CC BY
99
^ДИАГНОСТИКА И РЕМОНТ
УДК 662
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ НА ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Д.С. Агапов1
Санкт-Петербургский государственный аграрный университет (СПбГАУ), 196605, г. Санкт-Петербург ,г. Пушкин, Петербургское ш. д.2.
Исследовано влияние температуры охлаждающей жидкости на топливно-экономические и энергетические показатели дизеля 4411/12,5, а также на составляющие его теплового баланса. Установлено, что оптимальной рабочей температурой охлаждающей жидкости в системе охлаждения тракторного дизеля, при которой обеспечивается наилучшие топливно-экономические и энергетические показатели тракторного двигателя, является температура 115°С.
Ключевые слова: двигатель, индикаторная диаграмма, КПД, тепловой баланс, механические потери, эффективная мощность.
RESULTS OF PILOT STUDY OF INFLUENCE OF TEMPERATURE OF COOLING LIQUID ON
ECONOMIC AND ENERGY INDICATORS OF THE DIESEL ENGINE
D.S. Agapov
St. PetersburgStateAgrarianUniversity(SPbGAU), 196605,St. Petersburg, g. Pushkin, PetersburgRd. D2 Influence of temperature of cooling liquid on fuel and economic and energy indicators of diesel 4Ch11/12,5, and also on components of its thermal balance is researched. It is established that the optimum working temperature of cooling liquid in a cooling system of tractor diesel in case of which it is provided the best fuel and economic and energy indicators of the tractor engine is temperature 115°С.
Keywords: engine, indicator chart, efficiency, thermal balance, mechanical losses, effective capacity.
В ходе экспериментальных исследований определялось влияние температуры охлаждающей жидкости на топливно-экономические и энергетические показатели дизеля 4411/12,5 (рисунки 1 и 2), и на составляющие его теплового баланса [1] (рисунок 3).
Исследованиями установлено (рисунок 3.13), что индикаторная мощность с повышением температуры охлаждающей жидкости на дизеле 4411/12,5 в испытуемом диапазоне температур увеличивается на 2,4%, причём в исследуемом диапазоне температур может быть достаточно точно описана линейной зависимостью [210]. Повышение индикаторной мощности обусловлено не только снижением потерь работоспособности рабочего тела, но и уменьшением зазоров в ЦПГ и как следствие снижением утечек рабочего тела через эти зазоры.
Мощность же механических потерь, как видно из рисунка 3.13 на номинальном режиме
с повышением температуры охлаждающей жидкости вначале снижается, примерно до 115°С градусов на 9%, а затем возрастает со 115°С до 135°С на 23%. Причём интенсивность дальнейшего нарастания значительно больше интенсивности предварительного спада. Такой характер данной кривой объясняется тем, что предварительный спад, как и его невысокая интенсивность обусловлены, прежде всего, изменением вязкостных свойств масла, применяемого для данного ДВС, которые зависят от температуры особенно сильно до 100°С. Этим же объясняется и практическая неизменность мощности механических потерь в диапазоне температур от 110°С до 120°С. Дальнейшее возрастание мощности механических потерь на 23% в диапазоне со 115°С до 135°С с повышением температуры охлаждающей жидкости, как и значительную интенсивность возрастания объясняются следующими обстоятельствами:
1 Агапов Дмитрий Станиславович - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедрьАвтомобили, тракторы и технический сервис СПбГАУ, e-mail: [email protected]
№, кВт.
N"1, кВт. 70 60 50 40 30 20 10
N»1. п, кВт.
30
27.5
25
22.5
20
17.5
15
95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 °С Температура охлаждающей жидкости
Рисунок 1 - Зависимость индикаторной, эффективной мощности и мощности механических потерь от температуры охлаждающей жидкости
a) жидкое при высоких температурах масло выдувается газами из зазоров между поршнем, кольцами и гильзой, вызывая граничное трение в ЦПГ, тем самым, увеличивая мощность, расходуемую на трение [211, 212];
b) при повышенных температурах увеличивается натяг соединения ЦПГ, причём как со стороны поршня, так и со стороны гильзы.
Характер изменения эффективной мощности зависит от двух выше рассмотренных мощностей: индикаторной и механических потерь. Можно констатировать, что максимум эффективной мощности на номинальном режиме для дизеля 4411/12,5 наблюдается при температуре охлаждающей жидкости равной 115°С, или в диапазоне от 111 до 119°С.
Наихудшими условиями работы дизеля являются режимы с малыми рабочими температурами, для исследуемого диапазона порядка 60°С. С повышением температуры охлаждающей жидкости с 60 до 115°С наблюдается рост топливно-экономических и энергетических показателей. Интенсивность этого роста с повышением температуры замедляется, достигая нуля при температуре охлаждающей жидкости равной 115-119°С. Здесь же, при данной температуре для номинального режима наблюдается максимум эффективной мощности 61,537 кВт, эффективного КПД 0,3698 и минимум удельного эффективного расхода топлива 229,066 г/кВтч.
Зависимость эффективного КПД от температуры охлаждающей жидкости (рисунок 2), подобна зависимости эффективной мощности (рисунок 1), в то время как индикаторный КПД с ростом температуры постоянно поднимается, хотя и не значительно. Так при температуре охлаждающей жидкости 115°С его увеличение составило всего 1%. Механический
КПД с увеличением температуры охлаждающей жидкости в начале возрастает на 3,6 % при 115°С, а затем снижается на 2,9 % при 135°С, обуславливая снижение и эффективного КПД.
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
1
П1
1 е
г, °С
90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 Температура охлаждающей жидкости
Рисунок 2 - Зависимость индикаторного, эффективного и механического КПД от температуры охлаждающей жидкости
1
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4
п По
т г
Пг
П1
900
890
880
870
860
850
840 г, °С
95 99 103 107 111 115 119 123 127 131 135
Темтпература охлаждающей жидкости
Рисунок 3 - Зависимость термического относительного По, индикаторного п КПД и температуры отработавших газов от температуры охлаждающей жидкости
Термический КПД (рисунок 3), в пределах всего исследуемого диапазона не изменяется. Более интенсивный рост индикаторного КПД обусловил увеличение относительного КПД во всём исследуемом диапазоне температур охлаждающей жидкости на 2,18 %. При температуре 115°С абсолютное значение относительного КПД составило 0,879 %, а его увеличение 1,07 %.
Анализ теплового баланса дизеля 4411/12,5 рисунок 4 показывает, что с повышением температуры охлаждающей жидкости до 115°С количество теплоты отводимой через систему охлаждения снижается почти вдвое, что даёт возможность существенно снизить те-плообменную поверхность радиатора, который
Д. С. .Агапов
выполнен из цветного металла. Однако такое значительное снижение теплоты, отводимой через систему охлаждения, не означает аналогичного по значению снижения потока теплоты от рабочего тела в стенки цилиндров. Дело в том, что при повышении температуры охлаждающей жидкости происходит перераспределение практически всех составляющих теплового баланса.
Н и о о
й о с чТ к Я о\
я и а (2рас
N6
95 105 115 125 135 ь
Температура стенки гильзы цилиндра
Рисунок 4 - Влияние температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения на тепловой баланс дизеля 4Ч11/12,5
Так, например, с ростом температуры охлаждающей жидкости увеличивается и температура смазочного масла, то есть часть теплоты, которая отводилась через систему охлаждения, начинает отводиться через систему смазки. Это положение подтверждает и увеличение члена невязки теплового баланса с ростом температуры, так как специального охладителя для масла испытуемый ДВС не имел. Также из рассмотрения теплового баланса (рисунок 3.15) следует, что при увеличении температуры до 119°С на номинальном режиме количество теплоты отводимой через систему охлаждения снижается на 38 % и повышается количество теплоты отводимое отработавшими газами на 8,7 %, а также их температура на 17,5°С (рисунок 3.14). При этом возрастает количество теплоты, рассеиваемое нагретыми частями дизеля на 29,6 %.
Установлено, что оптимальной рабочей температурой охлаждающей жидкости в системе охлаждения тракторного дизеля, при которой обеспечивается наилучшие топливно-экономические и энергетические показатели тракторного двигателя, является температура 115°С. Это подтверждено регуляторными характеристиками (рисунок 5).
Из установленной взаимосвязи между тепловым состоянием и топливно-экономическими и энергетическими показателями автотракторного дизеля для совершенствования управления его тепловым состоянием на эксплуатационных режимах можно рекомендовать систему охлаждения, поддерживающую рабочую температуру охлаждающей жидкости 115°С с допустимыми колебаниями ±4°С. Эффективная мощность при этом на номинальном режиме возрастает на 4,3%, а удельный эффективный расход топлива снижается на 3,9%. На долевых нагрузках повышение температуры охлаждающей жидкости даёт ещё больший эффект по всем рассмотренным показателям. Так, например, при нагрузке 75% от номинальной, эффективная мощность возрастает на 4,6 %, при нагрузке 50% на 5,4 %, а при 25% на 7,4 %. Удельный эффективный расход топлива при нагрузке 75% снижается на 4,2% при нагрузке 50% на 4,9%, а при 25% на 6,7%.
Несмотря на ожидаемое снижение потерь эксергии в рабочем теле и как следствие увеличение индикаторной работы цикла, жёст-коть работы дизеля и максимальное давление цикла снижаются.
Рисунок 5 - Регуляторная характеристика дизеля 4Ч11/12,5 при различных температурах охлаждающей жидкости
Из представленных индикаторных диаграмм работы дизеля 4411/12,5 (рисунки 3.173.20) при различных температурах охлаждающей жидкости можно увидеть, что её повышение приводит к тому, что индикаторная диаграмма как бы смещается по оси ординат вправо, причём жёсткость работы и максимальное давление цикла Pz снижаются. Площадь же на индикаторной диаграмме соответствующая полезной работе при этом увеличивается. Всё выше сказанное справедливо для любого режима нагружения, но проявляется
тем сильней, чем меньше нагрузка.
Рисунок 6 - Индикаторная диаграмма дизеля 4411/12,5 при нагрузке 10 Нм и различных температурах охлаждающей жидкости
ri, МПа. 1 75°С
9 5°С
1 135°С
\V
\\
Ч—>9-
-125 -100
-75
-50
-25 0 25 50 75 100 125 Угол поворота коленчатого вала, градус.
Рисунок 7 - Индикаторная диаграмма дизеля 4411/12,5 при нагрузке 20 Нм и различных температурах охлаждающей жидкости
Хц МТТа 1 75°С
¡ш ........ 95 "С
X \ 115°С
\ 135°С /
i i Oí
-125 -100 -75
Рисунок 8 - Индикаторная диаграмма дизеля 4411/12,5 при нагрузке 30 Нм и различных температурах охлаждающей жидкости
ri, МПа, 95°С
ИЛ П5°С
.....;- . 125°С
--.,13
а
-125 -100 -75 -50 -25
25 50 75 100 125
Рисунок 9 - Индикаторная диаграмма дизеля 4411/12,5 при нагрузке 35 Нм и различных температурах охлаждающей жидкости
Рисунок 10 - Зависимость максимального давления цикла Pz от температуры охлаждающей жидкости при различных нагрузках
0 25 50 75 100 125 Угол поворота коленчатого вала, градус.
Рисунок 11 - Зависимость жёсткости dP/dф от температуры охлаждающей жидкости при различных нагрузках
Кроме того, с увеличением температуры охлаждающей жидкости снижается максимальное давление цикла Р2 (рисунок 3.21) и жёсткость работы дизеля dP/dф (рисунок 3.22). Снижения Р2 и dP/dф в диапазоне температур от 95 до 115°С составляют соответственно на 2,5 и 11% при нагрузке 35 Нм, на 4,1 и 12,8% при нагрузке 30 Нм, на 7,8 и 16,9% при нагрузке 20 Нм, и на 12,3 и 22,4% при нагрузке 10 Нм.
Литература
1. Агапов Д.С. Методика определения количества теплоты отводимой в окружающую среду от энергосиловой установки автомобиля и трактора. / Д. С. Агапов // Сборник научных трудов научно-технической конференции по теме: «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей». СПб. - 2008. - С. 187-189.
2. Агапов Д.С. Улучшение топливно-экономических и энергетических показателей дизеля оптимизацией температурного режима Дисс. канд. техн. наук 05.04.02 / Д. С. Агапов; СПб. гос. аграрный. ун-т. -СПб, 2004. - 156 с.
3. Агапов Д.С. Результаты экспериментальных исследований маслянистости гидравлических и трансмиссионных масел (ГиТМ) при их регенерации. / Д. С. Агапов, А.П. Картошкин, В.А. Филимонов // Международная научно-техническая конференция.
«Теория и практика повышения качества и рационального использования масел, смазочных материалов и технических жидкостей» - СПб.: Изд-во СПбГАУ. - 2007. - С. 209-216.
4. Агапов Д.С. Применение и взаимозаменяемость масел при высокотемпературном охлаждении автотракторных двигателей. / Д. С. Агапов // Международная научно-техническая конференция. «Теория и практика повышения качества и рационального использования масел, смазочных материалов и технических жидкостей» СПб.: Изд-во СПбГАУ. - 2007. - С. 222-228.
5. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях / В. А. Грановский, Т. Н. Сирая, Л. Энергоатомиздат Ле-нингр. отд-ние - 1990. - 228 с.
6. Маркин Н. С. Основы теории обработки результатов измерений: учеб. пособие / Н. С. Маркин. -М.: Изд-во стандартов. - 1991. - 173 с.
УДК 62-1/-9
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ПУЛЬСИРУЮЩИМ ДОЗВУКОВЫМ
ПОТОКОМ
Д.А. Иванов1
Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации(СПбГА),
196210, ул. Пилотов, 38
В данной статье рассматриваются вопросы определения амплитуды колебаний частиц металлического тела, взаимодействующего с пульсирующим дозвуковым газовым потоком, а также оптимальной продолжительности обработки им изделий с целью получения требуемых механических и эксплуатационных свойств.
Ключевые слова: пульсирующий газовый поток, детали машин, металлические материалы, кристаллическое строение.
DEFINITION OF THE OPTIMUM MODES OF PROCESSING OF METAL PRODUCTS THE PULSING SUBSONIC STREAM
D.A. Ivanov
Saint-Petersburg state University of civil aviation (SPbSUCA), 196210, street of Pilots, 38
In this article are examined questions of the determination of the amplitude of the fluctuations of the particles of the metallic body, which interacts with the pulsatory subsonic gas flow, and also optimum duration of working by it articles for the purpose of obtaining the required mechanical and performance properties.
Keywords: pulsating gas flow, machine part, metallic materials, crystalline structure.
Возможность изменять свойства металлических материалов за счёт обдува дозвуковым пульсирующим потоком воздуха [1^8] обусловлена особенностями строения металлов и сплавов. Металлические материалы, исполь-
зуемые для изготовления деталей машин, как правило, имеют поликристаллическое строение и состоят из множества мелких кристаллов несовершенной формы (кристаллитов), называемых также зёрнами.
1 Иванов Денис Анатольевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры диагностики и нераз-рушающего контроля технических систем СПбГА, тел.: +7(981)7640822, E mail: [email protected]
