе выкладки приведены соответственно в табл. 1 и 2.
ТАБЛИЦА 1. Расчет удельного расхода тепла, необходимого для прогрева двигателей на один Кельвин (без учета теплорассеивания, термостаты из систем охлаждения демонтированы)
ДВС
ЗИЛ-130
ЯМЗ-236
Масса ДВС с КП (сухая), кг
500
980
Удельная теплоемкость чугуна, кДжДкг ■ К)
0,504
Теплоемкость ДВС и КП, кДж/К
252,0
493,9
Вместимость СО, кг
26
28
Удельная теплоемкость воды, кДжДкг ■ К)
4,2
Расход Вместимость тепла на систем нагрев СО, смазки ДВС, кДж/К л/кг
109,2
117,6
8,5 7,4
23,0 20,0
Удельная теплоемкость смазочного
масла, кДжДкг ■ К)
1,9
Расход тепла на нагрев масла, кДж/К
14,1
38,02
Масса радиатора/ вместимость, кг/л
16,75 7,7
37,8 16,5
Теплоемкость
латуни, кДжДкг ■ К)
0,378
Расход тепла на нагрев металла радиатора, кДж/К
6,33
14,3
Суммарный расход тепла, кДж/К
381,6
663,8
ТАБЛИЦА 2. Расчет удельного расхода тепла, необходимого для прогрева двигателей на один Кельвин (без учета теплорассеивания, термостаты исправны и герметичны)
ДВС
Удельная „ „ ^^ Удельная „ „ Теплоемкость
тт/^ 1еплоемкость Вместимость СО Расход тепла Вместимость
Масса ДВС теплоемкость „„„ „ теплоемкость „_ смазочного
с КП (с хая) кг ч на ДВС с КП, (без радиатора), во ы на нагрев СО, системы смазки масла
сухая, кг ^У™^ кДж/к кг кДжДкг'- К) ^^ ДВС, л/кг к) смазки, кДж/К
Расход тепла на Суммарный нагрев системы расход тепла, кДж/К
ЗИЛ-130 500 0,504 252,0 18,3 4,2 76,9 8,50 7,4 1,9 14,1 343,0
ЯМЗ-236 980 —"— 493,9 11,5 —"— 48,3 23 20,0 —"— 38,02 580,2
о
(Л
>
ю о о
ы
Из табличных данных следует, что при демонтированных термостатах для прогрева на один Кельвин дизеля ЯМЗ-236 потребуется в 1,74 раза больше теплоты, чем для ЗИЛ-130 (663,8 и 381,6 кДж соответственно). При практически одинаковой вместимости СО обоих ДВС (26 - 28 л) большее количество тепла у ЯМЗ-236 будет аккумулироваться в его металлических деталях. Другими словами, прогреть двигатель ЯМЗ-236 сложнее, чем ЗИЛ-130, поскольку, ввиду значительной массы, его теплоемкость больше.
Из рассмотренной правой части уравнения (1) следует также другой вывод, усиливающий первый: при примерно равной размерности указанных карбюраторного и дизельного ДВС прогрев последнего представляет более сложную задачу, т.к. в связи с большой степенью сжатия его блок цилиндров имеет более развитую наружную теплорассеиваю-щую поверхность.
Следовательно, карбюраторные ДВС объективно более склонны к перегреву летом, в зимних условиях их послепусковой прогрев реально осуществим. Напротив, исправные и правильно отрегулированные дизели в летний период эксплуатации могут быть прогреты до оптимального теплового режима; при отрицательных температурах этот процесс значительно удлиняется во времени и при определенном сочетании факторов внешней среды может оказаться проблематичным.
Действительно, на прогрев ОЖ ЗИЛ-130 расходуется 28,6% теплоты (109,2 из 381,6 кДж/К), а ЯМЗ-236 — 17,7% (117,6 из 663,8 кДж/К).
Если же термостаты исправны (герметичны), тогда ОЖ при прогреве ДВС будет циркулировать по "малому" кругу, и для той же цели потребуется всего на 12,6% (ЯМЗ-236) и 10,1% (ЗИЛ-130) теплоты меньше. Отсюда следует, что эффективность термостатов для интенсификации послепускового прогрева ДВС относительно невелика. Этот вывод находит подтверждение в экспериментальных исследованиях Г. И. Осипова [10]. По этой же причине, очевидно, имеются все основания полагать, что вклад термостата в процесс регулирования теплового режима двигателя ПА при его работе на пожаре в условиях низких температур, т.е. на режимах частичных нагрузок или холостого хода будет также незначителен.
Регулирование температуры охлаждающей
жидкости дросселированием воздуха, проходящего через радиатор
Поддержание оптимального теплового режима (80 - 90°С) СО является основной задачей регулирования температуры ОЖ. Регулирование сводится к тому, чтобы при любых режимах работы ДВС, а
также при любых внешних условиях температура ОЖ на выходе из рубашечного пространства ДВС поддерживалась в узких пределах оптимального уровня.
При изменении режима работы ДВС или температуры окружающего воздуха нарушается тепловое равновесие в СО. Чтобы устранить это влияние необходимо изменить количество воздуха, проходящего через радиатор; при этом количество тепла, отдаваемое ОЖ, должно соответствовать изменению температуры окружающего воздуха.
Количество воздуха, проходящего через радиатор, при изменении температуры окружающего атмосферного воздуха определяется следующим образом [11]. Количество тепла, отводимое жидкостной СО двигателя, при изменении температуры окружающего воздуха, например от 0 до - 40°С, не изменится, т.е. й1 = й2, тогда
б^Д^ = ^2^2 или ЩР^Ак = W2P2C2^t2,
где W, О — объем, м3, и масса, кг, воздуха, проходящего через радиатор в единицу времени;
с — удельная теплоемкость, Дж/(кг • К);
р — плотность, кг/м3;
Дt — температурный перепад, К.
Отсюда
Щ =РсДЬ
W2 р 1с 1^1 .
Если принять среднюю температуру ОЖ в радиаторе Тж = 80°С, то при температуре воздуха
- 40°С температурный перепад Д11 = 80 -
- (- 40) = 120°, а при нулевой температуре воздуха Д^ = 80 - 0 = 80°.
Подставив значения плотности и теплоемкости, соответствующие указанным состояниям окружающего воздуха, получим
Щ _ 1,293 • 1,005 • 80° Щ2 " 1,515 • 1,013 • 120°
_ 0,56.
Следовательно, при снижении температуры окружающего воздуха с0до- 40°С количество воздуха, проходящего через радиатор, должно быть уменьшено в 2 раза. Иначе резко понизится температурный режим жидкостной СО, а следовательно, и самого ДВС. Полученная величина необходимого уменьшения расхода воздуха через радиатор при указанном изменении его температуры соответствует работе ДВС на постоянном нагрузочном режиме, например нарежиме максимальной мощности.
Если же одновременно с понижением температуры окружающего воздуха уменьшится нагрузка ДВС до близкой к холостому ходу, то при снижении
теплоотдачи при этом до 60% от теплоотдачи при максимальной мощности расход воздуха через радиатор уменьшится еще значительнее:
1/(0,56 • 0,6) = 1/0,336 = 2,98,
т.е. в 2,98 раза.
Следовательно, для обеспечения оптимального теплового состояния ДВС необходимо комбинированное регулирование температурного режима жидкостной СО, т.е. изменением циркуляции теплоносителя в СО (например, с помощью термостата), а также регулированием количества и скорости охлаждающего воздуха, проходящего через радиатор. Последнее следует из того, что коэффициент теплоотдачи поверхности а представляет собой сложную зависимость от ряда факторов, однако наибольшее влияние на его величину оказывает скорость V потока воздуха около охлаждаемой поверхности (например, трубок радиатора или ДВС собственно). Связь между ними можно представить соотношением а ~ V0,6-0,7 [12].
Таким образом, оптимальный режим жидкостной СО после пуска ДВС можно быстро установить и поддерживать его в допустимом диапазоне отклонений температуры как на полных, так и на частичных нагрузках при всех скоростных режимах и различных внешних условиях соответствующим изменением расхода охлаждающего воздуха, прежде всего через радиатор.
Регулирование расхода воздуха через радиатор можно осуществить различными техническими решениями. Наибольшее распространение на автотракторных ДВС из-за простоты конструкции получил способ изменения положения шторки или жалюзи перед радиатором. Однако, как было отмечено выше, в связи со значительным изменением теплофизических свойств воздуха (вязкости, теплоемкости и плотности) при понижении температуры [5], а также поскольку силовое отделение ПА от окружающего холодного воздуха снизу ничем не защищено в осенне-зимний период эксплуатации теплоотдача возрастает и ДВС переохлаждаются.
В условиях низких температур для форсирования послепускового прогрева карбюраторного ДВС (или дизеля) на ходу ПА при следовании к месту вызова, замедления его остывания при длительной работе на режимах частичных нагрузок (например, на привод спецагрегата на место пожара/аварии) или на холостом ходу (т.е. когда ПА на крупных или затяжных пожарах находится в резерве) предложено применять, в дополнение к штатному теплоизолирующему комплексу (жалюзи, термостат, отключаемый вентилятор, чехол на капот и облицовку радиатора), дополнительные жалюзи либо шторку, смонтированные на радиаторе на выходе из него ох-
1 2 3
РИС.2. Система жидкостного охлаждения двигателя согласно патентам РФ на изобретение №№ 2007592 и 2078954: 1 — радиатор; 2 — вентилятор; 3 — подводящий трубопровод; 4 — блок цилиндров с рубашкой охлаждения и помпой; 5 — отводящий трубопровод; 6 — штатные жалюзи (шторка); 7 — дополнительные жалюзи (шторка)
лаждающего воздуха, т.е. между радиатором и вентилятором ДВС, согласно патентам РФ на изобретение №№ 2007592 [13] и 2078954 (рис. 2). Сочетание основной и дополнительной жалюзи (шторок) обеспечит снижение продуваемости радиатора практически до нуля. Такое регулирование расхода воздуха, проходящего через радиатор жидкостной СО посредством его дросселирования, позволит минимизировать диссипацию тепла, т.е. понизить теплоотвод. Этот эффект реально возможен, поскольку проведенная экспериментальная проверка исправности термостатов СО у шести двигателей ЗИЛ-130 и одного ЯМЗ-236, имеющих различную степень износа, показала, что все они негерметичны, т.е. после пуска двигателя ОЖ будет циркулировать по "большому" кругу — через радиатор.
Таким образом, реструктуризация внешнего теплового баланса ДВС, достигнутая посредством дополнительного экранирования радиатора, позволит с помощью теплоты, не рассеянной в пространство, а сохраненной в силовом агрегате, ускоренно оптимизировать СО и реально обеспечить наивыгоднейший тепловой режим работы ДВС наразлич-ных динамических режимах эксплуатации, особенно в условиях низких температур. Управление как основной, так и дополнительной шторками (жалюзи) может быть ручным или автоматическим.
Результаты экспериментов
Экспериментальные исследования эффективности дополнительного экранирования радиаторов СО проводились на серийных ПА в условиях, максимально приближенных к реальным. В качестве объектов исследования были выбраны следующие У-образные ДВС:
• среднеизношенный (приведенный пробег 47700 км) карбюраторный ДВС 84 10/9,5 основного ПА марки АЦ-40(130) модель 63Б (базовое шасси ЗИЛ-130) со сроком эксплуатации 5 лет, поскольку он является наиболее распространенным в оперативных подразделениях Государственной противопожарной службы;
• дизель 64 13/14 марки ЯМЗ-236 также пожарной автоцистерны АЦП-6/3-40(5557) (базовое шасси УРАЛ-5557) с малым износом — ее приведенный пробег составил 4500 км.
В ходе экспериментов измерялись температурные параметры ОЖ на выходе из ДВС, в верхнем бачке радиатора, а также температура смазочного масла в поддоне картера.
Было проведено термометрирование ДВС на таком неустановившемся режиме работы, как после-пусковой прогрев при следовании ПА по вызову по типовому маршруту протяженностью 6,0 км при температуре наружного воздуха в пределах от 0 до -30 ± 1°С.
В соответствии с условиями ряда экспериментов были внесены конструктивные изменения в систему охлаждения.
Так, для определения эффективности применения для целей интенсификации подъема температуры ОЖ при прогреве ДВС, согласно патентам РФ на изобретения №№ 2007592 и 2078954 (см. рис. 2), дополнительного экрана (жалюзи/шторки), размещенного на фронте радиатора, обращенном к вентилятору, в качестве модели такого экрана использовали листовой материал (пластик, резино-текстиль, фанера, металл), состоявший на ЗИЛ-130 из двух полос, поставленных по обе стороны от впускного патрубка верхнего бачка радиатора (у дизеля ЯМЗ-236 было применено три полосы) вертикально в зазор между радиатором и кожухом вентилятора таким образом, что ими перекрывался практически весь фронт радиатора, обращенный к вентилятору.
В результате сравнительных дорожных испытаний установлена высокая эффективность, особенно в условиях низких температур, идеи дросселирования воздуха через радиатор посредством применения, в дополнение к штатным жалюзи (шторке), дополнительного экрана, расположенного между радиатором и вентилятором, для ускоренного создания на таком неустановившемся режиме работы, как послепусковой прогрев на ходу ПА, а также поддержания оптимального теплового режима работы среднеизношенного карбюраторного ДВС в сочетании с традиционным дросселированием потока ОЖ через радиатор и другими известными средствами (чехлом капота, штатными жалюзи). Так, время следования по типовому маршруту АЦ-40(130) 63Б с модернизированной СО в сравне-
100 90 80 70 60 50 40 30 20
10
0
2
4
6
8
10 12 14 16 х, мин
РИС.3. Динамика послепускового прогрева двигателя АЦ-40(130) 63Б при следовании по типовому маршруту (температура воздуха - 30°С): 1, 2 — температура ОЖ в рубашке охлаждения (до термостата) с модернизированным и штатным радиаторами соответственно; 3, 4 — температура ОЖ в верхнем бачке радиатора модернизированного и штатного соответственно; 5, 6 — температура масла в поддоне картера ЗИЛ-130 с модернизированным и штатным радиатором соответственно; Тпд 1 и Тпд 2 — предельно допустимые температуры ОЖ соответственно 119°С (на нее отрегулирован паровой клапан пробки радиатора ЗИЛ-130 [6]) и 78°С (для исключения низкотемпературного коррозионного износа ЦПГ, т.е. конденсации водяных паров и образования кислот на зеркале гильзы цилиндра [14])
нии со штатной СО сократилось на 2,0 мин при температуре окружающего воздуха минус 30°С (рис. 3). Качественно аналогичная картина имела место и при температурах наружного воздуха -15°С и 0. Сокращение времени прохождения типового маршрута ПА составило соответственно 1,4 и 0,9 мин. Таким образом, установленная теорией причинно-следственная связь между интенсификацией прогрева ДВС и сокращением времени прибытия ПА к месту вызова получила экспериментальное подтверждение. В целом же эффективность дополнительного экранирования радиатора для сокращения времени следования ПА в зависимости от температуры воздуха отражена на рис. 4. Нашел также практическое подтверждение теоретический вывод о том, что динамика послепусково-го прогрева ДВС подчиняется экспоненциальному закону (см. рис. 3).
Сравнительными дорожными испытаниями изучены степень адаптации дизеля ЯМЗ-236 к эксплуатации в условиях отрицательных температур и эффективность применения различных технических решений на интенсификацию его послепускового прогрева. Так, при температуре воздуха-15°С время прогрева ОЖ на ходу ПА до температуры
х, мин
2,0
\
--^—►
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 Т, °С
РИС.4. Прогноз сокращения времени прохождения типового маршрута пожарной автоцистерной АЦ-40(130) мод. 63Б в зависимости от температуры воздуха в связи с применением дополнительного экрана радиатора
Индекс
РИС.5. Эффективность отключения вентилятора для ускорения послепускового прогрева дизеля ЯМЗ-236 пожарной автоцистерны АЦП-6/3-40(5557) при различных температурах воздуха (скорость относительного движения воздуха и автомобиля 20 км/ч)
способлен для эксплуатации в районах с жарким климатом, чем в условиях низких температур окружающего воздуха, особенно в сочетании с сильными ветрами.
Для ускорения послепускового прогрева данного ДВС, а также его эффективной работы зимой на режимах частичных нагрузок при модернизации конструкции следует предусмотреть возможность отключения (тем или иным образом) вентилятора, как это, например, сделано у дизеля КамАЗ-740.
На выпущенных ранее и немодернизированных ЯМЗ-236 при переходе на режим осенне-зимней эксплуатации целесообразно, в зависимости от температурных условий региона, проводить временный демонтаж вентилятора либо замену на менее производительный 2 - 4-лопастный.
Для лучшей адаптации дизеля к суровым условиям следует предусмотреть возможность капсули-рования в сочетании с более эффективной и полной, чем только дополнительное экранирование, теплоизоляцией радиатора СО. Как промежуточное техническое решение на период осенне-зимней эксплуатации целесообразен монтаж съемного экранаднища (например, из брезента) силового отделения ПА, максимально исключающего поступление холодного воздуха к ДВС снизу.
Для северных регионов страны следует рассмотреть как перспективный вариант комплектования транспортных средств ДВС с воздушным охлаждением, т.к. они обладают меньшей тепловой инерцией, быстрее прогреваются, более надежны, а их техническое обслуживание проще.
+80°С удалось сократить с 16,3 до 13,3 мин (скорость прогрева составила 5,7°С/мин), а время прохождения типового маршрута уменьшилось на 1,8 мин. Это стало возможным в большей степени благодаря отключенному вентилятору (вклад дополнительного экрана радиатора в ускорение прогрева составил 6,5%, эффект же от блокирования вентилятора оказался на 1/3 больше). Однако с понижением температуры воздуха и усилением ветра вклад блокированного вентилятора в форсирование прогрева ОЖ монотонно падает (рис. 5). В то же время при всех температурах теплорассеивание модульного радиатора (т.е. оборудованного дополнительным экраном) с закрытой штатной шторкой пренебрежимо малозначимо.
Таким образом, ввиду значительных массогаба-ритных параметров (в частности, по-видимому, площадь внешних поверхностей собственно ДВС соизмерима с теплорассеивающей поверхностью его радиатора) и высокопроизводительного вентилятора дизель ЯМЗ-236 в большей степени при-
Выводы и рекомендации
1. Исследования показали, что при низких температурах, в связи с изменением теплофизических свойств воздуха, увеличивается период послепу-скового прогрева ДВС, резко снижаются его мощ-ностные качества, уменьшается средняя скорость движения ПА, что объективно приводит к увеличению количества жертв и материальных потерь от пожаров.
В результате проведенного исследования предложен и апробирован вариант решения актуальной научно-практической задачи повышения эффективности эксплуатации двигателей ПА при отрицательных температурах окружающего воздуха, которое может быть достигнуто интенсификацией послепускового прогрева ДВС для сокращения времени прибытия ПА к месту вызова, что имеет важное значение для общества и национальной экономики.
2. Теоретически обоснованы и получили экспериментальное подтверждение технические решения по сокращению времени послепускового прогрева ДВС, включающие установку дополнительного экрана радиатора жидкостной СО с его фронта, обращенного к вентилятору; на эти технические решения получены патенты РФ на изобретения.
3. В работе дано теоретическое обоснование целесообразности и возможности реструктуризации внешнего теплового баланса ДВС. Поскольку эффективность даже исправных термостатов ДВС невелика, то идея реструктуризации практически реализована дополнительным экранированием радиатора СО, что позволило уменьшить рассеивание тепла и сократить время прогрева ДВС до эксплуатационных температур. Как следствие, в условиях низких температур (от 0 до -30°С) время прибытия к месту вызова пожарных автоцистерн АЦ-40(130) 63Б и АЦП-6/3-40(5557) может быть сокращено на 1,8 - 2,0 мин.
Реализация задач исследования позволит получить следующие социальный и экономический эффекты: одна минута среднестатистического пожара в 1999 г. обошлась российскому обществу более чем в 1,5 тыс. руб. полного ущерба. Кроме того, в масштабе страны сокращение времени прибытия оперативных расчетов к месту вызова всего на одну минуту могло бы спасти порядка 1404 жизней (на 1с — соответственно 23,4 чел.) или в пересчете на 100 пожаров — 4,25 чел.
Расчетный годовой экономический эффект эксплуатации от внедрения разработанных мероприятий на одну пожарную автоцистерну типа АЦ-40(130) 63Б, находящуюся на боевом дежурстве в объектовой пожарной части Управления ГПС Свердловской области, составил 1111,82 руб.
Улучшение адаптивности ДВС к эксплуатации при низких температурах, кроме того, обеспечит максимально экономное расходование остаточного ресурса парка ПА при обеспечении высоких топ-ливно-экономических и экологических показателей. Наряду с этим применение дополнительного экранирования радиаторов позволит демонтировать термостат и применять зимой в качестве ОЖ воду.
Результаты исследования свидетельствуют, что дополнительное экранирование радиатора (жалюзи либо шторка) может быть с успехом применено на ДВС автомобилей как аварийно-спасательных, так и других оперативных служб, а также ДВС, работающих по автобусному ездовому циклу и в стационарной энергетике.
В дальнейшем необходимо продолжить исследования по общему подогреву ПА и их двигателей, прежде всего дизельных, в гаражах боевых машин.
При эксплуатации ПА с двигателями ЗИЛ-130 и ЯМЗ-236 в условиях низких температур рекомендуется:
1. В обязательном порядке утеплять чехлом не только облицовку радиатора, но и капот.
2. В гараже боевых машин осуществлять как общий подогрев ПА, так и местный подогрев ДВС тем или иным способом.
3. Предусмотреть отключение вентилятора от ДВС.
4. В перспективе радиаторы ДВС оснастить дополнительными жалюзи/шторками. В настоящее же время целесообразно все дизели ЯМЗ-236 дооборудовать дополнительным экраном радиатора (пластик, резинотек-стиль, фанера или какого-либо другой листовой материал), разместив последний в имеющемся зазоре между радиатором и кожухом вентилятора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Серебренников Е. А. Пожарная безопасность как составная часть национальной безопасности России // Пожарная безопасность-2000. Комплексные решения, техника, оборудование, услуги: Специализированный каталог. — М.: Гротек, 2000. — 192 с.
2. Пожары и пожарная безопасность в 1998 г.: Статистический сборник. — М.: ВНИИПО, 1999. — 239 с.
3. Савин М. А. Чем расплачиваемся за секунды промедления? // Пожарное дело. 2001. № 5. С. 43.
4. Кузнецов Ю. С., Навценя Н. В. и др. Концептуальный пожарный автомобиль-2000 // Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков: Материалы XV науч.-практ. конф. Ч. 2. — М.: ВНИИПО, 1999. — 245 с.
5. Исаченко В. П., Осипова В. А. и др. Теплопередача. — М.: Энергоиздат, 1981. — 416 с.
6. Бабкин Г. Ф., Дискин М. Е. и др. Автомобильный двигатель ЗИЛ-130. — М.: Машиностроение, 1973. — 264 с.
7. ГОСТ 14846-81. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. — М.: Изд-во стандартов, 1984.
8. Бурков В. В. Температурно-динамические качества тракторов и автомобилей. — Л.: ЛСХИ, 1975. — 87 с.
9. Исхаков Х. И. Тепловой режим автомобиля // Пожарная техника и тактика тушения пожаров: Сб. науч. тр. — М.: ВИПТШ МВД СССР, 1984. — 124 с.
10. Осипов Г. И. Результаты исследования температурного поля двигателя пожарного автомобиля // Сб. науч. тр. — М.: ВИПТШ МВД СССР, 1989. — 247 с.
11. Гаврилов А. К. Системы жидкостного охлаждения автотракторных двигателей. — М.: Машиностроение, 1966. — 164 с.
12. Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль / Пер. с чешск. В. Б. Иванова — М.:Ма-шиностроение, 1987. — 320 с.
13. Патент Российской Федерации на изобретение от 15.02.1994 № 2007592 МКИ Р 01 Р 7/10/. Система жидкостного охлаждения теплового двигателя транспортного средства / Морозов А. Г., Савин М. А.
14. Григорьев М. А. и др. Особенности изнашивания цилиндров автомобильных двигателей при работе на пониженных тепловых режимах. — М.: Труды НАМИ, 1976. № 159. — 115 с.
Поступила в редакцию 16.05.03.
