CC BY
71
УДК 621.43.052:629.113
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ АВТОБУСНОГО ДИЗЕЛЯ Д6112 С ОДНОСТУПЕНЧАТОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА
А.П. Строков, профессор, д.т.н., ИПМаш им. А.Н. Подгорного, А.И. Харченко, доцент, к.т.н., В.С. Червяк, научн. сотрудник,
ХНАДУ
Аннотация. Изложены методика и результаты стендовых испытаний по внешней скоростной характеристике автобусного V-образного дизеля Д6112 (6 ЧН13/12), оборудованного одноступенчатой воздухо-воздушной системой охлаждения наддувочного воздуха.
Ключевые слова: автомобильные дизели, турбонаддув, охлаждение наддувочного воздуха, стендовые испытания.
Введение
Как следует из многочисленных экспериментальных данных [1-6 и др.], системы охлаждения наддувочного воздуха (ОНВ) транспортных дизелей по своим качествам, таким как глубина охлаждения воздуха, энергетические затраты на функционирование, масса, габариты, компоновочные и эксплуатационные показатели, в большой степени различаются между собой, а их положительное влияние на рабочий процесс зависит от особенностей этих систем и самих двигателей, степени их форсирования по частоте вращения и среднему эффективному давлению, а также от уровня давления воздуха. Поэтому накопление опыта исследований в области ОНВ, прежде всего экспериментальных, представляет научный и практический интерес как основа для совершенствования транспортных двигателей с наддувом.
В Головном специализированном конструкторском бюро по двигателям средней мощности (ГСКБД, г. Харьков) проведены стендовые сравнительные испытания автобусного дизеля Д6112 (техн. характеристику см. в табл.1) с двумя различными системами охлаждения наддувочного воздуха с целью определения их охлаждающей эффективности и влияния на параметры рабочего процесса на режимах внешней скоростной ха-
рактеристики. В данной статье приводятся результаты испытаний дизеля с одноступенчатой (серийной) воздухо-воздушной системой ОНВ. Результаты испытаний дизеля с двухступенчатой (комбинированной) системой ОНВ и сравнительный анализ работы названных систем будут помещены в последующих выпусках сборника научных трудов ХНАДУ «Автомобильный транспорт».
Объект исследования
Серийная система ОНВ (рис. 1) состоит из двухрядного серийного воздушного радиатора 1 (техн. характеристику см. в табл. 2) и соединительных трубопроводов: патрубка
подводящего 7 (І III) и патрубка отводящего
15 (ПО). Оба патрубка имеют внутренний диаметр = 90 мм. Воздушный радиатор (в дальнейшем - радиатор) устанавливается перед фронтом водяного радиатора системы охлаждения двигателя.
На испытательном стенде на дизель были установлены:
- два турбокомпрессора ТКР 6-70;
- вентилятор штатный шестилопастный, Ден = 680 мм:
- водяной радиатор 6-рядный с шагом пластин 5 мм и шагом плоских трубок по фронту 15 мм; наружная оребренная поверхность охлаждения 32,8 м2;
Наименование параметров Обозначение Размер- ность Числовая величина
Тип: четырехтактный^-образный, с непосредственным впрыском топлива в камеру в поршне (объемно-пленочное смесеобразование), жидкостным охлаждением, турбонаддувом и охлаждением наддувочного воздуха
Номинальная мощность (в комплекте с агрегатами) Ые кВт 170
Номинальная частота вращения п мин-1 2100
Диаметр цилиндра D мм 130
Ход поршня Б мм 120
Число цилиндров z - 6
Угол развала между блоками цилиндров - град 90
Рабочий объем всех цилиндров (литраж) Ул л 9,55
Степень сжатия є - 15,0
Масса двигателя (без топлива, воды и масла) Мд кг 950
Габариты: длина мм 1100
ширина мм 948
высота мм 983
Рис. 1. Конструктивная схема системы газотурбинного наддува и серийной системы охлаждения наддувочного воздуха дизеля Д6112: 1 - воздушный радиатор; 2 - водяной радиатор; 3 - вентилятор; 4 - шкив вентилятора; 5 - водяной насос; 6, 8 - турбокомпрессоры ТКР 6-70; 7 - патрубок подводящий (1111); 9 - коллектор выпускной правый; 10 - головка правого блока цилиндров; 11 - коллектор впускной правый; 12 - коллектор впускной левый; 13 - коллектор выпускной левый; 14 - головка левого блока цилиндров; 15 - патрубок отводящий (ПО)
- впускная воздушная система перед турбокомпрессорами, включающая регулируемое воздухозаборное, воздухоочистительное и расходомерное устройства и емкость (360 л) для сглаживания пульсаций давления и скорости воздуха при его движении через газовый счетчик;
-газоотводящая система;
-водяной насос паспортной производительностью 425 л/мин;
- водо-масляный охладитель - полнопоточный, кожухо-трубный;
- масляный насос производительностью 120 л/мин.
Испытательный стенд
Установленный в лаборатории ГСКБД стенд для испытаний и исследований дизелей оборудован электрической балансирной машиной МПБ 49.3/36 мощностью 400 кВт с весовым устройством ВКМ-185 и всеми измерительными приборами и устройствами, в соответствии с требованиями ГОСТ 18509-88 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний» и ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний».
Замеры параметров и обработка результатов испытаний выполнялись по методике ГОСТ 18509-88.
Методика и режимы испытаний
С серийной системой ОНВ дизель испытывался на режимах внешней скоростной ха-
рактеристики. Среднее эффективное давление ре при этом возрастало с 1,016 МПа на номинальном режиме (2100 мин-1, 170 кВт) до 1,22 МПа на режиме максимального крутящего момента (1500 мин-1, 145,6 кВт). Коэффициент запаса крутящего момента составил 1,20. Скоростные режимы изменялись с шагом 100 мин-1.
В целях получения сопоставимых опытных данных температура охлаждающего воздуха
перед воздушным радиатором поддерживалась на всех режимах испытаний одинаковой и равной t0 =37-38 °С. Такой же уровень температур поддерживался и для воздуха, поступающего в расходомерное устройство для питания двигателя. Регулирование температур воздуха осуществлялось за счет изменения режима работы приточно-вытяжной вентиляции испытательного бокса.
Таблица 2 Техническая характеристика двухрядного серийного трубчато-пластинчатого радиатора
IV типоразмера (сердцевина 250У.27.020 СБ)
Наименование параметров, размерность (см. рис. 2) Обоз- на- чение Число- вая вели- чина Наименование параметров, размерность (см. рис. 2) Обоз- на- чение Чи- словая вели- чина
Расстояние между концевыми пластинами (длина трубки), мм ар 720 Площадь фронта радиатора (ахЬ), м2 Афр-103 446,4
Размер пластин по фронту: полный, мм Ьр 620 Относительное свободное сечение: - по наружной стороне °0 Р 0,694
расчетный, мм Ьрі 600 - по внутренней стороне 0,178
Размер пластин по глубине, мм hp 47 Суммарное проходное сечение, м2
Т олщина пластин, мм ^пл р 0,1 - по наружной стороне Аор-103 310
Шаг пластин, мм С Спл р 12 - по внутренней стороне Ар-103 5,2
Наружное сечение трубки, ммхмм Ь х d р р 18x3 Поверхность теплоотдачи, м2 - по наружной стороне Fop 5,925
Шаг трубок по фронту, мм С °тр р 10
Число рядов трубок по глубине - 2 - по внутренней стороне F 1 sp 3,243
Общее число трубок п1тр р 122 Поверхность теплоотдачи пла- 2 стин, м F пл р 2,603
Общее число рабочих трубок* птр р 118 Наружная поверхность теплоотдачи трубок, м2 F тр.о. р 3,322
Материал трубок латунь Г идравлический (эквивалентный) диаметр, мм: - по наружной стороне dop 8,83
Материал пластин латунь
Расположение трубок коридорное - по внутренней стороне dsp 4,65
Шаг трубок по глубине, мм °1тр р 23 Объем сердцевины (apхbpхhp), м3 V/103 21,0
Толщина стенки трубки, мм ^тр р 0,2 Коэффициент компактности, м2/м3 p p 282,1
Число пластин ппл р 59 Масса сердцевины (без концевых пластин), кг Мр 7,20
Высота ребра, мм 3,5
Площадь поперечного сечения трубки, мм2: - по наружному контуру f J тр.о.р 52,07
- по внутреннему контуру f J тр^.р 44,07
Периметр трубки, мм - по наружному контуру Пор 39,42
- по внутреннему контуру П,р. 38,17
* Крайние трубки в каждом ряду глушатся с двух сторон и служат защитой от механических повреждений.
в
ар
-о
б
%
т
hл
в-в
|
Чг ---з - т
б % СО
Рис. 2. Схема сердцевины серийного воздушного радиатора
Таблица 3 Результаты испытаний дизеля Д6112 с серийной системой ОНВ по внешней скоростной
характеристике
п, Ре , N , е * £е, а Пуз Ік , С , Qсист , Рк , Р,
мин 1 МПа кВт кг/ч г/(кВт-ч) кг/с - - °С °С кВт МПа МПа
2100 1,016 170,0 39,1 230 0,301 1,930 0,875 163,5 78,0 25,7 0,2199 0,2079
2000 1,065 169,6 37,8 223 0,287 1,905 0,910 154,0 77,0 22,1 0,2106 0,1988
1900 1,110 168,0 36,6 218 0,270 1,850 0,940 147,5 75,0 19,2 0,2013 0,1900
1800 1,150 164,7 35,4 215 0,256 1,820 0,960 142,0 73,0 17,7 0,1959 0,1852
1700 1,180 160,0 33,9 212 0,240 1,775 0,975 134,0 69,0 15,6 0,1888 0,1788
1600 1,205 153,5 32,2 210 0,222 1,730 0,975 129,0 66,0 14,0 0,1834 0,1742
1500 1,220 145,6 30,4 209 0,200 1,650 0,960 121,5 63,0 11,7 0,1760 0,1685
п, І — І , 5 Ор ’ Рт, Іт, Рп/т , ^п/т , АРвск , Лс.к , с (" , ®р ’ Ер Е V , вент ’
мин 1 К МПа °С МПа °С кПа МПа °С °С р сист м3/с
2100 41,0 0,2296 672 0,1090 560 6,23 0,0944 157,5 80,5 0,640 0,675 6,77
2000 39,0 0,2240 668 0,1084 554 5,81 0,0948 148,6 79,6 0,625 0,664 6,46
1900 37,4 0,2150 657 0,1078 560 5,31 0,0952 141,0 78,0 0,608 0,655 6,16
1800 36,0 0,2053 646 0,1071 550 4,89 0,0957 137,1 75,1 0,618 0,657 5,86
1700 32,0 0,1924 642 0,1062 556 4,30 0,0963 129,2 71,2 0,628 0,670 5,57
1600 29,0 0,1803 641 0,1052 555 3,65 0,0971 125,0 68,1 0,647 0,685 5,26
1500 27,0 0,1685 648 0,1044 573 2,86 0,0977 118,8 65,3 0,647 0,685 4,96
В целях определения производительности вентилятора Увен и измерения температур в различных точках воздушного потока перед воздушным радиатором устанавливался воздухозаборник прямоугольного поперечного сечения размером по внутреннему контуру 707x768 мм (площадь сечения равна 0,543 м2). Длина воздухозаборника в направлении движения воздуха 830 мм. Производительность вентилятора определялась с использованием чашечного анемометра МС-13
путем измерения скоростей воздуха в 16 точках поперечного сечения воздухозаборника, удаленного от фронта воздушного радиатора на 400 мм (из условия минимальной неравномерности воздушного потока по фронту). Сечение воздухозаборника было разбито на
16 равных прямоугольников, и скорости воздуха измерялись в центре каждого прямоугольника. Средняя скорость воздушного потока в сечении воздухозаборника определялась как среднеарифметическая по 16 точкам.
Измерения температур воздушного потока в воздухозаборнике производились хромель-копелевыми термопарами (тип ХК) в пяти точках, расположенных в одной плоскости сечения, перпендикулярного воздушному потоку.
Регулирование температуры воздуха перед радиатором приточно-вытяжной вентиляцией и специальными воздухонаправляющими щитами осуществлялось таким образом, чтобы температура в периферийных точках отличалась от температуры в центральной точке не более чем на 1К.
Результаты испытаний серийной системы ОНВ на дизеле
Основные результаты испытаний дизеля Д6112 с одноступенчатой (серийной) системой ОНВ представлены в табл. 3 - 7. В этих таблицах параметры, кроме вышеупомянутых, имеют следующие обозначения:
Т аблида 4 Изменение параметров наддувочного воздуха в воздушном радиаторе по внешней скоростной характеристике
Т аблида 6 Изменение параметров наддувочного воздуха в патрубке отводящем (ПО) по внешней скоростной характеристике
П , мин-1 р' -10-5, ± эр ’ Па Ар , ± эр ’ мм в.ст. с °С ґ" , Чр > °С
2100 2,173 501 157,5 80,5
2000 2,081 463 148,6 79,6
1900 1,989 429 141,0 78,0
1800 1,935 396 137,1 75,1
1700 1,865 362 129,2 71,2
1600 1,813 329 125,0 68,1
1500 1,742 290 118,8 65,3
1400 1,685 254 114,1 61,8
Т аблида 5 Изменение параметров наддувочного воздуха в подводящем патрубке (ПП) по внешней скоростной характеристике
п, мин-1 р -ЮЛ Па мм в.ст. ґк , °С ^ л о ^ о
2100 2,199 264 163,5 157,5
2000 2,106 257 154,0 148,6
1900 2,013 249 147,5 141,0
1800 1,959 250 142,0 137,1
1700 1,888 240 134,0 129,2
1600 1,834 216 129,0 125,0
1500 1,760 184 121,5 118,8
1400 1,702 179 116,0 114,1
п, мин-1 РР -10-5, Па мм в.ст. ґ" , °С ґ , °С
2100 2,124 459 80,5 78,0
2000 2,034 472 79,6 77,0
1900 1,945 455 78,0 75,0
1800 1,895 439 75,1 73,0
1700 1,827 400 71,2 69,0
1600 1,779 376 68,1 66,0
1500 1,713 288 65,3 63,0
1400 1,660 285 61,8 60,0
Т аблица 7 Экспериментальные данные о снижении температуры наддувочного воздуха в воздушных патрубках серийной системы ОНВ дизеля Д6112 на режимах внешней скоростной характеристики
п,мин 1 Аґ , К пп Аґ , К по >
2100 6,4 2,6
1900 5,6 2,8
1700 4,4 2,5
1500 2,7 2,1
Рис. 3. Схемы воздушных патрубков одноступенчатой системы ОНВ: а - патрубок подводящий (ПП); б - патрубок отводящий (ПО); • - места измерения статических давлений и температур
От - часовой расход топлива, кг/ч;
ge - удельный эффективный расход топлива,
г/(кВт-ч);
О, - секундный расход наддувочного воздуха, кг/с;
а
Рис. 4. Изменение потерь давления воздуха Ар в сердцевине шестирядного трубчато-пластинчатого радиатора в зависимости от скорости воздуха перед фронтом сердцевины таф (гидравлический
диаметр ёв = 6,96 мм; глубина сердцевины ^ = 139 мм)
а - коэффициент избытка воздуха;
- коэффициент наполнения, отнесенный к условиям во впускном коллекторе (перед впускными клапанами);
tk, - температура наддувочного воздуха
соответственно после компрессора и во впускном коллекторе, °С;
бсист - тепловая нагрузка (теплосъем) системы ОНВ, кВт;
рк, р - давление наддувочного воздуха соответственно после компрессора и во впускном коллекторе, МПа;
top - температура охлаждающего атмосферного воздуха перед воздушным радиатором,
°С;
рт, р^, ^, tп/т - давление и температура отработавших газов соответственно перед турбиной и после турбины, МПа и °С;
АРвск - разрежение на всасывании в компрессор, кПа;
рвск - давление на всасывании в компрессор, МПа;
С, С, Р р, РР - температура и давление наддувочного воздуха соответственно на входе и на выходе из воздушного радиатора, °С и МПа;
Арр, А/>пп, Арпо - потери давления наддувочного воздуха соответственно в воздушном
радиаторе и воздушных патрубках, мм вод.ст. или Па (см. рис. 3);
Аґпп, Аґпо - снижение температуры наддувочного воздуха в соответствующих воздушных патрубках, К (см. рис. 3).
На рис. 4 представлены экспериментальные данные об изменении потерь давления подаваемого вентилятором атмосферного воздуха Арорв в сердцевине шестирядного трубчатопластинчатого водяного радиатора в зависимости от скорости воздуха перед фронтом рабочей поверхности Юф.
Рис. 5. Экспериментальные зависимости давлений наддува р от частоты вращения, полученные при испытаниях дизеля Д6112 по внешней скоростной характеристике
На рис. 5 приведены экспериментальные зависимости давлений наддува р от частоты вращения, полученные при испытаниях дизеля Д6112 по внешней скоростной характеристике при трех различных настройках турбокомпрессора на разные уровни исходного давления наддува на номинальном режиме Р01 = 0,2079 МПа; р02 = 0,230 МПа; Р03 = 0,250 МПа. На этом рисунке приведены также изменения по внешней характеристике отношения текущего значения давления наддува к давлению наддува на
номинальном режиме при соответствующей настройке турбокомпрессора. Из этих графиков видно, что с увеличением давления наддува р 0 наблюдается все более крутое падение р с понижением частоты вращения двигателя при его работе по скоростной характеристике.
Выводы
Представленные результаты испытаний автобусного дизеля Д6112, оборудованного одноступенчатой воздухо-воздушной (серийной) системой охлаждения наддувочного воздуха (ОНВ), на режимах внешней скоростной характеристики являются базовыми данными, по которым может оцениваться эффективность других систем ОНВ или эффективность такой же системы, но с воздушным радиатором, имеющим другую техническую характеристику.
Литература
1. Автомобильные двигатели с турбонаддувом / Н.С. Ханин, Э.В. Аболтин, Б.Ф. Лямцев и др. - М.: Машиностроение, 1991. -336 с.
2. Зайченко Е.Н., Петренко В.А. Потери дав-
ления в радиаторах и оптимизации их бачков // Двигателестроение. - 1987. -№7. - С. 25-26.
3. Бурков В.В. Алюминиевые теплообменни-
ки сельскохозяйственных и транспортных машин. - Л.: Машиностроение, 1985. - 239 с.
4. Бурков В.В., Индейкин А.И. Автотрактор-
ные радиаторы. - Л.: Машиностроение, 1978. - 216 с.
5. Кустарев Ю.С., Куликов В.Н., Козловс-
кий И.И. Эффективные системы охлаждения наддувочного воздуха тракторных дизелей // Тракторы и сельхозмашины. -1983. - №2. - С. 34-35.
6. Мохамад Махмуд. Повышение топливной
экономичности дизеля 6 ЧН 13/12 с высоким наддувом за счет применения двухступенчатого охлаждения наддувочного воздуха: Автореф. канд. дисс.: 05.04.02 / Харьк. гос. акад. ж.-д. транспорта. - Харьков, 1994. -19 с.
Рецензент: М.А. Подригало, профессор,
д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 20 октября 2008 г.
