CC BY
23
УДК 62-977 DOI: 10.30977/АТ.2219-8342.2018.43.0.12
ОБГРУНТУВАННЯ НЕОБХ1ДНОСТ1 РЕГУЛЮВАННЯ РОБОТИ СИСТЕМИ ОХОЛОДЖЕННЯ ДИЗЕЛЯ НАЗЕМНО1 ТРАНСПОРТНО1 МАШИНИ
Марченко А. П., Федоров А. Ю., Лшьков О. Ю., Кл1мов В. Ф.,
НТУ «ХП1»
Анотаця. Проанал1зовано 7 обгрунтовано необх1дтстъ регулювання роботи системи охоло-дження дизеля наземно! транспортно! машини, показано, що в1дхилення температури теплоноспв в1д оптимально! призводитъ до негативних насл1дюв в експлуатацП дизеля. На основ7 експерименталъних даних показано вплив зм1ни режиму роботи дизеля наземно! транспортно! машини з дизелем типу 5ТДФ на в1дхилення температур теплоноспв в1д рекомендованих оптималъних.
Ключов1 слова: знос, дизелъ, температура, система охолодження, олива, вентилятор.
Вступ
Сучасш вимоги до двигушв внутршнього згоряння щороку стають жорстюшими, а сучасш тенденци вимагають високо! потужнос-т й економiчностi, це вимагае вщ виробника створення i модершзацп конструкци двигуна внутршнього згоряння (ДВЗ) та його систем. Стан розвитку технологш дозволяе створю-вати силовi установки iз системами дизеля, що мають гнучке ефективне регулювання параметрiв. Регулювання систем та мехашз-мiв стало невщ'емною частиною нашого по-всякденного життя. Енергозберiгаючi технологи скорочують витрати, покращують екологiчну ситуацiю в мютах, це досягаеться завдяки сучасним системам керування. Ме-ханiзм або система можуть певний час не використовуватись, або розрахункова поту-жнють не доцшьна при низькому наванта-женнi, тут система керування слщкуе за вхi-дними параметрами i корегуе виконавчим органом роботу. Кожен сучасний двигун мо-же динамiчно змiнювати сво! параметри, що обумовлюе змiну параметрiв пе! чи шшо! системи. Однiею з головних систем, що впливають на показники i надiйнiсть роботи ДВЗ, е система охолодження. Вггчизняна га-лузь двигунобудування мало розвинута у на-прямi регулювання систем охолодження. Тому актуальною е задача аналiзу юнуючих силових установок наземних транспортних машин (НТМ) для оцiнки доцiльностi регу-лювання.
Аналiз публiкацiй
Кожна система мае оптимальш параметри, i застосування регулювання дано! систе-ми дозволяе використовувати оптимально енерпю та ресурси з мiнiмальними витрата-ми. Об'ектом, що визначае принципи регу-
лювання системи охолодження, е ДВЗ. Система охолодження прямо визначае температуру охолоджуючо! рiдини, оливи, наддувочного повпря та ш. У джерелах [1, 2, 3] показано, що змша температури охолоджуючо! рщини в бiк зростання приводить до покращення перетiкання робочого процесу дизеля, зменшення витрати палива та скоро-чення шкiдливого впливу на еколопю.
За дослiдженнями [4, 5] температура рщ-ких теплоноспв значно впливае на такий по-казник надiйностi, як довговiчнiсть, котрий визначаеться параметром зносу. В досль дженш визначено вiдносний знос цилiндрiв (А), що е вiдношенням глибини контрольного вдавлювання до випробування i пiсля ви-пробування. Як видно з рис. 1, вщносний знос зменшуеться в 5 раз за зростання темпе-ратури охолоджуючо! рiдини на 85 °С, тому дуже важливо тдтримувати оптимальне зна-чення температури охолоджуючо! рщини.
б
О
20 70 120
Т °с
1 ор?
Рис. 1. Вiдносний знос цилiндрiв дизеля типу 2Д100 залежно вщ температури охолоджуючо! рiдини
Мета 1 постановка завдання
Метою роботи е аналiз та обгрунтування необхщносп впровадження регулювання си-стеми охолодження транспортного дизеля наземно! транспортно! машини.
Для досягнення поставленоi мети необ-xidno виршити наступм задач1: аналiзуючи експериментальш даш дослщжень наземно! транспортно! машини, обгрунтувати необ-хщшсть регулювання, показати, як вщхилен-ня температури охолоджуючо! рiдини впли-вають на надiйнiсть дизеля.
Аналiз експериментальних даних дос-лiдження дизеля i3 системою охолодження наземноТ транспортноТ машини
Визначено, що температура теплоносив значно вардае на дольових режимах роботи ДВЗ. В литературному джерелi [6] стверджу-еться, що при накиданш навантаження на дизель температура охолоджуючо! рщини збiльшуеться, а при скиданш - зменшуеться. Оскiльки вiдбуваеться перерозподш теплового потоку вiд робочого тша, до теплоносив. А беручи до уваги збiльшення зносу цилшд-рiв, за низьких температур, можна дшти ви-сновку, що для ДВЗ необхщним е пiдтри-мання певно! оптимально! температури охолоджуючо! рiдини як мiнiмум та пщтри-мка задано! робочо! температури термiчно напружених деталей - як максимум.
Розглянемо вггчизняш iснуючi зразки ДП «ХКБД», а саме ДВЗ типу 5ТДФ. Пщприемс-твом розроблено дизель для модершзацп НТМ пiд позначенням 5ТДФМА-1 (рис. 2) [7].
Рис. 2. Дизель 5ТДФМА-1 НТМ
Нижче в табл. 1 наведено основш техшчш характеристики дизеля, вказаш заводом-виробником.
Розглянемо конструктивш особливостi його системи охолодження та випробування в умовах об'екта та зробимо висновки про необхщшсть модершзацп СОД та необхщшсть регулювання. Система охолодження даного дизеля у складi силово! установки спрямована на вiдведення теплоти вщ оливи, що змащуе та охолоджуе бортовi коробки передач, та теплоти, яка видшилась внасль док згоряння палива в дизелi й була выведена охолоджуючою рщиною i моторною оливою. На рис. 3 схематично зображено систему охолодження охолоджуючо! рщини.
Тут система охолодження е закритою, висо-котемпературною, iз примусовою циркулящ-ею охолоджуючо! рщини. Охолоджуючу рь дину прокачуе насос вщцентрового типу, що приводиться вщ колiнчастого вала дизеля, витрата охолоджуючо! рщини визначаеться швидкiсним режимом роботи дизеля i не мае регулювання. Виконавчих механiзмiв та чут-ливих елементiв, що керують роботою СОД для перерозподшу теплового потоку, вщведе-ного з охолоджуючою рщиною, в дизелi не передбачено.
Таблиця 1 - Параметри дизеля 5ТДФМФ-1
Позначення 5ТДФМА-1
Потужшсть, кВт 772
Д1аметр цил1ндра, мм 120
Х1д поршня, мм 2x120
Число цил1ндр1в 5
Робочий об'ем, л 13,6
Частота обертання кол1нчастого вала, хв-1 2850
Габарити, мм: довжина 1413
ширина 955
висота 581
Габаритна потужшсть, кВт/м3 989,0
Питома маса, кг/кВт 1,3
Лирова потужшсть, кВт/л 56,8
Питома витрата палива, г/кВтгод 208,08
Система змащення слугуе не тiльки для змащення, а й вiдведення теплоти вщ деталей та пар тертя (рис. 4). В системi е два елект-ричнi оливозакачувальнi насоси, що викори-стовуються перед запуском дизеля, але не активш пiд час його роботи. Основний оли-возакачувальний насос системи змащення i оливовщкачувальш насоси мають привод вiд колшчастого вала дизеля через механiзм передач. Характеристики останшх визначають-ся частотою колшчастого вала та гiдравлiч-ним опором мережу регулювання витрати оливи в системи охолодження вщсутне. Вентилятор створюе розрiдження тсля пакета теплообмiнникiв, тим самим вщбуваеться прокачування холодного повiтря для вщве-дення теплоти. Вентилятор не регульований, його продуктивнють безпосередньо визначаеться частотою обертання колшчастого вала дизеля та гiдравлiчним опором повпряно! мережа На стендi ДП «ХКБМ» [8] проводилось дослщження параметрiв силово! установки НТМ з розглянутим дизелем 5ТДФМА-1. Результати дослщжень зведено до табл. 2 та на рис. 5.
Рис. 3. Схема роботи системи охолодження охолоджуючо! рщини дизеля типу 5ТДФ: 1 - дизель; 2 - привод вентилятора; 3 - вентилятор; 4 - насос охолоджуючо! рщини; 5 - розширю-вальний бак; 6 - рщинш теплообмшники
Рис. 4. Схема роботи СОД моторно! оливи ДВЗ дизеля типу 5ТДФ: 1 - дизель; 2 - оливозакачу-вальний насос дизеля; 3 - бак моторно! оливи; 4 - теплообмшники моторно! оливи; 5 - пе-репускний клапан
Рис. 5. Результати експерименту ДП «ХКБМ»: температури охолоджуючо! рщини та оливи вщ частоти обертання i навантаження на дизель типу 5ТД
На рис. 5 зображено експериментальш графши змши температури моторно! оливи й охолоджуючо! рщини залежно вщ частоти обертання колшчастого вала дизеля вщносно холостого ходу. На графшу також видшено криву 7^™., що показуе рекомендований
оптимальний рiвень температури охолоджуючо! рщини i оливи в СОД. З рисунка видно, що за вщсутносп регулювання роботи СОД температурш показники значно змшюються i суттево вiдрiзняються вiд рекомендованого значення.
Таблиця 2 - Експериментальш даш дослщження дизеля 5ТДФМА-1 у CKiaAi НТМ
пдвз P N T ± ор Т ± мо Т0 Тпов2 Тпов1
хв-1 % кВт °C °C °C °C °C
2852 27,2 139,0 76,5 82,7 15,5 15,7 50,4
2831 51,8 261,0 78,3 84,1 15,5 15,5 52,7
2815 78,0 391,2 80,9 85,4 15,5 15,3 54,1
2826 89,1 450,0 83,5 86,7 15,5 15,2 55,1
2863 99,7 509,6 97,3 95,8 15,6 15 62,6
2858 100,0 510,3 104,1 101,6 15,7 15 67,4
2876 88,8 455,1 105,9 103,9 15,8 15 69,3
2867 93,0 477,2 113,8 114 16,2 15,2 76,2
2870 88,8 455,1 114,2 115,2 16,2 15,2 77
2121 0,0 0,0 104,5 114,9 16,6 15,5 77,2
1983 0,0 0,0 89,4 104,6 16,6 15,5 69,7
2187 0,0 0,0 86,4 102,5 16,6 15,5 67,6
1807 0,0 0,0 84,5 100,8 16,6 15,5 66,2
0 0,0 0,0 83,7 99,4 16,6 15,6 65,1
У разi скидання частоти обертання колш-частого валу вщхилення температури охоло-джуючо! рiдини складае 26,3 °С а для оливи - 10,6 °С. На початку скидання частоти, що вiдповiдае частот 2121 хв-1, вiдхилення температури охолоджуючо! рiдини складае 5,5 °С а для оливи перевищуе оптимальну на 4,9 °С. За помiрного зменшення частоти обертання колшчастого вала вiдбуваеться штен-сифiкацiя i надлишкове вiдведення теплоти через СОД, що пов'язано з неможливютю впливати на витрату повггря через вентилятор та на охолоджуючу рщину i моторну оливу. Як наслщок, це тягне за собою зни-ження температур теплоносi!в у цшому. По-дiбна змiна температури характерну разi скидання навантаження, тут тепловий потш до теплоносi!в знижуеться, за стало! кшькос-тi теплоти, вщведено! теплообмiнниками.
Низька температура теплоносi!в, як розг-лядалось вище, призводить до збшьшення зносу цилiндрiв та попршення надiйностi. Також варто зазначити, як було дослщжено, низька температура теплоносив призводить до збiльшення витрати палива дизелем.
Отже можна визначити, що розроблений дизель не мае регулювання роботи СОД, тому температурш показники будуть суттево змiнюватись при змiнах режимiв, що негативно впливатиме на яюсш показники роботи дизеля i його надiйну роботу. Рекомендовано провести вдосконалення СОД шляхом регу-лювання витрати теплоносi!в: охолоджуючо!
рщини, оливи та повггря, або комплексно, або шдивщуально за конкретним теплонось ем. Таю заходи дозволять утримувати температуру теплоносив в оптимальному д!апазош та позитивно вщобразяться на показниках силово! установки в цшому.
Висновки
1. Визначено, що шдвищення температури дозволяе позитивно впливати на такий показник надшносп, як знос.
2. Показано, що за змши режиму роботи дизеля типу 5ТДФ температура теплоносив в1др1зняеться вщ оптимально! в д!апазош вщ 5 до 26 °C.
3. Проанал1зовано експериментальш даш роботи силово! установки НТМ з дизелем 5ТДФМА-1 i визначено, що за змши режим1в роботи температури теплоносив вимагають впровадження регулювання.
Лтратура
1. Abdelghaffar WA, Osman MM, Saeed MN, Ab-delfatteh AI. Effects of coolant temperature on the performance and emissions of a diesel engine. ASME. Internal combustion engine division spring technical conference, design, operation, and application of modern internal combustion engines and associated systems, Paper № ICES2002-464, 2002, pp. 187-197.
2. Burke, R. and Brace, C. The effects of engine thermal conditions on performance, emissions and fuel consumption, SAE technical paper 2010-01-0802, 2010.
3. Hossain, A. K., Smith, D. I., Davies, P. A., Effects of engine cooling water temperature on performance and emission characteristics of a compression ignition engine operated with biofuel blend, J. sustain. dev. energy water environ. syst., 5(1), 2017, pp. 46-57.
4. Луков Н. М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. / Луков Н. М. - М.: Машиностроение, 1977. - 224 с.
5. Ливенцев Ф.Л. Высокотемпературное охлаждение поршневых двигателей внутреннего сгорания. / Ливенцев Ф.Л. М. - Л.: Машиностроение, 1964. - 204 с.
6. Теория и конструкция танка. Вопросы проектирования танковых силовых установок. Т. 4. - М. : Машиностроение, 1984, - 348 с.
7. Т-72УА1. Украинская модернизация советского танка [Електронний ресурс] / К. Рябов // Военное обозрение. - 2013. - Режим доступу до ресурсу: https://topwar.ru/25263-t-72ua1-ukrainskaya-modernizaciya-sovetskogo-tanka.html.
8. Акт протоколу дослщжень / ДП "ХКБМ" -Харшв, 2012. - 2 с. № 387.
References
1. Abdelghaffar WA, Osman MM, Saeed MN, Ab-delfatteh AI. Effects of coolant temperature on the performance and emissions of a diesel engine. ASME. Internal combustion engine division spring technical conference, design, operation, and application of modern internal combustion engines and associated systems, Paper №. ICES2002-464, 2002, pp. 187-197.
2. Burke, R. and Brace, C., "The effects of engine thermal conditions on performance, emissions and fuel consumption," SAE technical paper 2010-01-0802, 2010.
3. Hossain, A. K., Smith, D. I., Davies, P. A., Effects of engine cooling water temperature on performance and emission characteristics of a compression ignition engine operated with biofuel blend, J. sustain. dev. energy water environ. syst., 5(1), 2017, pp. 46-57.
4. Lukov N. M. (1977). Avtomatycheskoe re-hulyrovanye temperatury dvyhatelei [Automatic temperature control of engines]. Moscow, Russia: Mashynostroenye [in Russian].
5. Lyventsev F.L. (1964). Vysokotemperaturnoe okhlazhdenye porshnevykh dvyhatelei vnu-trenneho shoranyia [High-temperature cooling of reciprocating internal combustion engines]. Moscow - Leningrad: Mashynostroenye [in Russian].
6. Teoryia y konstruktsyia tanka. Tom 4: Voprosy proektyrovanyia tankovykh syloykh ustanovok [Theory and design of the tank. The issues of design of tank power plants. Vol. 4]. (Vols.1-8). (1984). Moscow, Russia: Mashynostroenye [in Russian].
7. Riabov K. (2013). T-72UA1. Ukraynskaia modernyzatsyia sovetskoho tanka [T-72UA1.
Ukrainian modernization of the Soviet tank]. Voennoe obozrenye - Military Review. Retrieved from https://topwar.ru/25263-t-72ua1-
ukrainskaya-modernizaciya-sovetskogo-tanka.html [in Russian]. 8. Akt protokolu doslidzhen №387 [Act of the protocol of research №387] (2012). Kharkiv: DP "KhKBM" [in Ukrainian].
Марченко Андрш Петрович - доктор техн. наук, професор кафедри двигушв внутршнього згоряння Нацюнального техшчного ушверситету «Харшвський по-лггехшчний шститут», Харшв, Украша, вул. Кирпичева 2, e-mail : marchenko@kpi. kharkov .ua, +380577004034.
Федоров Андрш Юршович - наук. сшвробь тник кафедри ДВЗ Нацюнального техшчного ушверситету «Харшвський полггехшчний шститут», Харшв, Украша, вул. Кирпичева 2, e-mail: smax.kh@gmail.com, +380662463883.
Лшьков Олег Юршович - канд. техн. наук, доцент, доцент кафедри ДВЗ Нацюнального техшчного ушверситету «Харшвський полггехшчний шститут», Харшв, Украша, вул. Кирпичева 2, e-mail: linkov@kpi.kharkov.ua, +380509103528.
К^мов Вггалш Федорович - професор кафедри колюних та гусеничних машин Нацюнального техшчного ушверситету «Харшвський поль техшчний шститут», Харшв, Украша, вул. Кирпичева 2, +380577076355.
Reasoning the necessity of regulating the operation of the vehicles diesel cooling system
Abstract. Problem. Modern requirements for internal combustion engines are becoming ever more stringent, and current trends require the manufacturer to have high power and economy. This pushes the manufacturer to create and upgrade the design of the internal combustion engine and its systems. Modern technologies allow the creation of high-tech internal combustion engines with electronic control systems that increase the efficiency of resource use, and improve environmental parameters. As a result, modern engines can dynamically change their parameters and adjust to the needs of consumers. One of the main systems that affect the performance of an internal combustion engine is the cooling system. The regulation of the cooling system allows maintaining the optimum temperature of the coolant. The low or periodically increasing and decreasing temperature of the coolant and oil leads to such consequences as increased wear of parts in friction pairs, an increase in fuel consumption and ineffective operation of the cooling system. Goal. Analyze and justify the need to regulate the diesel engine cooling system of the road vehicles. Methodology. Based on the experimental data, an analysis of the change in the temperature of the heat transfer media was carried out and a comparison was made with the optimum recommended temperature. Result. It is determined that with a
change in the speed of the diesel engine's crankshaft and load, the temperature deviates, indicating that there are no measures aimed at regulating the temperature state of the diesel and the need to develop and implement a system for regulating the temperature of the heat carriers of the internal combustion engine. Originality. Estimation of temperature condition and substantiation of the necessity to regulate temperatures of heat carriers was not applied earlier to a diesel engine of 5TDF type. Practical value. This assessment will lay the foundation for the rationale for the development of a cooling system control for domestic diesel engines of the 5TDF type.
Key words: demolition, diesel, temperature, cooling system, oil, fan.
A. P. Marchenko, A. Y. Fedorov, O. Y. Linkov, V. F. Klimov, NTU "KhPI"
Обоснование необходимости регулирования работы системы охлаждения дизеля транспортной машины
Аннотация. Проанализирована и обоснована необходимость регулирования работы системы охлаждения дизеля наземной транспортной машины, показано, что отклонение температуры теплоносителей от оптимальной приводит к негативным последствиям в эксплуатации дизеля. На основе экспериментальных данных показано влияние изменения режима работы дизеля наземной транспортной машины с дизелем типа 5ТДФ на отклонение температур теплоносителей от рекомендованных оптимальных.
Ключевые слова: износ, дизель, температура, система охлаждения, масло, вентилятор.
Марченко А. П., Федоров А. Ю., Линьков О. Ю., Климов В. Ф., НТУ «ХПИ»
