CC BY
7
УДК 62-712
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-6-122-127
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
П.С. Подколзин
В статье проведены исследования эффективности работы воздушной системы охлаждения быстроходных многоцелевых малоразмерных дизелей 1Ч9,5/8,0 при температуре окружающей среды +50 °С. Выполнен проектировочный расчет и оценка эффективности работы воздушной системы дизеля 1Ч9,5/8,0 производства АО «АК «Туламашзавод» при заданной температуре окружающей среды. На основе полученных данных, сделан вывод о возможности применения используемой методики для расчета воздушной системы охлаждения малоразмерных одноцилиндровых двигателей. На основе проведенных исследований предложены способы повышения эффективности воздушного охлаждения серийного двигателя.
Ключевые слова: дизель, воздушная система охлаждения, цилиндр, головка цилиндра, эффективность охлаждения, высокие температуры окружающей среды.
Работа двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с воздушной системой охлаждения характеризуются более высокими температурными нагрузками в процессе эксплуатации, особенно в жарких климатических условиях. При перегреве двигателя снижаются смазывающие свойства моторного масла, увеличиваются силы трения в поршневой группе, повышается изнашивание деталей. Ухудшение наполнения цилиндра свежим зарядом при повышении температуры его головки является причиной снижения мощности двигателя [1]. Для предотвращения таких негативных последствий необходимо обеспечить наибольшую степень охлаждения и возможность поддержания в требуемых пределах теплового состояния двигателя при различных режимах и условиях работы.
Анализ, существующих методов расчета воздушной системы охлаждения ДВС [1-3], показывает, что в основном они применимы к большеразмерным двигателям, поэтому адаптирование таких методик к малоразмерным дизелям мощностью от 7 до 13 кВт является актуальной задачей. Отечественным производителем рассматриваемых дизелей является АО «АК Туламашзавод», который выпускает быстроходные многоцелевые малоразмерные двигатели семейства ТМЗ с воздушной системой охлаждения. Данные дизели предназначены для установки на транспортные средства малой грузоподъемности, минитракторы, малогабаритную технику коммунального хозяйства, дорожные и строительные машины, а также могут использоваться для привода мобильных электростанций, генераторных и насосных установок. Кроме того, широкое применение таких дизелей обусловлено возможностью эксплуатаций в интервале температур окружающей среды от -50 °С до +50 °С.
Целью настоящей статьи является оценка эффективности системы охлаждения малоразмерных дизелей в условиях высоких температур окружающей среды (+50 °С) на примере дизеля «ТМЗ-650Д». Технические характеристики рассматриваемого ДВС приведены в табл. 1.
В соответствии с известной методикой [1] расчета для ДВС с воздушным охлаждением при температуре окружающей среды не больше +50 °С, расчетная максимальная температура рабочей поверхности цилиндра не должна превышать 220 °С.
Количество тепловой энергии, подлежащее отводу в охлаждающий воздух в течение 1 час, определяется по эмпирической формуле:
Q= АЫедека, ккал/ч (1)
122
где А - доля тепловой энергии топлива, отводимая в систему охлаждения; для дизелей А = 0,25 ... 0,3; ка - теплотворность топлива. Примем А = 0,25 и ка = 10000 ккал/кг. [2]
Для расчета оребрения цилиндра необходимо знать количество тепловой энергии, которое он должен отвести. Для этого нужно задаться распределением теплоотдачи между головкой и цилиндром. Для дизеля с неразделенной камерой сгорания можно принять, что количество тепловой энергии, отводимой головкой $г = 0,55$, а цилиндром Qц = 0,45$ [1].
Таблица 1
Технические характеристики двигателя «ТМЗ-650Д»_
Тип двигателя Дизельный, четырехтактный
Число цилиндров 1
Тип камеры сгорания неразделенная
Диаметр цилиндра, мм 95
Ход поршня, мм 88
Номинальная частота вращения, мин-1 3000
Удельный расход топлива, кг/(кВтч) 0,23
Высота оребренной части цилиндра, м 0,056
Номинальная эффективная мощность, кВт 12
Высота оребренной части головки, м 0,056
Количество воздуха, потребного для охлаждения одного цилиндра, находим по формуле:
^ = -кг/ч (2)
^ СрЛЬа-Ъв) ^ '
где и - соответственно 50°С и 100°С средние температуры воздуха, входящего в межреберные каналы и выходящего из них [1]; ср1 - средняя теплоемкость воздуха при постоянном давлении в интервале температур ^ и ^ ,ккал/кг°С.
Скорость прохождения воздуха через оребрения:
^^ (3)
где ут - удельный вес воздуха при температуре 50 °С, кг/м3.
Приведенный (отнесенный к основной поверхности) коэффициент теплоотдачи:
«пр1 = Р п ц_, ,, ккал/м2ч-град (4)
^пр = + 2Д)Лц, м2 (5)
где ^р - приведенная (основная) поверхность охлаждения цилиндра; Б - диаметр цилиндра, м; Д - толщина стенки цилиндра, м; Лц - высота обдуваемой (оребренной) части цилиндра, м; - средняя температура стенки по окружности и по высоте цилиндра, °С; - средняя температура воздуха в межреберных каналах, °С. Сечение межреберных воздушных каналов цилиндра:
/ц = ^м2 (6)
Средние значения скорости в межреберных каналах (при диаметре цилиндра Б = 70 — 125 мм), равны 20-50 м/с. Примем = 40 м/с.
Поверхность охлаждения цилиндра, т. е. поверхность, обдуваемую охлаждающим воздухом:
¿ц = ^прф, м2 (7)
где ^ -коэффициент оребрения [2].
Число ребер цилиндра найдем из формулы:
= ^ (8) 5 = 5* + 5ср, м (9)
где 5ср - средняя толщина ребра, м; 5* - величина просвета между соседними ребрами, м; 5 - шаг ребер, м.
Из условия, что контур оребренного цилиндра имеет форму полной окружности (в ребрах отсутствуют вырезы и отверстия для шпилек крепления цилиндра), определим поверхность одной стороны ребра:
= , ^ (Ш)
где ^ - поверхность одного межреберного промежутка, м2; 5а - расстояние между ребрами у основания, м; Оа - диаметр цилиндра по впадинам ребер, м. Высота ребра по окружности по окружности цилиндра:
Лр =
,м
(11)
Р 2
где - внешний диаметр оребренного цилиндра найдется из выражения, м.
Далее необходимо проверить, обеспечивают ли найденные параметры оребре-ния, отвод заданного количества тепла, для чего находим приведенный коэффициент теплоотдачи внешней поверхности по формуле [2]:
а2 (2Лр^р +5*), ккал/м2ч-град (12)
^пр2 5ср+5*
О г (Г^щ)0,8 / 2
ав = а2 ^и! •«иг = 2,45——, ккал/м^ч-град
2 ,с Э , 2 а2 = 2,45-^—, ккал/м^ч^град
(13)
(14)
где ^р - КПД ребра; - эквивалентный диаметр межреберного канала, м; аП1,аП2 - поправочные коэффициенты, зависящие от длины и кривизны воздушного канала между цилиндром и кожухом.
Рассчитаем следующие геометрические параметры головки цилиндра: приведенная поверхность охлаждения головки (15); поверхность головки, обдуваемую охлаждающим воздухом (16), общая поверхность охлаждения двигателя (равна сумме поверхностей головки и цилиндра) (17).
^Пр.г Л-г^г,
м (15)
^ = ^Пр.гф, м2 (16)
+ м2 (17)
где ^ - коэффициент оребрения головки; Лг - высота оребренной части головки цилиндра, м; /г - длина головки, м.
Результаты расчета приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты расчета воздушной системы охлаждения дизеля «ТМЗ-650Д»
Наименование параметра Значение
Р,ккал/ч 6900
Qц, ккал/ч 3105
Qг, ккал/ч 3795
Gtц,кг/ч 258,75
Чц,м3/с 0,07
апр1,ккал/м2ч-град 1835
Fпр,м2 0,0188
Ъ м2 0,002
Fц,м2 0,1034
2ц 7
S, м 0,008
Fр,м2 0,0059
hр,м 0,015
ипр2,ккал/м2ч-град 640,4
Fпр.г,M2 0,008
Fr,м2 0,04
Fоб,м2 0,1484
Коэффициенты апр1,апр2 отличаются на 65 %, следовательно, на основании методики расчета [2], принятые параметры оребрения не обеспечат надлежащее охлаждение цилиндра. Частично эта проблема решается конструкцией головки рассматриваемого цилиндра, в которой она перекрывает верхнюю часть цилиндра выше зоны оребрения. Так же определенное количества тепла, отводится в атмосферу через стенки картера [1] и масляный радиатор, установку которого предусматривают при эксплуатации двигателя в условиях повышенной температуры окружающей среды.
Для улучшения эффективности охлаждения цилиндра, в условиях невозможности увеличения высоты ребер охлаждения, а значит и внешних габаритных размеров, возможно уменьшить межреберное расстояние и увеличить количество ребер [4]. Кроме того, для уменьшения разности приведенных коэффициентов следует увеличить количество воздуха, потребного для охлаждения.
С целью оценки возможности применения приведенной методики для расчета системы охлаждения малоразмерного дизеля «ТМЗ-650» рассмотрим решение обратной задачи, используя в качестве исходных данных основные параметры двигателя [4].
На основе характеристики вентилятора системы охлаждения исследуемого двигателя, определим производительность при номинальной частоте вращения 3000 мин-1, которая равна 490 кг/ч.
Из формулы (2) найдем количество тепловой энергии, отведенное от цилиндра и головки в охлаждающий воздух в течение 1 час:
С = Ссц •Ср^ — £св), ккал/ч.
Зная распределение количества теплоты между головкой и цилиндром ($г = 0,55$, $ц = 0,45$), найдем их значения.
Определим скорость воздуха в межреберных каналах.
^т=£Г,М/С (18),
где 5 = 5Х +52,м2 - площадь сечения, через которое проходит воздух; 5Х - площадь сечения между ребрами, м2; 52 = 25с - площадь двух сегментов между кожухом и цилиндром, м2.
Приведенные коэффициенты теплоотдачи внешней поверхности а^ и аПр2, определяем по формулам (4) и (12), соответственно.
Сравнение параметров существующего двигателя с параметрами, полученными в ходе проектировочного расчета системы охлаждения приведено в табл. 3.
Таблица 3
Сравнение параметров системы охлаждения дизеля «ТМЗ-650» с параметрами, _полученными в ходе проектировочного расчета__
№ Наименование и обозначение Значение параметров се- Значение параметров, получен- Величина от-
величины рийного двигателя ные в ходе расчета клонения, %
1 ккал/ч 6000 6900 13
2 @г, ккал/ч 3300 3795 13
3 ккал/ч 2700 3105 13
4 апр1,ккал/м2ч-°С 1816 1835 1
5 апр2,ккал/м2ч-°С 570 640,4 11
6 йр, мм 12,75 15 15
7 5, мм 8 8 0
8 *об, мм2 1,43105 1,484 105 3,6
9 /•Г, мм2 0,39105 0,4105 13,3
10 мм2 1,04105 1,034 105 0,6
11 дг , м/с 14 40,88 105 2,2
Отклонение результатов расчетов не превышает 15 %, что свидетельствует о возможности использования приведенной методики расчета малоразмерных одноцилиндровых двигателей.
Приведенные коэффициенты а^ и а^2 для серийного двигателя отличаются на 68,6 %, что свидетельствует о недостаточной эффективности системы охлаждения исследуемого дизеля при эксплуатации в условиях, когда температура окружающей среды равна +50°С.
С учетом проведенных исследований данную проблему можно решить следующими способами: установка радиатора с большой площадью теплоотдающей поверхности; увеличение производительности вентилятора.
Список литературы
1. Попык К.Г. Конструирование и расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1973. 400 с.
2. Поспелов Д.Р. Двигатели внутреннего сгорания с воздушным охлаждением: учебное издание. Ленинград: изд-во типография №6 УПП Ленсовнархоза. Ленинград, 1961. 557 с.
3. Литвиненко A.A., Ишкаев З.Г. Расчет и оценка эффективности системы охлаждения малоразмерного быстроходного дизеля «ТМЗ-650Д» // Ростовский научный журнал. 2018. №4 С. 135-141.
4. Платонов К.Ю. Улучшение эксплуатационных показателей быстроходных дизелей воздушного охлаждения повышением стабильности геометрии цилиндра: специальность 05.04.02 «Тепловые двигатели»: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Платонов Константин Юрьевич; Тульский государственный университет. Тула, 2021. 126 с.
5. Колчин A.^, Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учебное пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1980. 400 с.
6. Пат. RU 2137928С1 F01P5/06. Одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания с воздушным охлаждением / Эфрос В.В., Дронов E.A., Бессонов A.H., Панов В.В., Платонов Н.Л., Белов В.В., Плешанов A.A. // Дата подачи заявки:1998.07.06. Опубликовано: 1999.09.20.
7. Пат. SU 1449365 Система воздушного охлаждения двигателя и трансмиссии транспортного средства / Кулюгин AÄ, Иванов A.A., Ильин М.М. // Заявка: 4186087, 1987.01.26. Дата подачи заявки: 1987.01.26. Опубликовано: 1989.01.07.
8. Кравченко ВА., Сергеев Н.В. Тракторы и автомобили: конструкция двигателей: учебное пособие. Изд-во: Aзово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ^У, 2018. Том 2. 310 с.
9. Пат. RU 45469U1 Радиатор / Aверкиев ЛА., Филиппов В.В., Копылов A.A. // Дата подачи заявки: 2004.12.27. Опубликовано: 2005.05.10.
10. Ax. 1451308 СССР A1 Цилиндр двигателя внутреннего сгорания с воздушным охлаждением / Aхметов Г.Ш., Ильин Б.В., Высоцкая ТА. // 23.09.1983. Заявка №2885952 от 06.03.1980.
11. Барченко Филипп. Конструкция и расчет воздушного охлаждения поршневых двигателей: Учебное пособие - из-во: Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана/ 2015. с. 96.
12. Nain, Ajay, Nene, Devendra, Unnithan, Sarat Cooling System Optimization in an Air-Cooled CNG Engine Using 3-D CFD Technique: SAE Technical Papers release 2022 29 March 2022 SAE 2022 Annual World Congress Experience, WCX 2022Virtual/ DOI 10.4271/2022-01-0206.
13. Baird A., Thornhill D., Cunningham G., Troxler P., Price B. CFD simulations of heat transfer from air cooled engines: 2006 SAE Technical Papersю DOI: 10.4271/2006-320004.
Подколзин Павел Сергеевич, студент, podkolzin2001sergeevoch@vandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
126
EVALUATION OF THE EFFICIENCY OF THE COOLING SYSTEM OF SMALL-SIZED DIESEL ENGINES AT HIGH AMBIENT TEMPERATURES
P.S. Podkolzin
The article studies the efficiency of the air cooling system of high-speed multipurpose small-sized diesel engines 1H9.5/8.0 at an ambient temperature of+50 ° C. The design calculation and evaluation of the efficiency of the 1H9.5/8.0 diesel air system produced by JSC "AK "Tulamashzavod" at a given ambient temperature was performed. Based on the data obtained, a conclusion is made about the possibility of applying the methodology used to calculate the air-cooling system of small-sized single-cylinder engines. On the basis of the conducted research, ways to increase the efficiency of air cooling of a serial engine are proposed.
Key words: diesel, air cooling system, cylinder, cylinder head, cooling efficiency, high ambient temperatures.
Podkolzin Pavel Sergeevich, student, podkolzin2001sergeevoch@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.86
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-6-127-133
МОДЕРНИЗАЦИЯ СНЕГОУБОРОЧНОГО КОМПЛЕКСА
П.В. Витчук, Д.А. Славкин, А.А. Сидоров
Описаны конструкция и принцип работы существующего снегоуборочного комплекса, его конструктивные особенности и преимущества использования. Указаны основные проблемы, возникающие при эксплуатации снегоуборочного комплекса, а именно - проскальзывание колес заполненного самосвала при его выезде с подкатного устройства и неравномерное заполнение кузова самосвала снежной массой при ее сходе с ленточного конвейера. Предложены пути решения указанных проблем. Разработаны варианты модернизации подкатного устройства, из которых выбран приоритетный вариант, изготовлен его опытный образец. В настоящий момент ведутся испытания модернизированного подкатного устройства. Проведен анализ причин неравномерного заполнения кузова снежной массой. Составлена схема процесса схода снежной массы с конвейера и получена его математическая модель. Получены зависимости величины вылета снежной массы от скорости движения конвейера. Доказана невозможность равномерного заполнения кузова самосвала без изменения конструкции конвейера. Разработаны варианты модернизации ленточного конвейера. В качестве приоритетного варианта выбрана конструкция ленточного конвейера, оборудованного поворотным устройством, предназначенным для изменения траектории схода снежной массы по мере заполнения кузова самосвала. Описана конструкция и принцип работы разработанного поворотного устройства. Построена модель заполнения кузова самосвала снегом с использованием предложенного поворотного устройства. Показано, что модернизация ленточного конвейера на основе введения в его конструкцию поворотного устройства позволит обеспечить равномерность заполнения кузова самосвала. В настоящее время ведется конструкторская проработка предлагаемого поворотного устройства.
Ключевые слова: снегоуборочный комплекс, конвейер, модернизация, поворотное устройство, самосвал.
Снегоуборочный комплекс (рис. 1), изготавливаемый одним из предприятий автомобильного кластера г. Калуга, предназначен для сбора снега с обочин дороги и транспортировки его в пункт выгрузки. Особенностью данного комплекса является, то, что в
127
