CC BY
60
УДК 627.1
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООТВОДА ДВИГАТЕЛЯ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ В ОТСЕКЕ С ОГРАНИЧЕННЫМ ВОЗДУХООБМЕНОМ
Д.Ю.Фадеев
INCREASE OF EFFICIENCY OF HЕАТ-REMOVAL OF AIR-COOLED ENGINE IN A COMPARTMENT WITH LIMITED VENTILATION
D.J. Fadeev
Описана работа и конструкция системы, которая позволяет обеспечить оптимальное тепловое состояние двигателя воздушного охлаждения и тем самым повысить его надежность и экономичность.
Ключевые слова: повышение эффективности теплоотвода в двигателе внутреннего сгорания.
The article describes work and design of the system which allows providing the optimum thermal condition of air-cooled engine and thereby to raise its reliability and profitability.
Keywords: increase of efficiency of a heat-removal in engine of internai combustion.
Тепловое состояние двигателя является одним из важных факторов, обеспечивающих эффективность рабочего процесса, безотказность и долговечность его механизмов.
Перегрев приводит к тепловому расширению и потере подвижности деталей, их короблению и разрушению. При повышении температуры двигателя уменьшающееся наполнение цилиндров вызывает падение мощности, а в процессе сгорания возникают детонационные явления. Переохлаждение ухудшает смесеобразование и воспламенение топлива, приводит к росту трения и интенсификации изнашивания.
Вопросы эффективного функционирования двигателя воздушного охлаждения в отсеке с ограниченным воздухообменом частично рассматриваются в работе [3]. Однако в данной работе решение проблемы снижения тепломеханической напряженности деталей двигателя не рассматривались во взаимосвязи с затратами мощности на функционирование системы воздушного охлаждения.
В связи с тем, что на показатели работы двигателя воздушного охлаждения существенное влияние оказывает организация рабочего процесса, конструктивные особенности подвода, распределения и отвода охлаждающего воздуха, необходимо теоретическое обоснование и разработка практических мероприятий обеспечения эффективной работы двигателя в отсеке с ограниченным воздухообменом. Таким образом, очевидно противоречие между повышением уровня форсирования, экономичности двигателя, с одной стороны, и обеспечением ограничения параметров по тепловой напряженности, затрат мощности на привод вентилятора, - с другой стороны.
Решением данной проблемы может послужить разработка системы обеспечивающей стабилизацию теплового состояния двигателя воздушного охлаждения. Предлагается конструкция, состоящая из дополнительного вентилятора* электрического привода, блока управления и датчиков для измерения показателей температуры (рис. 1).
Предложенная система работает следующим образом. Во время работы двигателя на пиковых режимах, когда штатный вентилятор 5 не справляется с отводом теплоты в атмосферу, вступает в действие дополнительный вентилятор 3. Данный вентилятор установлен под определенным углом к направлению основного воздушного потока, что создает эффект турбулентности в зоне ребер головки цилиндра 1. При этом существенным образом увеличивается интенсивность
Расчет и конструирование
теплоотдачи от ребер к охлаждающему воздуху. Из анализа литературы [2, 3] и полученных экспериментальных данных можно сделать вывод, что для обеспечения надежной работы двигателя диапазон температур поверхностей в зоне установки датчика 12 должен лежать в пределах 1 ВО-195 °С, для датчиков 11, 9 диапазон температур составляет 85-90 °С. Причем разница температур между зонами датчика 12 и группой датчиков 11, 9 не должна превышать 95-105 °С. При увеличении данной разницы температур и происходит включение дополнительного вентилятора с помощью блока управления 10 и электромотора 2.
Существующая математическая
модель [1] работы системы охлаждения двигателя не в полной мере описывает процессы теплообмена и нуждается в корректировке. В качестве математической модели системы охлаждения принимается следующая система уравнений:
тс
Рис. 1. Схема системы стабилизации теплового состояния двигателя воздушного охлаждения: 1 - головка цилиндра; 2 - электромотор; 3,5 - вентиляторы; 4 - направляющий кожух; 6 - дефлектор; 7 - линия соединения с приводом; 8 - коленчатый вал; 9,11,12 - датчики температур; 10 - блок управления; 13 - центральный процессор
тс dT
Сср{тсръ-Тср\) dt ’
F =-
^ гчОХ(ТОХ — Тв ^ ? ОС ср\1 ср 1 ср)
/,
me dT
СсР[тсрг-ТХср)[уср]Уи)2т dt
р =АР +PH + P3 + Z\ ,
Ne
N0 =
тс
Сср\Тгп, Т
_________
jl000pr| dt
GqPq
1000рг|о
V =?7r7lm,
где Gaiz - потребное количество охлаждающего воздуха, м3;
Fax - поверхность охлаждения, м2;
/г - площадь воздухораспределительного кожуха, м2;
N в ~ мощность вентилятора, кВт/ч ;
Р - полное аэродинамическое сопротивление воздушного тракта, кПа;
N0 - мощность потока воздуха, кВт/ч;
77 - полный КПД;
Сер ~ средняя теплоемкость воздуха при постоянном давлении в интервале температур Тсръ и тср 1 > Дж/(КГ К);
ТСрЪ и ТСр\ - средняя температура воздуха на входе в межреберные каналы цилиндров и на выходе из них соответственно, К;
ссер ~ средний коэффициент теплоотдачи поверхности охлаждения;
Тср и Тср - средняя температура поверхности охлаждения воздуха в межреберных каналах, К;
VСр\ ~ скорость воздуха на входе в межреберные каналы цилиндров с головками, м/с;
Vи - относительная скорость истечения воздуха из пары цилиндр-головка, м/с; m - число ответвлений воздушного потока;
82
Вестник ЮУрГУ, № 33, 2009
Фадеев Д.Ю.
Повышение эффективности теплоотвода двигателя воздушного охлаждения в отсеке с ограниченным воздухообменом
АР - аэродинамическое сопротивление воздушного тракта двигателя, кПа;
Рн,Рз - потери давления в воздушном тракте системы охлаждения от нагрева воздуха в трассе и от засорения межреберных каналов в процессе эксплуатации двигателя, кПа;
Zi - гидравлические потери, кПа.
Согласно выбранной математической модели определяются аэродинамические потери в воздухораспределительном кожухе и в целом в воздушном тракте. Кроме того, решается вопрос обеспечения равномерной раздачи воздуха на цилиндры с головками. По данной математической модели можно построить аэродинамическую характеристику системы охлаждения (рис. 2).
Решение линейной системы уравнений в общем виде с получением аналитических зависимостей между интересующими нас параметрами может быть выполнено с использованием универсальных пакетов MATCAD, MATLAB.
Сравнение разницы температур масла, цилиндров и головки цилиндров позволяет проследить динамику изменения теплового состояния цилиндропоршневой группы двигателя. Это позволяет в зависимости от режима работы двигателя поддерживать требуемую величину теплоотвода по всей поверхности цилиндропоршневой группы, тем самым обеспечивать оптимальное тепловое состояние двигателя и повышать его надежность и экономичность.
Полученная аэродинамическая характеристика позволяет проводить сравнительную оценку с величинами аэродинамических потерь деталей разных двигателей, а также количественно и качественно оценивать изменения скорости потока воздуха в межреберных каналах и уточнять геометрию межреберных каналов для вновь проектируемых двигателей.
Литература
1. Александров, Н.Е. Повышение эффективности функционирования дизеля воздушного охлаждения в отсеке с ограниченным воздухообменом: дис. ...канд. техн. наук/Н.Е. Александров. -Барнаул., 1996. - 176 с.
2. Двигатели внутреннего сгорания / под ред. В.Н. Луканина. - М.: Высшая школа, 2005. -400 с.
3. Поспелов, Д.Р. Двигатели внутреннего сгорания с воздушным охлаждением/ Д.Р. Поспелов. - М.: Машиностроение, 1971. - 536 с.
Поступила в редакцию 28 сентября 2009 г.
Фадеев Дмитрий Юрьевич. Адъюнкт кафедры «Двигатели автомобильной техники» Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища. Область научных интересов - автоматизация двигателестроения, системы управления.
Fadeev Dmitry Jurjevich. Junior scientific assistant at the Engines of Automobile Technical Equip-ment department of Chelyabinsk Higher Military Automobile Command-Engineering School. Professional interests - automation of drive engineering, control systems.
0.1
0,2
0,3
Gaiz.Kr/c
Рис. 2. Аэродинамическая характеристика воздушно
тракта системы охлаждения двигателя: _______- по разі
ботанному методу; _______ - по методу Д.Р. Поспелої
□ - экспериментальные данные
