Совершенствование системы предпусковой тепловой подготовки тракторных дизелей путём использования аккумулированной энергии

На правах рукописи

КОСЕНКОВ ИВАН АЛЕКСЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПРЕДПУСКОВОЙ

ТЕПЛОВОЙ ПОДГОТОВКИ ТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

ПУТЁМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АККУМУЛИРОВАННОЙ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.20.03 – Технологии и средства технического обслуживания

в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2011 2

Работа выполнена на кафедре «Автомобили и тракторы» ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Картошкин Александр Петрович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Зуев Анатолий Алексеевич доктор технических наук, профессор Куколев Максим Игоревич

Ведущая организация ГНУ «Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук»

Защита диссертации состоится 1 ноября 2011 г. в 13 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 при ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский госу дарственный аграрный университет» по адресу: 196601, Санкт-Петербург, Пушкин, Академический пр., д. 31, ауд. 2.719 (факс. (812) 476-56-88).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского гос ударственного аграрного университета.

Автореферат размещн на сайте Санкт-Петербургского государственного аг рарного университета: http://www.spbgau.ru Автореферат разослан “25” сентября 2011года

Ученый секретарь диссертационного совета, д. т. н., профессор Смирнов В.Т.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Агропромышленный комплекс (АПК) развивается в раз личных климатических зонах по всей территории России.

Климатические условия нашей страны очень разнообразны, более 50% ее тер ритории лежит севернее изотермы января (–20oС). Зимний период продолжается в се верных районах около 200, а в «верхних» широтах до 300 суток.

В северных регионах России эксплуатируется большой парк сельскохозяй ственной, строительной и автомобильной техники с дизелями. Около 5% перечислен ной техники имеет северное исполнение (исполнение ХЛ). При зимней эксплуатации одной из основных проблем является запуск дизелей в условиях отрицательных тем ператур окружающего воздуха, т.к. техника работает на значительных расстояниях от гаражного (отапливаемого) хранения.

Процесс запуска дизеля и подготовки машины к работе в целом продолжается в течение 1 – 3 часов и более. Причм, проблема холодного пуска является не только технической, но и социальной, т.к. дизели многих машин не останавливают на ночное (нерабочее) время. Проблема запуска дизелей мобильных машин в условиях отрица тельных температур широко известна и достаточно глубоко изучена. Ею занимались и занимаются многие отечественные и зарубежные ученые. Несмотря на это в насто ящее время все технические средства облегчения запуска дизеля далеки от совершен ства и обладают рядом существенных недостатков. Проведенный анализ показал, что предпусковая тепловая подготовка дизелей в организациях АПК находится на неудо влетворительном уровне. Аналогичная ситуация сложилась в строительных организа циях, лесоперерабатывающем комплексе, нефтегазовой промышленности.

Одним из кардинальных путей решения данной проблемы является утилизация и аккумулирование тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания.

Цель работы. Исследование и разработка системы предпусковой тепловой подготовки тракторного дизеля в условиях отрицательных температур окружающей среды путм использования аккумулированной энергии.

Объект исследований. Дизель с термосифонной системой охлаждения.

Предмет исследований. Система предпусковой тепловой подготовки дизеля.

Методы исследований и достоверность полученных результатов.

При выполнении исследований применялись как теоретические, так и экспери ментальные методы. Достоверность результатов при теоретических исследованиях достигнута выбором обоснованных исходных данных и сопоставлением расчтных и экспериментальных значений, а при экспериментальных исследованиях – выбором современных методов и средств измерений, учтом погрешностей, проверкой и тари ровкой приборов, а также соблюдением требований действующих стандартов.

Научная новизна.

- теоретически обосновано использование аккумулированной энергии для осуществления предпусковой тепловой подготовки тракторных дизелей в условиях отрицательных температур окружающей среды;

- теоретически обосновано использование бинарных солевых систем в качестве теплоаккумулирующих материалов при аккумулировании тепловой энергии дизелей в условиях отрицательных температур окружающей среды;

- научно обоснована структура элементов системы предпусковой тепловой под готовки тракторного дизеля с применением теплового аккумулятора фазового пере хода;

- разработаны математические модели функционирования системы подогрева в периоды зарядки теплового аккумулятора, межсменного хранения в нем тепловой энергии и разряда теплового аккумулятора в период тепловой подготовки дизеля;

- получены результаты экспериментальных исследований разработанной си стемы предпусковой тепловой подготовки тракторного дизеля.

Практическая значимость. Разработана система предпусковой тепловой под готовки тракторного дизеля. Ее применение позволяет осуществить надежный пуск дизеля при отрицательных температурах окружающей среды без затрат энергии внешних источников, что повышает эффективность эксплуатации тракторов при без гаражном хранении.

Реализация результатов исследований. Разработанная система предпусковой тепловой подготовки прошла стендовые испытания в Военном инженерно техническом университете, эксплуатационные испытания в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете и была внедрена в Автопарке № «СПЕЦТРАНС» г. Санкт-Петербург в 2010 г. и в ООО “ППК” – Первая Перерабаты вающая Компания г. Санкт – Петербург в 2010г. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе ВИТУ и СПбГАУ.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей», Санкт-Петербург, СПбГАУ, 2008-2010 г.г.;

научно-техническом семинаре ЗАО «Звез да-Энергетика», СПб, 2009 г.;

научно-техническом семинаре «Автономные дизельные энергетические установки – основа энергоснабжения военно-строительных комплек сов», Санкт-Петербург, ВИТУ, 2006 – 2009 г.

Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликовано 8 статей, в том чис ле две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса зарядки теплового аккумулятора фазового перехода.

2. Математическая модель процесса хранения теплоты в тепловом аккумулято ре фазового перехода.

3. Математическая модель процесса разрядки теплового аккумулятора фазового перехода.

4. Методика проведения экспериментальных исследований.

5. Система предпусковой тепловой подготовки тракторного дизеля с примене нием теплового аккумулятора фазового перехода.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и содержит 159 страниц машинописного текста, таблиц, 54 рисунка, список литературы из 140 библиографических наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, приведены сведения о новизне, теоретической и практической значимо сти исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан анализ и состояние технических систем, облегчающих пуск автотракторных дизелей в условиях низких температур окружающей среды, рас смотрены трудности пуска дизеля при отрицательных температурах окружающего воздуха, проанализированы индивидуальные системы разогрева и подогрева ДВС, а также сформулированы задачи исследования.

Пуск дизелей в условиях отрицательных температур окружающей среды за труднен из-за сложности обеспечения пусковой частоты вращения коленчатого вала, ухудшения условий смесеобразования и воспламенения горючей смеси. Обусловлено это понижением температуры моторного масла, топлива, воздушного заряда, аккуму ляторной батареи, деталей дизеля и особенностями его пусковых свойств в зависимо сти от конструкции камер сгорания. Проанализированы индивидуальные системы предпусковой тепловой подготовки (ПТП), электрические системы ПТП двигателей.

Рассмотрены системы холодного пуска с применением пусковых жидкостей на осно ве этилового и диэтилового эфиров, которые позволяют запустить дизель при очень низких температурах, вплоть до 50oС.

Анализ показал, что для надежного пуска тракторного дизеля и стабильности его работы в период прогрева необходимо качественное смесеобразование и соответ ствующие условия для самовоспламенения, которые зависят от плотности, вязкости, величины поверхностного натяжения, испаряемости дизельного топлива, напряжения и емкости аккумуляторной батареи, теплового режима.

Выполненный анализ литературных источников показал, что в настоящее вре мя накоплен опыт создания систем предпусковой подготовки двигателей мобильных машин с тепловыми аккумуляторами фазового перехода (ТАФП).

В работах отечественных и зарубежных специалистов Н.Н. Карнаухова, В.В.

Шульгина, М.И. Куколева, С.Д. Гулина, Н.В. Глухенко, А.А. Сорокина, И.О. Вашур кина, а также трудам зарубежных специалистов, например, О. Шатца, Kyt M., Pel likka A. и других выполнено научное обоснование и разработана методика расчета систем ТАФП. Однако вопросы предпусковой тепловой подготовки турбированных дизелей с различными типами систем впрыска топлива и систем охлаждения требуют дальнейших исследований.

На основании поставленной цели сформулированы следующие задачи иссле дования:

- теоретически обосновать возможность использования теплоаккумулирующих материалов при аккумулировании тепловой энергии тракторного дизеля;

- разработать математические модели функционирования системы предпуско вой тепловой подготовки дизеля с тепловым аккумулятором фазового перехода;

- разработать программу и методику экспериментальных исследований систе мы предпусковой тепловой подготовки тракторного дизеля;

- создать опытный образец системы предпусковой тепловой подготовки трак торного дизеля с тепловым аккумулятором фазового перехода;

- провести экспериментальные исследования системы предпусковой тепловой подготовки тракторного дизеля с тепловым аккумулятором фазового перехода;

- определить технико-экономическую эффективность разработанной системы предпусковой тепловой подготовки тракторного дизеля.

Во второй главе проведен расчтно-теоретический анализ теплоаккумулиру ющих материалов. С учетом физических основ аккумулирования теплоты посред ством фазовых переходов и опыта предыдущих исследователей определены требова ния со стороны тракторного дизеля к теплоаккумулирующим материалам (ТАМ).

Теоретические исследования позволили сделать выводы, что из всех известных тепловых аккумуляторов (ТА) для целей предпускового подогрева дизелей наиболее оптимальным является ТА фазового перехода. При использовании ТАФП, предназна ченных для разогрева дизеля, применимы только фазовые переходы первого рода, так как они протекают с поглощением или выделением теплоты;

для этой цели лучше всего применим фазовый переход «плавление-кристаллизация».

Для анализа теплофизических свойств различных теплоаккумулирующих мате риалов рассматривались чистые вещества и бинарные солевые системы.

Для наших исследований наиболее интересен фазовый переход «твердое тело – жидкость». При этом ТАМ, кроме удельной энтальпии плавления hпл, аккумулирует также и теплоту нагрева (внутреннюю энергию) твердой фазы и жидкости. Благодаря этому увеличивается тепловая емкость аккумулятора. Но обычно удельная энтальпия плавления hпл больше первого и третьего слагаемых в уравнении, поэтому считает ся, что аккумулирование тепловой энергии происходит в основном за счет фазового превращения. В расчетах свойств бинарных солевых систем на основе теории термо динамики растворов определена энтальпия смешения расплавленных солей и приве ден расчет удельных (молярных) энтальпий плавления бинарных солевых эвтектик (в качестве примера рассчитана удельная и мольная энтальпии плавления эвтектики KNO3 – LiNO3 (массовые доли) с Т пл = 134 0С. Аналогичные расчты нами выполне ны применительно к октагидрату гидроксида бария (Ва(ОН)2·8H2O). Анализируя ре зультаты расчетно-теоретического исследования теплоаккумулирующих материалов с учтом рекомендаций (выбирается тот ТАМ, который обладает: наибольшей плот ностью аккумулируемой теплоты;

наиболее высокими теплообменными свойствами;

повышенной безопасностью) нами для проведения экспериментальных исследований выбран октагидрат гидроксида бария, т.к. он имеет наиболее высокий коэффициент теплопроводности как в тврдом (тв = 0,71 Вт/(м·К)), так и в жидком (ж = 0, Вт/(м·К)) состоянии.

Вторая глава посвящена также разработке математических моделей процессов зарядки теплового аккумулятора фазового перехода, хранения теплоты в межсменный период и разрядки ТАФП. Модели позволяют рассчитать основные теплофизические характеристики процессов и дают возможность всесторонне изучить процессы, про ходящие в ТАФП. На рис.1 представлена принципиальная схема ТАФП, который входит в схему функционирования системы «дизель – тепловой аккумулятор фазово го перехода» (рис. 2). Работа ее осуществляется следующим образом (рис.2). Во вре мя работы дизеля (1) при температуре окружающей среды То поток охлаждающей жидкости (ОЖ) с переменным во времени массовым расходом Gж Gж ( ) и посто янной температурой входа Т ж вх const поступает в ТАФП (2), отдает часть своей теплоты и с параметрами Gж Gж ( ) и Т ж вх Т ж вых ( ) вновь поступает в дизель (1), где Т ж вых ( ) температура ОЖ на выходе из ТАФП. При этом часть энергии рассеивается в окружающей среде Qn Qn ( ).

Накопление в ТАФП теплоты происходит (рис.1) за счет плавления фазопере ходного теплоаккумулирующего материала (5), когда по трубному теплообменнику (4) проходит поток ОЖ. Слой тепловой изоляции (2) препятствует интенсивному теплообмену ТАМа (5) с окружающей средой.

Рис.1. Принципиальная схема тепло вого аккумулятора фазового перехо да: 1- наружный корпус;

2 – тепловая изоляция;

3 – внутренний корпус;

4 – трубный спиральный теплообменник;

5 – теплоаккумулирующий материал;

6, 7 – крышки корпуса;

8 – входной патрубок;

9 – выходной патрубок.

То Gж Gж ( ) Gж = Gж() Т ж вх const Qn Qn ( ) Рис. 2. Принципиальная схема функционирования системы «дизель – тепловой аккумулятор фазового перехода» (внутренний контур) в период накопления теплоты:

1 – дизель;

2 – тепловой аккумулятор фазового перехода.

Для построения математической модели введены определнные допущения.

Период аккумулирования энергии тепловым аккумулятором фазового перехода Первый закон термодинамики применительно к ячейке ТАФП нами записан в следующем виде:

Gж Сж Т ж вх Т ж вых з ж Fж Т ж вых Т с, (1) з КПД процесса Gж массовый расход ОЖ через ячейку ТАФП, кг/с;

где зарядки;

Fж площадь нагреваемой поверхности, м2.

Условия баланса энергии на движущемся фронте плавления:

Т с Т пл dX Т Тж rТ ж, (2) d Х где Х толщина зоны расплава, м;

rТ удельная теплота плавления, Дж/кг.

Из непрерывности теплового потока на границе x 0 вытекает соотношение Т с Т пл ж Т ж вых Т с, Т ж (3) Х Уравнения (2) и (3) позволяют определить положение границы раздела фаз, температуру нагреваемой поверхности Т с и температуру потока ОЖ на вы ходе из ТАФП Т ж вых.

С учетом введенных безразмерных параметров задача сводится к решению уравнений в безразмерной форме по формулам А. Бежана. При этом нами рассчитано число теплопередачи N, определена безразмерная толщина расплава в любой мо мент времени. Зная текущее значение, рассчитываем температуру стенки Qc, и в конце определяем температуру ОЖ на выходе из ТАФП Qж вых.

Следующий этап расчта процесса зарядки ТАФП – нагревание жидкого ТАМ от температуры плавления Т пл до конечной температуры Т Т кон.

Уравнение теплового баланса для ячейки ТАФП имеет вид:

QТАФП ( ) з Qж ( ), (4) QТАФП ( ) энергия, аккумулируемая ячейкой ТАФП, Вт;

Qж ( ) энергия, от где даваемая жидким теплоносителем, проходящим через ячейку ТАФП, Вт.

Величина Qж ( ) при 0 определяется балансовым уравнением Qж ( ) Gж Сж Т ж вх Т ж вых ( ), (5) В рассматриваемом периоде зарядки для ячейки ТАФП справедливы также следующие уравнения при 0:

d [Т Т ( )] QТАФП ( ) С я, (6) d где Т Т ( ) – температура ТАМ в жидкой фазе в момент времени, К;

С я – теплоем кость ячейки в жидкой фазе ТАФП, рассчитываемая по формуле Ся mТ СТж, где mТ – масса ТАМ, содержащегося в ячейке ТАФП, кг.

QТАФП ( ) kж Т ж вых ( ) ТТ ( )Fж, (8) где k ж – коэффициент теплопередачи от теплоносителя к жидкому ТАМ, Вт/(м2·К).

Система уравнений (5), (6), (8) представляет математическую модель второго этапа процесса накопления теплоты. Неизвестными функциями в ней являются QТАФП ( ), Qж ( ), Т ж вых ( ), Т Т ( ). После алгебраических преобразований, получаем дифференциальное уравнение первого порядка с постоянными коэффициентами d [Т Т ( )] k ж Fц k ж Fц (1 В) Т Т ( ) А 0. (9) d Ся Ся Решением дифференциального уравнения является функция k F А А Т Т ( ) (Т пл )ехр ж ц (1 В). (10) 1 В 1 В Ся которая представляет собой математическую модель процесса зарядки ТАФП.

Зная функцию Т Т ( ), определяются неизвестные функции QТАФП ( ), Qж ( ), Т ж вых ( ).

Период хранения аккумулированной энергии тепловым аккумулятором фазового перехода Математическая модель функционирования ТАФП в процессе хранения тепло ты представлена алгебраическим уравнением, полученным в результате решения дифференциального уравнения первого порядка с постоянными коэффициентами:

k F Т Т ( ) Т о Т Т кон Т о ехр о пов. (11) mТ СТ ж где k о коэффициент теплопередачи от ТАМ к окружающему воздуху, Вт/(м2·К);

Fпов площадь поверхности ТАФП, излучающей теплоту, м2;

Уравнение (11) позволяет рассчитать толщину тепловой изоляции, необходи мую для хранения теплоты в течение заданного времени.

Период разрядки теплового аккумулятора фазового перехода Математическая модель процесса разрядки теплового аккумулятора (отдачи накопленной теплоты) включает в себя определение средней температуры теплоак кумулирующего материала при всех значениях.

S 2 (b t a ) S 2 bt S S 32 (b t a ) S 3 bt S Т дв ( ) Т о 2 е ср е К ;

(12) 3S 2 2(t c) S 2 (ct at ) 3S 3 2(t c) S 3 (ct at ) S 32 c t S 3 bt S 2 c t S 2 bt е S3 К, (13) е S Т Т ( ) Т о ср 3S 2(t c) S 2 (ct at ) 3S 2(t c) S 3 (ct at ) 2 2 где t c t c 2 4t t c t c 2 4t S2 S ;

.

2 Полученные значения справедливы при 0 раз.

В третьей главе приведены основные методики проведения лабораторных, экспериментальных и эксплуатационных исследований, описаны экспериментальная установка, используемые приборы и оборудование, выполнен расчт погрешностей измерений.

При проведении лабораторных испытаний осуществлялась проверка объемных, линейных и массовых параметров ТАФП, а также герметичности, технологичности процесса заполнения теплоаккумулирующей полости ТАФП ТАМом и надежность крепления отдельных элементов и конструкции системы в целом Проверка герметичности теплоаккумулирующей полости (ядра) и жидкостного теплообменника ТАФП производилась пневматическим испытанием. При испытании ядра ТАФП избыточное давление составляло 0,3 кг/см2, при испытании жидкостного теплообменника – 3 кг/см2. Теплоизоляция выполнена из уплотннного асбеста (рис.3).

Рис.3. Общий вид экспериментального теплового аккумулятора фазового перехода: 1 – корпус ТАФП;

2 – трубный спиральный теплообменник В качестве охлаждающей жидкости принят Тосол-А40М (ТУ 6–57–95–96) с температурой ки пения не ниже 108 0С (ГОСТ 28084-89).

Разработанная экспериментальная установка (рис.4) на базе дизеля Д-245Т позволяет моделировать в стендовых условиях процес сы предпусковой тепловой подготовки тракторного дизеля с использованием ТАФП при температуре от минус 25 0С и выше.

Рис. 4. Общий вид экспериментальной установки: 1 – дизель Д-245Т;

2 – ТАФП;

3 – электронасос;

4 – расходомер;

5, 6 – напорный и сливной трубопроводы;

7 – расширительный бак;

8 – выпрямитель;

– термопары.

Система предпусковой тепловой подготовки дизеля позволяет эксплуати ровать ТАФП в трех режимах: I – режим зарядки ТАФП;

II – режим хранения теп лоты;

III – режим разрядки ТАФП (режим тепловой подготовки двигателя).

Режим зарядки ТАФП осуществляется в период прогрева дизеля до рабо чей температуры в системе охлаждения. В этом случае краны 20 и 23 открыты (рис.

5), насос 21 не работает. ОЖ постепенно нагревается до температуры 78 0С, цирку лируя с помощью насоса 17 по внутреннему контуру (рис. 7) системы охлаждения (в том числе и через ТАФП). Находящийся в ТАФП 22 ТАМ нагревается в твердой фазе до температуры плавления 78оС и плавится. При температуре 80 … 82 0С открывается клапан-термостат 14, ОЖ начинает циркулировать по внешнему контуру (рис. 5). Си стема охлаждения дизеля прогревается до рабочей температуры 88 … 90 0С. При этом теплоаккумулирующий материал также нагревается до равновесной температуры в жидкой фазе. Благодаря этому обеспечивается зарядка ТАФП.

Рис. 5. Схема работы ди зеля в условиях зарядки теплового аккумулятора:

1 – жидкостный радиатор;

2– вентилятор;

3– шторка;

4– верхний расширитель ный бачок радиатора;

5 – крышка радиатора;

6 – газоотводная трубка ;

7– верхний соединительный патрубок;

8– рубашка охлаждения головки бло ка дизеля;

9– рубашка охлаждения блока цилиндров дизеля;

10 – нижний соединительный патрубок;

11 – нижний расширительный бачок радиатора;

12 – сливная пробка радиатора;

13 – паро воздушный клапан;

14 – клапан-термостат;

15 – датчик температуры ОЖ;

16 – маги страль подвода охлажднной жидкости к рубашке охлаждения дизеля;

17 – жидкост ный насос;

18 - перепускная магистраль;

19 – сливной кран;

20, 23 - запорный кран;

21 - электронасос;

22 – тепловой аккумулятор;

24 – магистраль подвода ОЖ к ТАФП.

Режим хранения теплоты осуществляется во время межсменной стоянки трактора на открытой площадке в условиях низких температур окружающего воздуха.

В этом случае (рис. 6) для уменьшения тепловых потерь вследствие саморазрядки ТАФП 22 (из-за возможного появления внутренних циркуляционных потоков) краны 20 и 23 должны быть закрыты.

Рис. 6. Схема дизеля при усло вии хранения накопленной теп ловой энергии тепловым акку мулятором в период стоянки трактора (подрисуночные надписи ана логичны рис. 5).

Режим разрядки ТАФП производится перед пуском дви гателя с целью осуществления его предпусковой тепловой под готовки в условиях низких температур окружающей среды. После открытия кранов 20, 23 (рис. 7) включается электронасос 21, под действием которого поток охлажда ющей жидкости из рубашки охлаждения блока цилиндров дизеля 9 поступает в маги страль 24 и тепловой аккумулятор 22, а затем в рубашку охлаждения 8 головки блока дизеля, т.е. во внутренний контур «тепловой аккумулятор – дизель». Поскольку тем пература охлаждающей жидкости меньше температуры начала срабатывания термо стата 14, то большой контур охлаждения не работает, в радиаторе охлаждения цир куляции не происходит. Выделяющаяся в ТАФП 22 скрытая теплота кристаллизации ТАМа потоком жидкого теплоносителя переносится в малый контур и подогревает рубашку охлаждения дизеля. Благодаря этому обеспечивается разрядка ТАФП, т.е.

отдача теплоты охлаждающей жидкости.

Рис.7. Схема работы дизеля в условиях разрядки теплового аккумулятора (подрису ночные надписи аналогичны рис. 4).

Экспериментальная моторная уста новка оснащена всеми необходимыми приборами и системами для проведения испытаний в соответствии с требования ми ГОСТ 18509-88 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испы таний». При проведении эксперимен тальных исследований учитывался ГОСТ Р 54120-2010 «Двигатели авто мобильные. Пусковые качества. Тех нические требования»

Рис. 8. Персональный компьютер с программой J5 On-line Tuner SMS Software В условиях экспериментальных исследований отрицательные температуры в системе охлаждения дизеля поддерживались путм охлаждения ОЖ в ультракреостате.

Рис. 9. Трактор «Беларус-320», оборудованный системой предпусковой тепловой подготовки (безгаражное хранение).

Эксплуатационные испытания разрабо танной системы предпусковой тепловой подго товки дизеля проведены на колсном универ сально-пропашном тракторе «Беларус –320», предназначенном для круглогодичной работы в условиях сельскохозяйственного производства.

Тракторный дизель ЛДВ – 1603 с предкамер ным впрыском имеет объм системы охлаждения 10 литров охлаждающей жидкости, при этом внутренний и внешний контуры системы охлаждения имеют объм по литров.

В четвртой главе представлены результаты экспериментальных исследова ний системы предпусковой тепловой подготовки тракторных дизелей с использова нием аккумулированной энергии в условиях отрицательных температур окружающей среды.

В ходе проведения лабораторных исследований получены энергетические ха рактеристики ТАФПа и погрешности их измерения: количество теплоты, аккумули рованное ТАФП в процессе накопления теплоты, равно Qак (3500 30) кДж;

теп ловые потери за время хранения теплоты (при минус 15 … 19 0С) в течение пот 22 ч равны Qхр (320 25) кДж, а средняя мощность рассеивания теплоты в окружающую среду qпот (4,0 0,5) Вт;

количество теплоты, отдаваемое ТАФП ди зелю в процессе разрядки, составляет Qраз (3050 40) кДж;

средняя мощность разрядки за раз 720 с составила q раз (4,2 0,3) кВт.

Экспериментальные следования системы предпусковой тепловой подготовки в режиме стендовых испытаний проводились на тракторном дизеле (объм системы охлаждения составлял 19 л) в диапазоне температур от – 32 до – 10 0С. В процессе работы дизеля по схеме (рис. 7) ОЖ в малом контуре системы охлаждения прогрева лась, одновременно нагревался теплоаккумулирующий материал теплового аккуму лятора. При температуре 77 0С начинал открываться клапан – термостат 14 (рис. 5) и жидкость, нагретая в малом контуре, начинала циркулировать по внешнему контуру системы охлаждения, прогревалась и продолжала прогревать ТАМ в ТАФП. Дизель работал в режиме номинальной нагрузки в течение 30 мин до достижения температу ры в системе охлаждения, равной 98 0С. После этого дизель выключался.

При температуре 0 0С окружающей среды дизель отстоял 16 часов. При этом температура в тепловом аккумуляторе опустилась до 82 0С. Далее в систему охлажде ния заливалась предварительно охлажднная до 0 0С охлаждающая жидкость и начи нался процесс тепловой подготовки.

По результатам экспериментальных исследований построен график зависимо сти температуры охлаждающей жидкости от времени прогрева дизеля в режиме от дачи теплоты тепловым аккумулятором при температуре окружающей среды 0 0С (рис. 10).

Рис. 10. Изменение температуры ТАМ и температуры ОЖ в системе охлажде ния дизеля при стендовых испытаниях.

Анализ полученных зависимо стей показывает, что охлаждающая жидкость во внутреннем контуре охлаждения (объм которого составля ет 6 литров ОЖ) прогревается до температуры 77 0С за 15 мин. При 77 0С открывается клапан-термостат, при этом подключается внешний контур охлаждения (объм внеш него контура составляет 13 литров ОЖ). В течение 3-х минут температура ОЖ падает до 62 0С. Это объясняется тем, что за эти три минуты холодная жидкость из внешнего контура перетекает в нагретый внутренний контур и охлаждает общую систему до С. Затем температура охлаждающей жидкости с помощью ТАФП за 12 минут под нимается до температуры 75 0С.

В связи с вышеизложенным, предпусковую тепловую подготовку дизеля в стендовых условиях можно осуществить за 15 минут, подогрев ОЖ до температуры 75 … 77 0С. Однако за 5 … 8 минут ОЖ прогревается до температуры 40 … 55 0С. А при этих температурах время выхода дизеля на пусковые обороты и продолжитель ность пускового периода вполне удовлетворительная и составляет 3 … 5 сек (рис. 11).

Рис. 11. Зависимость вре мени выхода дизеля на пусковые обороты и продолжительности пускового периода от температу ры охлаждающей жидкости.

На основании проведнных исследований можно рекомендо вать осуществлять пуск дизеля при температуре предварительно прогретой до 40 … 55 0С ОЖ, но делать это допустимо при температурах окружающей среды не ниже минус 25 0С.

При этом время тепловой подготовки будет составлять 5 … 8 мин., выход на пуско вые обороты и продолжительность пуска в сумме будут составлять 6 … 10 сек.

Проведя аналогичные испытания системы подогрева тракторного дизеля в стендовых условиях при температурах окружающей среды от минус 25 0С до 0 0С, мы получили время, в течение которого осуществляется наджный пуск дизеля при отрицательных температурах (рис.

12).

Рис. 12. Время холодного пуска дизелей с различной системой впрыска при отрицательных тем пературах окружающей среды.

У дизелей с раздельным впрыском камера сгорания находится в го ловке блока. При организации предпусковой тепловой подготов ки нагреваемая ТАФП жидкость поступает сразу в головку блока, а затем в рубашку блока цилиндров дизеля. Тем са мым тепловые условия для самовоспламенения топлива в дизеле с разделнной каме рой сгорания создаются быстрее на 3 … 6 мин. В дизелях с непосредственным впрыс ком камера сгорания находится в поршне. При организации предпусковой тепловой подготовки нагреваемая ТАФП жидкость поступает в рубашку блока цилиндров ди зеля, а затем в головку блока. Поскольку камера сгорания находится в поршне, необ ходимо прогреть блок цилиндров и поршни. Поэтому условия для самовоспламене ния топлива в дизеле с непосредственным впрыском создаются на 3 … 6 мин дольше.

Этот вывод относится к дизелям, имеющим одинаковый объм охлаждающей жидко сти в системе охлаждения. Опыт проведения экспериментальных исследований пока зал, что время предпусковой тепловой подготовки тракторных дизелей с турбонадду вом увеличивается на 3 … 5 мин при прочих равных условиях из-за наличия турби ны.

При проведении эксплуатационных испытаний сельскохозяйственный трактор выполнял работы по расчистке проезжих дорог, прифермских территорий от снежных заносов, осуществлял операции по снегозадержанию на посевных полях. За весь пе риод проведения эксплуатационных испытаний была обеспечена безгаражная стоянка трактора (рис. 9). Температура окружающей среды во время испытаний изменялась от –28 до –2 0С. Результаты измерений, выполненные в процессе зарядки ТАФП в усло виях эксплуатационных испытаний при температуре окружающего воздуха – 24 0С показали, что процесс накопления теплоты носит нестационарный характер и про должается в течение 55 … 65 мин.

Рис. 13. Изменение температуры ОЖ от времени в период зарядки ТАФП Анализируя характер зависимо сти (рис. 13) можно выделить две ха рактерные зоны: зона повышения тем 1 – на входе в ТАФП;

пературы ОЖ до рабочих значений по 2 – на выходе из ТАФП сле пуска дизеля и основная рабочая зона.

Зона повышения температуры ОЖ до рабочих значений после пуска тракторного дизеля характеризует продолжительность процесса выхода его системы охлаждения на нормальный тепловой режим. Через 17 … 18 мин после пуска дизеля температура ОЖ на выходе (на входе в ТАФП), достигает около 78 0С, т.е. температу ра фазового перехода ТАМ. Продолжительность периода повышения температуры ОЖ зависит от начального теплового состояния дизеля и температуры наружного воздуха.

Основная рабочая зона представляет собой область, для которой температура потока ОЖ на входе в ТАФП достигает значений Т Тф = 780С. На рис. 4.4 данная зо на заключена между абсциссами 18 … 100 мин. В это время осуществляется накопле ние теплоты за счет плавления ТАМ, а также происходит нагревание расплавленного ТАМ в жидкой фазе.

Процесс хранения аккумулированной теплоты в ТАФП при безгаражном хра нении трактора продолжался в течение 14 ч при температуре окружающей среды ми нус 17…19 0С. В условиях эксплуатации получить достоверную информацию о теп ловом состоянии ТАМ в любой момент времени и в любом режиме функционирова ния системы сложно, поэтому об эффективности ТАФП в процессе хранения теплоты в условиях эксплуатации можно судить лишь по интегральным показателям, получа емым в процессе его разрядки.

Рис. 14. Изменение температу ры ОЖ от времени в период разрядки ТАФП.

Процесс отдачи теплоты можно условно представить состоящим из 1 – на входе в ТАФП;

трех этапов. Первый из них продолжа 2 – на выходе из ТАФП ется 10 мин. и характеризуется резким увеличением температуры ОЖ в наблюдаемых точках. Продолжитель ность второго этапа составляет так, 0 10 20 30 40 50 же 10 мин, в течение которого сред 70 80 90 100 110 мин няя скорость увеличения температуры ОЖ в рассматриваемых точках изменяется от достигнутого значения (0,12…2) до 0 0С/с. В течение третьего этапа, продолжающе гося от 20 мин до 120 мин, температуры ОЖ во всех точках стабилизируются и изме няются незначительно.

В ходе проведения эксплуатационных испытаний при температуре окружаю щего воздуха – 24 0С было установлено, что после предварительного подогрева дизе ля в течение 20 минут до температуры ОЖ 40 0С время подготовки дизеля к приня тию нагрузки составило 12 минут.

Работа трактора при изменении температуры окружающей среды в диапазоне от –28 до –2оС в режиме накопления теплоты осуществлялась в течение 60 мин.

ТАФП обеспечивал эффективное хранение накопленной теплоты в указанном выше диапазоне температур окружающего воздуха в течение 14 ч. Подогрев дизеля с по мощью ТАФП производился в течение 20 мин, при этом температура охлаждающей жидкости в системе охлаждения дизеля сельскохозяйственного трактора достигала … 42 0С. Время выхода на пусковые обороты и продолжительность пуска дизеля при этом составляет 6 … 8 с. Время подготовки дизеля к принятию нагрузки составляет 10 … 12 мин.

Экономическая эффективность складывается из сопоставления годовых приве денных затрат до и после внедрения разработки, а также из сокращения временных затрат на запуск и прогрев двигателя, на снижение пусковых износов дизелей при хо лодном пуске и экономию топлива за счт сокращения времени прогрева дизеля.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. При предпусковой тепловой подготовке тракторных дизелей в условиях от рицательной температуры окружающей среды оптимальным является использование теплоты, аккумулированной посредством фазовых переходов первого рода. Теорети чески обоснован выбор бинарных солевых систем в качестве теплоаккумулирующих материалов. Расчтно-теоретический анализ показал, что при холодном пуске дизелей тракторов сельскохозяйственного назначения в качестве теплоаккумулирующего ма териала возможно использование октагидрата гидрооксида бария Ва(ОН)28Н2О с температурой плавления 780С.

2. Разработаны математические модели процессов зарядки теплового аккуму лятора фазового перехода, хранения теплоты в межсменный период и его разрядки при пуске тракторного дизеля в условиях отрицательных температур окружающей среды.

3. Разработан тепловой аккумулятор фазового перехода применительно к трак торным дизелям с жидкостной системой охлаждения. Выполнены расчты и экспери ментальная проверка объмных, линейных, массовых параметров теплового аккуму лятора фазового перехода, герметичности и наджности конструкции в целом.

4. Создан опытный образец системы предпусковой тепловой подготовки трак торного дизеля Д-245Т с непосредственным впрыском топлива и турбонаддувом для проведения экспериментальных исследований. Создан опытный образец системы предпусковой тепловой подготовки тракторного дизеля ЛДВ-1603 с разделнным впрыском топлива без тербонаддува для проведения эксплуатационных испытаний трактора «Беларус-320».

5. Разработана программа и методика экспериментальных исследований систе мы предпусковой тепловой подготовки тракторных дизелей.

6. На основании проведнных экспериментальных исследований в условиях стендовых испытаний можно рекомендовать осуществлять пуск дизеля при темпера туре ОЖ, предварительно прогретой до 40 … 55 0С, но делать это допустимо при температурах окружающей среды не ниже минус 25 0С. При этом выход на пусковые обороты и продолжительность пуска суммарно будут составлять 6 … 10 сек. Время тепловой подготовки дизеля к принятию нагрузки будет составлять 8 … 12 мин.

Экспериментальными исследованиями установлено, что тепловые условия для самовоспламенения топлива в тракторном дизеле с разделнной камерой сгорания со здаются быстрее на 3 … 6 мин. Условия для самовоспламенения топлива в трактор ном дизеле с непосредственным впрыском создаются на 3 … 6 мин дольше. Этот вы вод относится к тракторным дизелям, имеющим одинаковый объм охлаждающей жидкости в системе охлаждения. Опыт проведения экспериментальных исследований показал, что время предпусковой тепловой подготовки дизелей с турбонаддувом уве личивается на 3 … 5 мин при прочих равных условиях из-за наличия турбины.

7. Эксплуатационные испытания тракторного дизеля с разделнной камерой сгорания в условиях безгаражного хранения показали, что продолжительность перио да повышения температуры ОЖ в системе охлаждения с помощью ТАФП зависит от начального теплового состояния ДВС и температуры окружающей среды. Процесс хранения теплоты в заряженном ТАФП продолжался в течение 14 ч при температуре окружающей среды минус 17…19 0С. В ходе проведения эксплуатационных испыта ний при температуре окружающей среды – 24 0С было установлено, что после пред варительной тепловой подготовки тракторного дизеля с помощью ТАФП в течение минут до температуры ОЖ в системе охлаждения, равной 42 0С, время выхода на пус ковые обороты и продолжительность пуска дизеля составили 6 … 8 с. Время подго товки дизеля к принятию нагрузки составило 10 … 12 мин.

9. Экономический эффект от внедрения разработки складывается из сокраще ния времени предпусковой тепловой подготовки тракторного дизеля в условиях без гаражного хранения при отрицательных температурах окружающей среды, из эконо мии топлива при холодных пусках, из снижения пусковых износов дизеля в период прогрева и составляет в среднем 15085 руб. в год на 1 трактор.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК 1. Косенков И.А. Требования к системам предпусковой подготовки ДВС транс портных средств./П.В.Дружинин, А.А. Коричев, И.А.Косенков// Двигателестроение, СПб, 2009, № 4 – С.15 – 19..

2. Косенков И.А. Предпусковой разогрев двигателей внутреннего сгорания в условиях отрицательных температур окружающего воздуха путм использования тепловой энергии двигателя. Научно-теоретический журнал «Известия СПГАУ», № 21, СПб., 2010. – 268 - 276 с.

В других изданиях научных трудов 3. Косенков И.А. Предпусковая подготовка ДВС при технической эксплуата ции машин/ П.В. Дружинин, И.А. Косенков, А.А. Коричев, Е.Ю. Юрчик//Технико технологические проблемы сервиса, СПбГУСЭ, СПб, 2009., № 4 С.6 -12.

4. Косенков И.А Математическая модель процесса хранения теплоты в тепло вом аккумуляторе/ П.В.Дружинин, А.А. Коричев, И.А.Косенков// Технико технологические проблемы сервиса, СПбГУСЭ, СПб, 2010., № 2 С.63 - 65.

5. Косенков И.А. Результаты экспериментальных исследований системы пред пусковой подготовки двигателей./ А.П. Картошкин, И.А. Косенков, Д.С.Агапов// Сб.

науч. трудов Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплу атационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей», СПбГАУ, - СПб, 2010. - с. 302 … 310.

6. Косенков И.А., Дружинин П.В. Система предпусковой подготовки ДВС мо бильных машин// Сб. науч. трудов ВИТУ – СПб, 2010. – с. 30 … 47.

7. Косенков И.А Математическая модель процесса хранения теплоты в тепло вом аккумуляторе/ П.В.Дружинин, А.А. Коричев, И.А.Косенков, Е.Ю.Юрчик// Сб.

науч. трудов Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплу атационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей», СПбГАУ, - СПб, 2010. - с. 123 … 137.

Подписано к печати 21 сентября 2011 г.

Формат 6084 1/16 п.л. 1. Тираж 100 Заказ Отпечатано в типографии Санкт-Петербургского государственного аграрного университета Г. Пушкин, ул. Садовая, д.