Разработка и обоснование параметров устройства электроподогрева моторного масла с саморегулированием мощности в двигателях внутреннего сгорания
На правах рукописи
КОЧЕРГИН Сергей Валерьевич
РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ
УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОПОДОГРЕВА
МОТОРНОГО МАСЛА
С САМОРЕГУЛИРОВАНИЕМ МОЩНОСТИ В
ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Специальность 05.20.03 – Технологии и средства технического
обслуживания в сельском хозяйстве Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Тамбов 2003
Работа выполнена в государственном научном учреждении Всероссийском научно исследовательском и проектно-технологическом институте по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (ГНУ ВИИТиН) и Тамбовском государственном техническом университете Научные руководите- доктор технических наук Шувалов Анатолий Михайлович, ли:
доктор технических наук, профессор Калинин Вячеслав Федорович оппо- доктор технических наук, профессор Официальные Гордеев Александр Сергеевич, ненты:
доктор технических наук Остриков Валерий Васильевич
Ведущая организация: ОАО «Алмаз» (г.Котовск, Тамбовская обл.)
Защита диссертации состоится « » декабря 2003 года в …. часов на заседании диссертационного со вета К 220.041.01 Мичуринского государственного аграрного университета по адресу: 393760, Тамбов ская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, зал заседаний диссертационного совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мичуринского государственного аграрного уни верситета.
Автореферат разослан « » ноября 2003 года
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Н.В. Михеев Подписано в печать 31.10. Формат 60 84 / 16. Бумага офсетная. Печать офсетная.
Гарнитура Тimes New Roman. Объем: 0,93 усл. печ. л.;
0,85 уч.-изд. л.
Тираж 100 экз. С. Издательско-полиграфический центр Тамбовского государственного технического университета, 392000, Тамбов, Советская, 106, к.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Бльшая часть территории Российской Федерации находится в северной климатической зоне, в условиях которой эксплуатируется 80 % автотракторного парка страны. Несмот ря на суровые условия, зимой выполняется около 70 % объема транспортных и тракторных работ на Се вере и Северо-востоке, а в целом по стране до 30 % годового объема всех тракторных работ. На нынеш нем этапе развития сельского хозяйства практически отсутствует централизованное хранение техники в отапливаемых гаражах в зимний период, и большая ее часть хранится на открытых площадках. Поэтому время, затрачиваемое на предпусковую подготовку двигателя, составляет 40 – 80 мин, а износ двигателя в процессе пуска до 70 % от общих эксплуатационных износов. В условиях эксплуатации автотрактор ной техники наиболее эффективным способом решения данной проблемы является предпусковой по догрев.
Большинство научных работ по подогреву моторного масла в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) проводилось на традиционных средствах тепловой подготовки (трубчатые электронагреватели, индивидуальные подогреватели, газовые горелки, и пр.). Однако за последние 15 – 20 лет произошли значительные изменения в науке и технике. Проведенные поисковые научно-исследовательские работы (НИР) показали, что, используя современные достижения можно создать новые высокоэффективные технические средства предпускового подогрева моторного масла в поддоне картера ДВС, используя са морегулируемые источники тепла, обеспечивающие высокую надежность и качество этой технической операции. Информационно-патентные исследования показали, что до настоящего времени нет методик расчета и проектирования электронагревательных устройств, выполненных на базе саморегулируемых нагревательных элементов (позисторов), что сдерживает широкое их использование. Поэтому работа по разработке и обоснованию параметров электронагревательных устройств с саморегулированием мощ ности является актуальной научной задачей и представляет значительный теоретический и прикладной интерес.
Работа выполнена в соответствии с Федеральной программой «Создание техники и энергетики нового поколения и формирование эффективной инженерно-технической инфраструктуры агропромышленного комплекса» 2001 – 2005 гг.
Объект исследований. Объектом исследований являются теплообменные процессы предпускового подогрева моторного масла в поддоне картера ДВС и режимы работы устройства с саморегулированием мощности.
Методика исследований. Поставленные задачи решены путем проведения теоретических и экспери ментальных исследований. В работе использованы положения теории эксплуатации автотракторной тех ники, теплообмена, теоретических основ электротехники, а также методы физического моделирования математической обработки экспериментальных данных и современного компьютерного моделирования (MathCAD 2001i, Curve Expert 1.34, STATISTICA).
Научная новизна работы. Обоснован принцип повышения срока эксплуатации автотракторной техники на основе применения в зимний период устройства электроподогрева моторного масла с само регулированием мощности (УЭМС). Разработана математическая модель процесса подогрева моторного масла в поддоне картера ДВС, позволяющая установить закономерности изменения энергетических и режимных параметров УЭМС. Определены оптимальные конструктивные и энергетические параметры УЭМС.
Практическая значимость:
– конструктивная схема устройства электроподогрева моторного масла с саморегулированием мощности, размещенном в поддоне картера ДВС, защищенная патентом РФ № 2201525 и положитель ным решением на выдачу патента № 2001128548/06(030417) от 22.10.2001;
– программа расчета динамических характеристик устройства электроподогрева моторного масла с саморегулированием мощности;
– обоснованные энергетические и конструктивные параметры УЭМС;
– разработанная номограмма выбора мощности УЭМС для различной автотракторной техники;
– алгоритм и методика инженерного расчета основных параметров УЭМС.
Реализация результатов исследований. УЭМС используется для подогрева моторного масла в дви гателях внутреннего сгорания в зимний период в СПК «Серебряковская Нива» Тамбовского района, Там бовской области. Результаты исследований включены в «Программу мероприятий по реализации и финан совому обеспечению» серийного производства УЭМС, согласованную с заводом-изготовителем теплового оборудования на базе позисторов ОАО «Алмаз» г. Котовск. Также результаты исследований используются в учебном процессе Тамбовского государственного технического университета при изучении дисциплинам «Эксплуатация машинно-тракторного парка» и «Электроосвещение и электротехнологии в сельском хозяй стве».
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации доложены, обсуждены и одобре ны на конференциях: VII научно-технической г. Тамбов, ТГТУ, 2002;
VIII научно-технической г. Тамбов, ТГТУ 2003;
XI Международной научно практической г. Москва, ГНУ ВИМ, 2002;
III международной научно-технической г. Москва, ГНУ ВИ ЭСХ, 2003.
Публикация результатов работы. Материалы диссертации отражены в 11 печатных работах, 1 па тенте и 1 положительном решении на выдачу патента. Общий объем публикаций составляет 3,5 п.л., из них 1,34 п.л. принадлежат лично соискателю.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка ли тературы из 166 наименований, из них 7 на иностранном языке, изложена на 190 страницах, включая рисунков, 13 таблиц и 5 приложений.
Основное содержание работы
Во введении показана актуальность темы и изложены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлены результаты анализа влияния низких температур окружающей среды на вязкостные свойства моторного масла, влияние вязкости на работу системы смазки и пуск ДВС. Также проведен анализ способов и средств, повышающих надежность работы системы смазки ДВС на пус ковых режимах, энергетических параметров устройств предпускового подогрева моторного масла.
В результате анализа отмечена необходимость подогрева моторного масла перед запуском двига теля до 20 С. Наиболее эффективным способом является подогрев моторного масла электронагрева тельным устройством, расположенным в поддоне картера ДВС. Существующие электронагреватель ные устройства имеют ряд недостатков: использование средств контроля и регулирования увеличива ет стоимость устройств, расходы на их эксплуатацию и ремонт, а отсутствие средств регулирования снижает надежность их работы и качество процесса подогрева (перегрев нагревательного элемента, пригорание моторного масла на его поверхности).
Установлено, что наиболее перспективными техническими средствами подогрева моторного мас ла могут быть устройства, выполненные на базе саморегулируемых полупроводниковых нагреватель ных элементов (позисторов). Позисторы обладают свойствами саморегулирования без использования дополнительных устройств контроля и регулирования, компактны, выходят из строя лишь при механи ческом разрушении и имеют высокий срок службы (40 000 часов), минимальные затраты при монтаже, устойчивость работы при низких температурах.
На основании анализа сформулированы цель и задачи исследований.
Цель работы. Повышение эффективности использования автотракторной техники и улучшение качества предпускового подогрева моторного масла в зимний период за счет применения электрона гревательного устройства с саморегулированием мощности.
Задачи исследований 1 Исследовать процесс предпускового подогрева моторного масла в поддоне картера двигателя внутреннего сгорания устройством с саморегулированием мощности и разработать его конструктивную схему.
2 Разработать математическую модель процесса подогрева моторного масла устройством с само регулированием мощности.
3 Провести теоретический анализ энергетических и режимных показателей саморегулируемого устройства электроподогрева моторного масла.
4 Теоретически и экспериментально обосновать рациональные конструктивные и режимные па раметры УЭМС.
5 Изучить формирование температурного поля при подогреве моторного масла устройством с са морегулированием мощности.
6 Разработать методику инженерного расчета УЭМС, провести производственные испытания и дать экономическую оценку его использования.
Во второй главе предложена новая конструктивная схема устройства предпускового подогрева мо торного масла, обоснован принцип его работы, разработана математическая модель процесса подогрева моторного масла в поддоне картера ДВС, проведен теоретический анализ энергетических и режимных показателей УЭМС, обоснован тип позистора, конструктивные и режимные параметры устройства.
Основной характеристикой позисторов, которая в значительной степени определяет их характер ра боты в устройстве электроподогрева моторного масла, является температурная зависимость сопротив ления (рис. 1). При подаче напряжения на устройство происходит разогрев позисторов проходящим по ним током. В начальный момент до температуры переключения позисторов (tпер) происходит снижение их сопротивления (Rп) и рост потребляемой мощности. Это позволяет быстро разогреть корпус УЭМС.
Однако после tпер сопротивление позисторов резко возрастает, обусловленное изменениями в кристал лической решетке полупроводникового материала. При этом мощность устройства снижается пропор ционально подогреваемому маслу. Таким образом, обеспечивается регулирование мощности УЭМС пропорционально тепловой нагрузке.
При температурах ниже tпер зависимость сопротивления от температуры приближенно подчиняется обычному закону для терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивле ния (ТКС) B t. (1) Rп (t1 ) = Be Соответственно мощность УЭМС на этом участке описывается выражением nU. (2) Рус (t1 ) = B t Be На участке выше tпер зависимость сопротивления позистора имеет положительный ТКС Rп (t1 ) = Ae t1, (3) lg R п, О м Рис. 1. Типовая температурная характеристика сопротивления tпер позистора t1, 0С тогда мощность УЭМС примет вид nU. (4) Рус (t1 ) = Ae t Уравнение теплового баланса (рис. 2) для процесса подогрева моторного масла в поддоне картера ДВС устройством с саморегулированием мощности в общей форме применительно к элементарно ма лому промежутку времени имеет вид dQобщ = dQпоз + dQку + dQм + dQм1 + dQм 2 + dQпк. (5) Количество теплоты dQобщ выделенной за элементарно малый промежуток времени определяется суммарной мощностью позисторов Pус (т.е. мощностью устройства) и продолжительностью времени d dQобщ = Рус (t1 )d. (6) При подаче напряжения на устройство, ток, проходящий через позисторы, вызывает их разогрев, в результате чего происходит передача тепла от позисторов корпусу устройства. Тогда уравнение тепло вого баланса для позисторов имеет вид Pус (t1 )d = C1M 1dt1 + 12 (t1 t 2 ) F1d. (7) Количество тепла переданного позисторами корпусу устройства идет на приращение его темпера туры, при этом происходит теплоотдача от корпуса устройства в моторное масло. Уравнение теплового баланса для корпуса устройства в дифференциальной форме можно представить в виде 12 (t1 t 2 ) F1d = C2 M 2 dt 2 + 23 (t 2 t3 ) F2 d. (8) Количество тепла выделившегося в результате разогрева корпуса устройства идет на приращение температуры моторного масла. При разогреве Qм1, 3ср Qм1, 3ср Уровень моторного масла Подогреваемое моторное масло Qм2, 34 Qку, Qм, 23 Qпоз Q’пк, 4ср Q’пк, 4ср Корпус устройства Позистор Поддон картера Рис. 2. Схема к расчету теплового баланса УЭМС происходят потери тепла от моторного масла во внутрикартерный воздух и к стенкам поддона картера.
Уравнение теплового баланса для моторного масла в дифференциальной форме можно представить в виде 23 (t 2 t3 ) F2 d = C3 M 3 dt3 + 34 (t3 t 4 ) F3 d + 3ср (t3 t3ср ) F3ср d. (9) Тепло, переданное от моторного масла стенкам поддона картера, идет на приращение его темпера туры, при этом происходит нагрев поддона, а в результате этого потери тепла в окружающий воздух.
Уравнение теплового баланса для стенок поддона картера в дифференциальной форме можно предста вить в виде 34 (t3 t 4 ) F3 d = C4 M 4 dt 4 + 4ср (t 4 t 4ср ) F4 d. (10) Таким образом, математическая модель процесса подогрева моторного масла в поддоне картера ДВС электронагревательным устройством с саморегулированием мощности можно представит в виде системы дифференциальных уравнений:
dt1 Pус (t1 ) 12 (t1 t 2 ) F, = d C1M dt 2 12 (t1 t 2 ) F1 23 (t 2 t3 ) F, (11) = d C2 M dt3 23 (t 2 t3 ) F2 34 (t3 t 4 ) F3 3ср (t3 t3ср ) F3ср, = d С3 М dt 4 34 (t3 t 4 ) F3 4ср (t 4 t 4ср ) F, = d C4 M nU при t1 tпер, Рус (t1 ) = B t Be nU при t1 tпер.
Рус (t1 ) = Ae t Система (11) описывает теплообменные процессы в режиме саморегулирования мощности УЭМС, происходящие при подогреве моторного масла в поддоне картера ДВС.
Решение полученной математической модели проводилось методом Рунге-Кутта четвертого поряд ка с переменным шагом. Для этого была разработана программа в Mathcad 2001i Professional, выпол няющая это решение на персональном компьютере.
Для проведения теоретических исследований с помощью компьютерной программы Curve Expert 1.34 получены аппроксимированные выражения экспериментальной функции изменения сопротивления позистора (с характеристиками Rном = (2,5 … 6,8) Ом, tпер = 130 С) от его температуры (12) – (15). Выра жения описывают функцию изменения сопротивления с коэффициент корреляции, равным = 0,98 … 0,99:
1 Rном = 2,5 Ом, tпер = 130 С R(t1 ) = 2,717 0,0053t1 + 2,101 10 5 t12 при t1 130 C, (12) (2.37) 86, при t1 130 C.
R(t1 ) = 1 321570,9e 0,086t Rном = 3,3 Ом, tпер = 130 С R(t1 ) = 3,433 0,005t1 + 1,86 10 5 t12 при t1 130 C, (13) 255, при t1 130 C.
R(t1 ) = 1 7931599,3e 0,091t Rном = 4,8 Ом, tпер = 130 С R(t1 ) = 4,911 0,005t1 + 1,86 10 5 t12 при t1 130 C, (14) 211, при t1 130 C.
R(t1 ) = 1 1699350,3e 0,0812t Rном = 6,8 Ом, tпер = 130 С R(t1 ) = 6,917 0,0053t1 + 2,101 10 5 t12 при t1 130 C, (15) R(t1 ) = при t1 130 C.
3,4425 + 0,676 ln(t1 ) Используя математическую модель (11), а также полученные выражения (12) – (15) были уста новлены закономерности изменения динамических показателей УЭМС (рис. 3).
Сопоставив результаты расчета с опытными данными, полученными в ходе предварительных экспериментальных исследований по подогреву моторного масла в поддоне картера двигателя Ка мАЗ установили, что среднее процентное их отклонение находится в пределах 6 … 8 %. Согласно этим дан Р ус, Вт t 1, t2, t3, t 4, 0 C 150 t2 t t 0 t4, мин 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60, мин 0 10 20 30 40 50 t1, t2, t3, t4 – температуры позистора, корпуса устройства, моторного масла, стенок поддона;
Рус – мощность УЭМС;
– – – – эксперимент;
– теория Рис. 3. Закономерности изменения динамических показателей УЭМС ным, в процессе подогрева моторного масла обеспечивается снижение мощности устройства пропор ционально тепловой нагрузке, а температура поверхности корпуса устройства не превышает макси мально допустимую 200 С.
Также были установлены динамические характеристики УЭМС с различными параметрами по зисторов. Анализ этих зависимостей показал, что с увеличением Rном позистора, происходит сниже ние пиковой мощности устройства при незначительном отличии во времени разогрева моторного масла. Большие значения пиковой мощности могут отрицательно сказаться на эксплуатации электро нагревательного устройства, поэтому были выбраны позисторы с номинальным сопротивлением Rном = 6,8 Ом.
Целью обоснования конструктивных параметров УЭМС являлось повышение эффективности ис пользования устройства: снижение его стоимости, улучшение энергетических показателей работы, оптимизация массогабаритных показателей и удовлетворение требованиям качества технологическо го процесса подогрева моторного масла: отсутствие пригорания масел на поверхности устройства.
Так как стоимость устройства в значительной степени определяется количеством используемых позисторов, то повышение энергетических показателей работы УЭМС и снижение его стоимости можно обеспечить при условии и n min. (16) Qус max В ходе теоретического анализа было установлено, что увеличение количества передаваемого те пла возможно увеличением плотности теплового потока, либо площади поверхности устройства, а увеличение плотности теплового потока с увеличением коэффициента теплоотдачи от позистора к корпусу устройства при уменьшении удельного теплового сопротивления контакта.
Анализ расчетных данных позволил утверждать, что снижение контактного термического сопро тивления, а значит, увеличения коэффициента теплоотдачи от позистора к корпусу устройства 12 приво дит к увеличению потребляемой мощности и сокращению времени разогрева моторного масла. Однако нужно отметить, что увеличение 12 более 3000 Вт/м2С не приводит к существенному сокращению вре мени нагрева (кривые практически сливаются). Поэтому контактное термическое сопротивление долж но находится в пределах 3·10-4 м2С/Вт.
Для обоснования площади теплоотдающей поверхности нагревательного устройства был введен термин – удельная площадь УЭМС (Fуд) F2. (17) Fуд = F Согласно теоретически полученным данным максимум теплового потока наблюдается при Fуд = 19,4. Дальнейшее увеличение Fуд приводит к снижению теплового потока. Снижение теплового по тока происходит из-за того, что при увеличении площади поверхности УЭМС (F2) уменьшается среднеповерхностная температура t2, а следовательно, и температурный напор (t2 – t3). Так же проис ходит уменьшение коэффициента теплоотдачи от поверхности устройства в моторное масло (23) со гласно выражению (18) из-за увеличивающегося линейного размера l0 при увеличении F2.
0, Pr C (Gr Pr) n. (18) 23 = Pr l0 c В результате теоретических исследований были получены расчетные кривые подогрева моторного масла в поддоне картера двигателя (рис. 4), а также изменения мощности УЭМС при использовании в качестве теплоотвода различные материалы (сталь, алюминий, медь).
Р ус, В т t3, 0С 3, мин 3 I 0 10 20 30 40 50 60 III 2 II 5 II I III 2 1, мин 1 0 10 20 30 40 50 (а) динамика потребляемой мощности УЭМС, (б) изменение температуры моторного масла в поддоне картера:
I – сталь;
II – алюминий;
III – медь.
Рис. 4. Обоснование выбора материала корпуса УЭМС На основании полученных данных можно сделать вывод, что динамика потребляемой мощности устройства и температуры моторного масла для теплоотводящих поверхностей из различного материала практически совпадают. Это происходит потому, что для всех вариантов:
1 1 и, (19) 1 23 23 а вследствие этого коэффициенты теплопередачи приблизительно равны kстали k алюминия k меди. (20) Поэтому в качестве материала теплоотдающей поверхности устройства выбрали сталь как наиболее дешевую. Теоретически также установлено, что толщина корпуса не оказывает существенного влияния на динамику процесса, поэтому для снижения массогабаритных показателей устройства принята тол щина корпуса 0,5 мм.
Одним из основных параметров, определяющих энергоемкость процесса подогрева моторного мас ла в поддонах картеров ДВС, является мощность нагревательного устройства. Критерием ее выбора яв ляется минимальный расход электроэнергии УЭМС.
Основное влияние на расход электроэнергии оказывают потери тепловой энергии во внутрикартер ный воздух и от стенок поддона в окружающую среду.
Так как мощность УЭМС величина непостоянная, то для количественной ее оценки использовали среднюю мощность, вычисляемую по следующей формуле нагр Рус ()d. (22) Pус.ср = нагр Установлено, что увеличение средней мощности УЭМС приводит к снижению времени нагрева мо торного масла в поддоне картера. Однако при значениях средней мощности УЭМС выше 450 Вт для трактора Т-40, 600 Вт для трактора Т-150, 720 Вт для двигателя автомобиля КамАЗ, 1,1 кВт для двига теля трактора К-700, уменьшение времени нагрева становится менее интенсивным. Это означает, что эффективность процесса нагрева падает, увеличиваются потери в окружающую среду, что отражается на расходе электроэнергии.
Согласно полученным данным, минимум расхода электроэнергии на подогрев моторного масла на блюдается у трактора Т-40 в пределах средней мощности от 420 Вт до 500 Вт, у трактора Т-150 в преде лах от 450 Вт до 550 Вт, у автомобиля КамАЗ в пределах от 620 Вт до 700 Вт, у трактора К-700 в пределах от 1 кВт до 1,1 кВт.
В третьей главе представлена программа и методики экспериментальных исследований по: выбору позистора для УЭМС, контактного термического сопротивления между позистором и пластиной;
обос нованию конструктивных параметров УЭМС;
формированию температурного поля в поддоне картера ДВС;
обоснованию мощности УЭМС для двигателей ЯМЗ-240Б, СМД-60, КамАЗ-740, влияния темпе ратуры окружающей среды на динамические показатели УЭМС, диэлектрических свойств загрязненных моторных масел. Приведено описание экспериментальных установок и их приборного оформления.
Для экспериментальных исследований режимных и конструктивных параметров УЭМС при по догреве моторного масла в поддоне картера ДВС был разработан экспериментальный стенд, схема ко торого представлена на рис. 5. Исследования проводились в специализированной камере холода ОАО «Алмаз».
Обработка экспериментальных данных производилась в прикладной программе MathCAD 2001 Pro fessional и STATISTICA.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований энергетических и конструктивных параметров УЭМС, а также результаты исследований контактного термического со противления пары позистор – пластина, влияния температуры окружающей среды на динамические показатели УЭМС, формирования температурного поля в поддоне картера ДВС и исследования ди электрических свойств загрязненных моторных масел.
1 – камера холода (КХТ – 04 – 004);
2 – поддон картера ДВС;
3 – прибор комбинированный цифровой 1 Щ-300;
4 – самописец КСП4;
5 – термометры сопротивления ТСП-50М;
6 – галетный переключатель;
7 – источник питания постоянного тока 11 В-ТППД-315-28,5;
8 – пластина;
9 – позисторы;
10 – моторное масло;
11 – термопары ХК 8 Рис. 5. Схема экспериментального стенда В результате экспериментальных исследований контактного термического сопротивления между позистором и корпусом устройства (теплоотводящей поверхностью) решалась задача обоснования дос таточной шероховатости теплоотводящей поверхности и усилия сжатия в зоне контакта различных пар материалов (позистор – сталь, позистор – алюминий, позистор – медь). Теоретически было доказано, что обоснование выше приведенных параметров позволит снизить термическое сопротивление в зоне контакта, а значит повысить эффективность процесса подогрева моторного масла.
Анализ опытных данных показал, что с увеличением усилия сжатия у всех контактных пар проис ходит вначале резкое, а затем плавное, после 60105 Па, уменьшение контактного термического сопротивления. Повышение чистоты обработки по верхностей (т.е. уменьшение средней высоты микронеровностей) также приводит к снижению термиче ского сопротивления контакта, причем кривые в этом случае имеют более пологий характер.
Совместный анализ проведенных экспериментальных исследований контактного термического со противления между позистором и корпусом устройства, а также обоснования конструктивных парамет ров позволил предложить следующие рациональные параметры УЭМС: материал корпуса (сталь), тол щина стенки теплоотдающей поверхности = 0,5 мм, чистота обработки материала корпуса устройства соприкасающаяся с поверхностью позистора 10 … 20 мкм, усилие сжатия (0,6 … 1,2)107 Па, удельная площадь теплоотдающей поверхности устрой ства Fуд = 19 2.
Исследованиями формирования температурного поля моторного масла в поддоне картера двигателя КамАЗ-740 установлено, что наиболее эффективным расположением УЭМС является горизонтальное расположение, обеспечивающее минимальную неравномерность (Yн = 0,76 %) подогрева моторного масла во всем объеме поддона картера, что повышает надежность бесперебойного поступления смазки в детали сопряжений цилиндропоршневой группы двигателя на пусковых режимах его работы.
В результате экспериментальных исследований по обоснованию мощности УЭМС были получены зависимости времени разогрева моторного масла в поддонах картеров двигателей ЯМЗ-240Б, КамАЗ 740, СМД-60 от средней мощности электронагревательного устройства УЭМС.
Как видно из рис. 6, а, увеличение средней мощности УЭМС от 200 Вт до 600 Вт вызывает резкое снижение времени разогрева моторного масла, однако увеличение мощности свыше 600 Вт приводит к уменьшению интенсивности разогрева. Это происходит в результате увеличения потерь тепла в процес се подогрева от моторного масла в окружающую среду, что приводит к дополнительному расходу элек троэнергии.
650 Q, Втч, ч 1. 1. 1. 0. 0.67 0.43 Р, Вт Рср, В ср 0.2 300 400 500 600 700 800 900 100011001200130014001500 200 400 600 800 1000 1200 1400 а) б) а – зависимость мощности УЭМС от времени разогрева моторного масла;
б – зависимость расхода электроэнергии от мощности УЭМС;
– ЯМЗ-240Б;
– КамАЗ-740;
– СМД-60;
– – – теория;
— – эксперимент Рис. 6. Обоснование мощности УЭМС Согласно полученным данным на рис. 6, б наблюдаются точки минимума расхода электроэнергии УЭМС для двигателя ЯМЗ-240Б, которые находится в пределах 1000 … 1100 Вт, для двигателя КамАЗ 740 в пределах 650 … 700 Вт, для двигателя СМД-60 в пределах 450 … 550 Вт.
Таким образом, в ходе проведенных исследований были установлены оптимальные мощности устройства электроподогрева моторного масла с саморегулированием мощности для двигателей ЯМЗ-240Б, КамАЗ-740, СМД-60, которые обеспечивают минимум расхода электроэнергии.
Согласно проведенным исследованиям влияния температуры окружающей среды на динамиче ские показатели УЭМС установлено, что с ростом температуры моторного масла происходит вначале скачкообразное, а затем пропорциональное снижение мощности устройства (рис. 7, а).
На рис. 7, б показана зависимость мощности УЭМС от температуры позистора. При температуре позистора близкой к 130 С происходит резкое падение мощности УЭМС, а максимальная температура его не превышает 150 С, что подтверждает отсутствие пригорания моторного масла на поверхности нагревательного уст ройства (температура лакообразования моторного масла более 200 С).
Также в ходе проведенных исследований было доказано, что с понижением температуры окружаю щей среды и при прочих равных условиях происходит увеличение мощности устройства на 17 %.
Рус, Вт Рус, Вт 800 700 600 500 400 tпоз, 0С tм, 0С 300 50 0 50 100 40 20 0 20 40 а) б) а – зависимость мощности УЭМС от температуры моторного масла;
б – зависимость мощности УЭМС от температуры позистора;
– 10 °;
– 20 °С;
– 30 °С;
– 40 °С Рис. 7. Влияния температуры окружающей среды на динамические показатели УЭМС Экспериментальные исследования подтвердили теоретические предпосылки о возможности са морегулирования мощности УЭМС и эффективности предпускового подогрева моторного масла в поддоне картера ДВС разработанным устройством без применения традиционных систем автомати ческого управления.
В пятой главе представлены результаты производственных испытаний, технико-экономическое обоснование УЭМС и методика инженерного расчета его конструктивных параметров.
Устройство электроподогрева прошло производственные испытания в автотранспортном цехе ОАО КЛКЗ г. Котовск, где продемонстрировало высокую эффективность его использования при низких темпера турах окружающей среды, и было внедрено на СПК «Серебряковская Нива» Тамбовской области.
Оценка экономической эффективности от внедрения УЭМС показала, что годовой экономический эффект составляет 404 р. на один двигатель.
Приведенная методика инженерного расчета позволяет получить основные конструктивные парамет ры УЭМС с учетом особенностей изменения мощности устройства в процессе подогрева моторного мас ла.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1 Анализ технических средств предпускового подогрева моторного масла в поддоне картера дви гателя внутреннего сгорания показал целесообразность разработки с теоретическим обоснованием и экспериментальным подтверждением устройства электроподогрева моторного масла с саморегулированием мощности выполненном на базе позисторов (УЭМС).
2 Разработана конструктивная схема УЭМС, которая позволяет улучшить качество и надежность процесса подогрева без использования специальных средств контроля и регулирования.
3 Разработана математическая модель, получены аналитические выражения температурной харак теристики сопротивления позистора в виде кусочно-заданных функций и составлена программа, позво ляющая моделировать процесс предпускового подогрева моторного масла в поддоне картера двигателя внутреннего сгорания устройством с саморегулированием мощности.
4 Теоретически и экспериментально определены оптимальные конструктивные и режимные пара метры устройства: материал корпуса (сталь), толщина стенки теплоотдающей поверхности = 0,5 мм, чистота обработки материала корпуса устройства соприкасающаяся с поверхностью позистора 10 … 20 мкм, усилие сжатия (0,6 … 1,2)107 Па, удельная площадь теплоотдающей поверхности устройст ва Fуд = 19 2. Определены оптимальные мощности устройства для тракторов Т-150 (450 … 550 Вт), К- (1000 … 1100 Вт) и автомобиля КамАЗ (650 … 700 Вт). Обоснованы параметры позистора наиболее подходящего для устройства подогрева моторного масла: номинальное сопротивление Rном = 6,8 Ом, температура переключения Тпер = 130 С.
5 Установлено отсутствие изменений физико-химических показателей моторного масла и ухудше ния его качества в результате подогрева устройством с саморегулированием мощности.
6 Экспериментально изучено формирование температурного поля моторного масла при его разо греве устройством с саморегулированием мощности. Установлено, что наиболее эффективным распо ложением УЭМС является горизонтальное расположение, обеспечивающее минимальную неравномер ность (Yн = 0,76 %) подогрева моторного масла во всем объеме поддона картера, что повышает надеж ность бесперебойного поступления смазки к деталям сопряжений цилиндропоршневой группы двигате ля на пусковых режимах его работы.
7 На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны алгоритм, мето дика инженерного расчета УЭМС учитывающая особенности изменения его мощности и теплообмен ных процессов подогрева моторного масла в режиме саморегулирования в поддонах картеров ДВС при низких температурах окружающей среды.
8 Производственные испытания показали, что в результате использования УЭМС пуск двигателя осуществляется не более, чем тремя попытками пуска продолжительностью каждой от 5 до 15 секунд с интервалами между ними 1 – 1,5 мин, максимальный ток стартера снижается в среднем на 15 … 40 А, пусковые обороты коленчатого вала увеличиваются на 20 … 50 об/мин.
9 Расчетный годовой экономический эффект от использования УЭМС составляет 404 р. на один двигатель.
Основные обозначения А, А В, В – коэффициенты зависящие от физико-химических свойств полупроводникового мате риала позистора;
dQобщ –общее количество теплоты выделяемое позисторами, Дж;
dQпоз – количество теплоты, идущей на нагрев позисторов, Дж;
dQку – количество теплоты, идущей на нагрев корпуса устройства, Дж;
dQм – количество теплоты, идущей на нагрев моторного масла, Дж;
dQм1 – теплопо тери от моторного масла во внутрикартерный воздух, Дж;
dQм2 – теплопотери от моторного масла к стенкам поддона картера, Дж;
dQпк – теплопотери от стенок поддона картера в окружающий воздух, Дж;
t1, t2, t3, t4, tср – температу ра позисторов, корпуса устройства, моторного масла, поддона картера, окружающей среды, соответ ственно, С;
– время нагрева моторного масла, с;
Рус(t1) – мощность электронагревательного устрой ства на участках при t1 130 C и t1 130 C, Вт;
С1, С2, С3, С4 – удельная теплоемкость позисторов, корпуса устройства, моторного масла, поддона картера соответственно, Дж/кгК;
12 – коэффициент теплоотдачи от позисторов к корпусу устройства, Вт/(м2 К);
23, 34, 3ср, 4ср – коэффициенты теплоотда чи от пластины к моторному маслу, от моторного масла к поддону картера, от моторного масла во внутрикартерный воздух, от поддона картера в окружающую среду, соответственно, Вт/(м2К);
F1, F2, F3, F3ср, F4ср – суммарная площадь позисторов, корпуса устройства, поверхности теплоотдачи мотор ного масла к поддону картера, поверхности теплоотдачи моторного масла во внутрикартерный воз дух, поверхности поддона картера, соответственно, м2;
М1, М2, М3, М4 – масса позисторов, моторного масла, корпуса устройства, поддона картера, кг;
n – количество параллельно соединенных позисто ров;
U – напряжение питания устройства, В.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ 1 Кочергин С.В. Энергосберегающее саморегулируемое устройство электроподогрева моторного масла для двигателей внутреннего сгорания в зимний период / С.В. Кочергин // Труды ТГТУ: Сб. науч. тр.
/ Тамб. гос. техн. ун-т. Тамбов, 2002. № 11. С. 126 – 130.
2 Калинин В.Ф. Математическая модель процесса подогрева моторного масла в двигателе внутрен него сгорания саморегулируемым электронагревательным устройством / В.Ф. Калинин, А.М. Шувалов, С.В. Кочергин // Вестник ТГТУ. 2002. Т. 8. № 4. С. 623 – 628.
3 Калинин В.Ф. Обоснование выбора мощности устройства электроподогрева на саморегулируе мых полупроводниковых нагревательных элементах / В.Ф. Калинин, А.М. Шувалов, С.В. Кочергин // Вестник ТГУ. Сер. «Естественные и технические науки». 2002. Т. 7. Вып. 3. С. 373 – 374.
4 Кочергин С.В. Исследование влияния контактного термического сопротивления в электронагрева тельном устройстве на динамику разогрева моторного масла / С.В. Кочергин // Труды ТГТУ: Сб. науч. тр.
/ Тамб. гос. техн. ун-т. Тамбов, 2002. № 13. C. 98 – 101.
5 Кочергин С.В. Актуальность использования саморегулируемого устройства электроподогрева моторного масла для ДВС в зимний период / С.В. Кочергин, Р.В. Минаев // Тез. к VII науч.-техн. конф.
ТГТУ / Тамб. гос. техн. ун-т. Тамбов, 2002. C. 253.
6 Шувалов А.М. Обоснование принципа работы устройства электроподогрева моторного масла дви гателей внутреннего сгорания с саморегулированием мощности / А.М. Шувалов, С.В. Кочергин, А.И.
Козлов // Сб. науч. тр. междунар. научн.-техн. конф. / СПбГАУ / СПб, 2003. С. 438 – 443.
7 Кочергин С.В. Обоснование выбора позисторов устройства электронагрева моторного масла / С.В.
Кочергин // Сб. науч. тр. 3-й междунар. научн.-техн. конф. / ГНУ ВИЭСХ / М., 2003. Ч. 2. С. 292 – 296.
Шувалов А.М. Использование саморегулируемого устройства подогрева моторного масла мо бильной техники в зимнй период / А.М. Шувалов, В.М. Тюх, С.В. Кочергин // Сб. науч. тр. XI междунар. научн.-практ. конф. / ВИМ / М., 2002. Т. 139. Ч. 2. С. 94 – 99.
9 Шувалов А.М. Энергосберегающее устройство электроподогрева моторного масла в зимний пе риод / А.М. Шувалов, С.В. Кочергин // Сб. науч. тр. 3-й Междунар. научн.-техн. конф. / ГНУ ВИЭСХ / М., 2003. Ч. 2. С. 292 – 296.
10 Кочергин С.В. Обоснование энергетических и конструктивных параметров устройства электроподогрева моторного масла / С.В. Кочергин // Тез. к VIII научн.-техн. конф. ТГТУ / Тамб. гос.
техн. ун-т. Тамбов, 2003. C. 125.
11 Кочергин С.В. Математическое моделирование работы устройств с саморегулированием мощно сти / С.В. Кочергин, Д.В. Якунин, М.В. Зуйков // Сб. науч. тр. 3-й Междунар. конф. / Приднестровский гос. ун-т им. Т.Г. Шевченко / Тирасполь, 2003. С. 321.
12 Калинин В.Ф. Теоретические исследования параметров электронагревательного устройства с саморегулированием мощности / В.Ф. Калинин, А.М. Шувалов, С.В. Кочергин // Вестник ТГТУ, 2003.
Т. 8. № 4. С. 654 – 659.
13 Пат. РФ № 2201525 7F 02 N 17/04. Устройство для предпускового подогрева картерного масла двигателя внутреннего сгорания / Шувалов А.М., Клейменов О.А., Калинин В.Ф., Кочергин С.В.;
Заявл.
17.04.2001.
14 Заявка № 2001128544/06(030417) Устройство для облегчения запуска двигателя внутреннего сгорания / Шувалов А.М., Тюх В.М., Клейменов О.А., Зазуля А.Н., Кочергин С.В. Приоритет от 22.10.2001 г.