CC BY
14TECHNICAL SCIENCES
ПРЕДПУСКОВАЯ ТЕПЛОВАЯ ПОДГОТОВКА АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Габдрафиков Ф.З.
ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет», г. Уфа, Российская Федерация,
доктор технических наук, профессор Галиакберов У.С.
ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет», г. Уфа, Российская Федерация,
аспирант
PRE-START THERMAL PREPARATION OF AUTOTRACTOR
DIESELS
Gabdrafikov F.Z.
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education «Bashkir State Agrarian
University», Ufa, Russian Federation, Doctor of Engineering Sciences,
Professor Galiakberov U.S.
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education «Bashkir State Agrarian
University», Ufa, Russian Federation, Graduatestudent
АННОТАЦИЯ
Приведены результаты исследований предпусковой тепловой подготовки автотракторных дизелей и их влияние на расход топлива. ABSTRACT
The results of investigations of pre-start thermal preparation of automotive diesel engines and their influence on fuel consumption are presented.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, предпусковая тепловая подготовка, тепловой аккумулирующий материал.
Keywords: internal combustion engine, launch thermal preparation, heat battery material.
Автотракторные двигатели значительное время работают при низкой температуре окружающей среды. Для эффективной эксплуатации до начала работы под нагрузкой двигатель должен пройти тепловую подготовку, чтобы установился рабочий диапазон температур. Это требует значительных затрат топлива и времени, особенно при низких температурах.
Известны различные способы и средства повышения температуры для облегчения запуска двигателей. Простой подогрев моторного масла, впрыскиваемого топлива или воздуха требует значительных затрат ине обеспечивает,при низких температурах, качественной тепловой подготовки, а в ряде случаев, ведет и к повышенному износу двигателя[1, 3].
Наибольшее распространение получили электрические подогреватели, работающие от сети 220 В. Принцип их действия основан на нагреве охлаждающей жидкости с помощью электронагревательного элемента. Охлаждающая жидкость циркулирует благодаря термосифонной конвекции, либо дополнительно установленному циркуляционному насосу. Так же наибольшее распространение в Рос-
сии получили зарубежные системы подогрева компаний DEFA(Норвегия), Calix (Швеция) и отечественная компания «Лидер». Несмотря на широкое применение подобных систем, они имеют целый ряд существенных недостатков: неавтономность, пожароопасность, опасность поражения электрическим током, большой расход электроэнергии.
В качестве систем предпусковой тепловой подготовки (ПТП) двигателя широкое распространение получили и автономные подогреватели. Из иностранных производителей следует выделить We-basto, Eberspacher, из отечественных - «Теплостар», «ПЖД» и др.
После запуска подогревателя по команде блока управления топливный насос подает топливо из бака трактора в камеру сгорания. В процессе сгорания топлива внутри подогревателя выделяется теплота, которая передается через стенки теплообменника охлаждающей жидкости дизеля. Далее циркуляционный насос прокачивает охлаждающую жидкость по малому контуру системы охлаждения двигателя, прогревая его.
Автономные подогреватели пока не нашли широкого применения на отечественных тракторах
из-за высокой стоимости. Их недостатки: пожаро-опасность, большой расход топлива, сложность монтажа, потребление энергии бортовой сети трактора.
Среди технических средств, обеспечивающих тепловую подготовку двигателя, следует выделить систему, практический не требующую дополнительных затрат энергии. Она представляет собой тепловой аккумулятор. Его действие основано на накоплении тепловой энергии во время работы двигателя, ее сохранении и дальнейшем использовании для подогрева двигателя через некоторый интервал времени.
Системы предпускового подогрева, основанные на принципе аккумулирования теплоты, выпускают канадская фирма Centaurи российская
«Автотерм». Анализ устройств, работающих по
принципу аккумулирования теплоты, показал, что выпускаемые устройства не используют весь заложенный в них потенциал.
Нами была разработана энергосберегающая система предпусковой тепловой подготовки (ЭСПТП) автотракторных дизелей, позволяющая повысить эффективность использования теплового аккумулятора благодаря коррекции расхода теплоносителя в зависимости от теплоемкости материалов двигателя, его температуры и окружающей среды.
ЭСПТП двигателя в период эксплуатации функционирует в трех режимах: режим накопления теплоты (зарядка), режим хранения накопленной теплоты и режим разогрева двигателя (разрядка).
Принципиальная схема ЭСПТП автотракторного дизеля представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 Принципиальная схема системы тепловой подготовки дизельного двигателя: 1 - блок цилиндров, 2 - электрический насос системы охлаждения, 3 - датчик температуры, 4 - головка блока, 5 - термостат, 6 - радиатор системы охлаждения двигателя, 7 - штатный циркуляционный насос, 8 -электронный блок управления системой, 9 - датчик температуры наружного воздуха, 10 - тепловой аккумулятор, 11 - гидрораспределительный клапан.
Режим зарядки. При достижении двигателем рабочего теплового режима, датчик температуры 3, расположенный на термостате 5, подает сигнал на электронный блок 8, который после обработки сигнала подает импульс на гидрораспределительный клапан 11, тем самым направляя поток горячей охлаждающей жидкости, создаваемый штатным насосом 7, через тепловой аккумулятор 10. Процесс зарядки продолжается до тех пор, пока показания датчика температуры 3 на выходе из головки блока 4 не сравняется с показаниями датчика температуры 3. В случае повышения значения температуры двигателя возможно увеличения расхода охлаждающей жидкости через тепловой аккумулятор 10 за счет дополнительно установленного электрического насоса 2 или же регулирование температуры происходит в штатном режиме посредством радиатора охлаждения 6.
Режим хранения. Тепловой аккумулятор за счет свойств его вещества и хорошей тепловой изоляции корпуса способен сохранять тепло до 72 часов и более. При режиме хранения гидрораспределительный клапан 11 закрывает канал, идущий к тепловому аккумулятору 10, тем самым исключая явление термосифонной конвекции. (В настоящее время ведутся исследования по разработке адиабатического аккумулятора для увеличения длительности сохранения тепла).
Режим разрядки. Система переходит на режим разрядки перед пуском двигателя после длительной стоянки. Перед пуском двигателя электронный блок 8 подает сигнал на электрический насос 2 и гидрораспределительный клапан 11, тем самым начинается циркуляция охлаждающей жидкости в системе до тех пор, пока температура на выходе из теплового аккумулятора 10 не станет равной температуре на выходе из головки блока 4. Электронный
блок управления 8 способен изменять расход теплоносителя для более эффективного забора тепла из теплового аккумулятора 10 в зависимости от сигнала, получаемого с датчика температуры окружающей среды 9 [4].
Нами были проведены исследования по выявлению эффективной схемы подвода теплоты к водяной рубашке дизельного двигателя. Предварительно в программной среде SolidWorks была создана трехмерная модель двигателя (за прототип был принят дизель Д-243) с различными схемами подключения теплоносителя к двигателю.
Для оценки адекватности созданной модели нами были проведены сравнительные испытания
прогрева на трехмерной модели и непосредственно на двигателе.
Для проведения лабораторных испытаний была собрана установка на базе трактора МТЗ-82 с дизелем Д-243. В лабораторной установке использовались циркуляционный насос 75.3780.11.03 производства ООО «Авторитм», аналогово-цифровой преобразователь ZET210 фирмы ZetLab, расходомер СГВ-15 ООО ПКФ «БЕТАР», хромель-копеле-вые термопары, электронагреватель 1,6 кВт.
При проведении имитационных и лабораторных испытаний оценивались: температура охлаждающей жидкости на входе в двигатель (1) и на выходе из него (2), температура воздуха внутри цилиндров (3) рисунок 2:
Рисунок 2 Зависимость температуры теплоносителя от длительности прогрева двигателя: 1 —на входе; 2 —на выходе; 3 — средняя температура воздуха внутри цилиндров двигателя; тонкие линии -результаты имитационных испытаний; толстые — результаты лабораторных испытаний.
В ходе проведенного обобщенного анализа с наложением друг на друга результатов имитации на трехмерной компьютерной модели в программной среде SolidWorksи лабораторных испытаний непосредственно на двигателе было установлено, что характер изменения теплового состояния при прогреве созданной трехмерной модели двигателя соответствует с достаточной точностью (3-5%) изменению теплового состояния при прогреве реального двигателя при лабораторных испытаниях.
Полученные данные свидетельствуют о высокой достоверности результатов имитационной исследований на созданной трехмерной модели и поэтому дальнейшее исследование были проведены в программной среде SolidWorks.
Изменений средней температуры воздуха внутри цилиндров двигателя при имитационных и лабораторных испытаниях при одинаковом законе изменения заметно отличаются по величине (возможно влияние излучения с поверхности стенок цилиндров на датчики температуры при их близком расположении к стенкам цилиндров и неточность
расположения датчиков температуры внутри цилиндров при лабораторных испытаниях).
Дальнейшие исследования были проведены для оценки эффективности прогрева дизельного двигателя в зависимости от схемы подключения системы предпусковой тепловой подготовки.
Конструкция рассматриваемого дизельного двигателя позволяет выбрать несколько точек подключения (точки Л, В, С, D, E, рисунок 3). В качестве возможных схем подключения были рассмотрены следующие варианты: С-В, В-С, Л-С, С-Л, Л-D, D-A, В-Е, Е-В. Другие комбинации не рассматривались из-за малой величины циркулирующего кольца.
При выполнении имитационных исследований в программной среде SolidWorks были заданы следующие условия: на входе в рубашку охлаждения -расход теплоносителя Q = 0,4 кг/с, начальная температура теплоносителя +80°С, начальные значения температуры всего двигателя и окружающей среды -20 °С, на выходе - атмосферное давление
101325 Па. Тепловой поток с поверхности смоделированного нагревателя составлял 1,6 кВт. Для повышения точности расчета также учитывались теплообмен с окружающей средой и шероховатость поверхности. Материалы деталей двигателя соответствуют аналогам. Продолжительность тепло-
вого воздействия составила пять минут. В 3D-мо-дели двигателя поршни расположили на одном уровне, соответствующем половине его хода. Аналогичные условия были созданы и при лабораторных испытаниях непосредственно на двигателе[2].
Рисунок 3 Принципиальная схема дизельного двигателя Д-243: 1 - блок цилиндров; 2 - головка блока; 3 -термостат; 4 - циркуляционный насос; 5 - радиатор системы охлаждения; 6 - тепловой аккумулятор; точки А, В, С, D, Е - места подключения теплоносителя.
По результатам проведенных сравнительных исследований различными вариантамиподключе-ния предпускового подогревателя были установле-ныизменения температуры стенки гильзы каждого цилиндра. Наиболее эффективным по времени и равномерности прогрева оказалось подключение теплоносителя по схеме С-Б (вход - в блоке цилиндров у циркуляционного насоса, выход - в головке
блока цилиндров со стороны термостата). Разница температур между цилиндрами не превышала два градуса на продолжении всего испытания.
График изменения температуры по схеме подключения теплоносителя к двигателю С-Б представлен на рисунке 4.
80 70 60 50 W 30 20 10 0
t °с
1 ци, пиндр
ф - 2 иилиндю
? / // /л/ н /Нп
J Ци/IUnUjJ
...... 4 цилиндр t сек
30 60 90 120 150 180 210 2i0 270 300
Рисунок 4 График изменения средней температуры стенки гильзы цилиндров от времени прогрева по
схеме подключения C—B.
Использование тепловогоаккумуляторадля предпускового подогрева двигателя аккумулированием и вторичным использованием тепловой энергии самого двигателя подключением по оптимальной схеме показало высокую эффективность.
Экономический эффект от системы предпусковой тепловой подготовки дизельного двигателя достигается за счет сокращения времени подогрева
без каких-либо затрат и экономии тепла, особенно при отрицательных температурах окружающей среды. Так, даже при сокращении времени разогрева до пяти минут, экономия топлива составила около 120 грамм (рисунок 5).
0 2 4 6 8 10 12 % 16 18 20 Рисунок 5 Зависимость температуры двигателя а) и расхода топлива б) от времени прогрева двигателя. Точка 1 - время разогрева до рабочей температуры ОЖс предпусковым подогревом. Точка 2
- время разогрева без предпускового разогрева.
В целом, следует отметить, что энергосберегающая система предпусковой тепловой подготовки дизельного двигателя надежно обеспечивает накопление, хранение и вторичное использование тепловой энергии самого двигателя и позволяет сократить время разогрева дизеля до оптимального теплового режима и, как следствие, повысить эффективность самого двигателя, снизив расходы топлива на запуск и его прогрев.
Литература
1. Габдрафиков Ф.З. Основы теплотехники: учебное пособие [Текст]/ Габдрафиков Ф.З. - Уфа: Башкирский ГАУ, 2011 - 160 с.
2. Габдрафиков Ф.З. Возможные направления повышения эксплуатационных показателей дизелей машинно - тракторных агрегатов. [Текст]/ Габ-драфиков Ф.З. //Вестник Башкирского государственного агрегата университета, 2016 - №7. - С. 48
- 52.
3. Сураганов Г.И. Предпусковая подготовка двигателя зимой //Автомобильный транспорт. - №3.
- 1987. - с. 28-31.
4. Устройство предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания. [Текст]: пат. 2576603 Рос. Федерация: МПК 51 БОШ 19/10, Габдрафиков Ф.З., Абраров М.А., Абраров И.А., Галиакберов У.С., заявка 10.12.2014; опубл. 10.01.2016.
МАШИННО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА АБСОЛЮТНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Грушун А.И.
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Севастопольский государственный университет», доцент, Севастополь
Грушун Т.А.
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Севастопольский государственный университет», доцент, Севастополь
COMPUTER-ORIENTED METHOD FOR ANALYZING THE ABSOLUTE STABILITY OF NONLINEAR AUTOMATIC
CONTROL SYSTEMS
Grushun A.I.
Federal state autonomous educational institution of higher professional education
"Sevastopol state University", associate professor
Sevastopol Grushun T.A.
Federal state autonomous educational institution of higher professional education
"Sevastopol state University", associate professor
Sevastopol
АННОТАЦИЯ
Рассматривается машинно-ориентированный метод, позволяющий полностью автоматизировать анализ абсолютной устойчивости нелинейных систем автоматического управления (САУ) по критерию В.М. Попова. Реализация критерия В.М. Попова требует построения модифицированного частотного годографа линейной части САУ и его последующего неформального анализа. Этот годограф имеет нерегулярный характер изменения, и для сложных систем его построение может превратиться в существенную проблему, связанную с выбором шага изменения и максимального значения частоты. В свою очередь, для анализа абсолютной устойчивости нужна не вся частотная кривая, а лишь ее отдельные точки пересечения с линией Попова. Предлагается определять наличие этих точек по положительным вещественным корням специальным образом построенных алгебраических уравнений, что не требует перебора всех значений частотной характеристики, тем самым не требует ее непосредственного построения. Предлагаемое решение задачи позволяет существенно уменьшить время получения результата и повысить сложность исследуемых САУ при анализе абсолютной устойчивости.
ABSTRACT
The computer-directed approach allowing to automate completely the analysis of absolute stability of nonlinear systems of automatic control (SAU) on the basis of V. M. Popov's method is considered. Realization of a method (criterion) of V. M. Popov demands creation of the modified frequency hodograph of a linear part of SAU and its subsequent informal analysis. This hodograph has irregular behavior and for difficult systems its construction can turn into the vital issue connected to a choice of a step of change and the maximum value of frequency. In turn, for the analysis of absolute stability not all frequency curve, and only its separate points of intersection
