автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Улучшение показателей тракторного дизеля на основе уменьшения тепловых потерь в охлаждающую жидкость системы охлаждения

РГ6 ОД

Линистерсгво; науки, высшей школы и технической полигики ■ ' ..... Российской Федерации

Комитет по высшей школе

Московская государственная академия автомобильного и тракторного машиностроения

На правах рукописи

TAXA ХНЕС САБТИ

' УДК 621.436.12:62-173

УЛУЧШЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ

НА ОСНОВЕ УМЕНЬШЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ В ОХЛАДЦАЩУЮ ЖИДКОСТЬ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ "

Специальность 05.04.02 - тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена во Владимирском политехническом институте

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

В.В.Эфрос

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент

В.Ф.Г^ськов

Официальные оппоненты¡доктор технических наук, профессор

Р.П.Доброгаев

кандидат технических наук, доцент В.М.Фомин

Ведущая организация: Научно-исследовательский конструктор • ско-гехнологический институт трактор

ных и комбайновых двигателей.

Защита диссертации состоится 16 июня 1993 г. в 16 часов на заседании специализированного совета К 063.49.01 при Московской государственной'академии автомобильного и тракгор-.ного машиностроения по адресу: 105023. Москва, Е-23, Б.Семеновская ул., 38, ауд. Б-301.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

. Автореферат разослан »/У« мая 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

доцент / Ю.А.Завьялов

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Основной задачей современного двигя-телестроения является дальнейшее повышение эффективности силовых установок различного назначения при одновременном уменьшении их массогабаритных показателей.

Одним из возможных путей решения этой проблемы является разработка высокофорсированных дизелей с уменьшенными потерши теплоты в охлаадающую жидкость. Дополнительное самостоятельное значение данная проблема приобретает для тракторных дизелей, поскольку снижение тепловой нагрукенности систем^охлаждения позволяет уменьшить массу и габариты жидкостных охладителей и, следовательно, моторной установки в целом, что непосредственно связано с расширением возможностей агрегатирования с сельхозмашинами. Последнее особенно важно для стран с жарким климатом, в частности для Ирака, где двигатели зачастую длительно эксплуатируются при температуре окружающей среды выше 45°С. Поэтому выполненное исследование, направленное на улучшение показателей тракторных дизелей путем уменьшения тепловых потерь в охлаждающую жидкость, актуально как для разработчиков силовых установок, так я для эксплуатации тракторной техники.

Целью диссертации является снижение тепловой нагруженностл системы охлаждения путем изменения температуры, расхода и вида охлаждающей жидкости, установление соответствующего влияния перечисленных факторов на тепловое состояние и ноказат&чи тракторного дизеля и разработка на этой основе практических рекомендаций для использования при проектировании и доводке двигателей.

Объектом исследсзаний являлся дизель 6ЧН 13/11,5 (СМД-62).

Научная новизна состоит в разработке метода оценки-количества теплоты, отводимой охлаждающей жидкостью, уЛчнения зависимости средней плотности теплового потока через охлаждаемые поверхности деталей от параметров и вида охлаждающей жидкости, а 'аг-сже в установлении зависимости показателей рабочего процесса шзеля от температуры стенки цилиндра.

Практическая ценно сг~ч Показана возможность существенного 'меньшения тепловой нагруженности системы охлаждения за счет ^пользования масляного охлаждения дизеля; определены режимы хлаждения дизеля, соответствующие минимальному расходу гоплл-

ва в широком диапазоне режимов его работы; уточнена расчетная формула, позволяющая на этапе проектирования осуществить оценку тепловой нагруженности системы охлаждения; продложек способ определения теплоты, выделяемой при трении щлиндроиоршнеаоЛ группы (ЦПГ).и отводимой охлаждающей жидкостью.

Реализация результатов работы. Используются в учебном процессе и научной работе кафедры "Двигатели внутреннего сГоранин" Владимирского политехнического института.

Апробация и публикация результатов. Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались:

- на научно-технических конференциях Владимирского политехнического института в 1990 г., 1991 г.;

, - на всесоюзном научно-практическом семинаре "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей . ДВС" в ВПИ в 1991 г.;

- на российском научно-практическом семинаре "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС" в ВПИ в 1993 г.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 96 наименований источников. Работа содержит 147 страниц •текста, . из них 51 рисунка и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОШ

Во введении показана актуальность работы, изложена ео цель И приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ исследований, направленных на повышение эффективности дизелей путем уменьшения тепловых потерь в охлаждающую жидкость, по следующим разделам:

- необходимость и способы уменьшения потерь теплоты в охла-вдагощую явдкоегь и требования к системе охлаждения;

- влияние охлаждения наддувочного воздуха на показатели двигателя;

- взаимосвязь режимных параметров системы охлавдения и вида теплоносителя с тепловым состоянием и параметрами рабочего процесса дизеля;

- влияние теплоизоляции камеры сгорания ■ на показатели дизеля.

На основе анализа показано, что для тракторных дизелей наиболее рациональным способом уменьшения тепловых потерь в систему охлаждения наряду, с охлаждением наддувочного ноздуха является изменение тепловых граничных условий со стороны охлаждения, достигаемое варьированием расхода, температуры и тешю-фазических характеристик теплоносителя. Одним из перспективных направлений совершенствования конструкции считаемся масляное охлаждение тракторного дизеля. Ограничение теплоогвода в охлаж-. дающую жидкость теплоизоляцией камеры сгорания является целесообразным при разработке силовых установок специального назначе-

ния.

о

Эффективность применения различных способов уменьшения тепловых потерь в охлаждающую жидкость с точки зрения улучшения показателей дизелей неодинакова. Охлаждение наддувочного воздуха в рекуперативном охладителе приводит к улучшению топливной экономичности двигателя. Влияние режимных параметров системы' охлаждения и вида теплоносителя, а таюхе теплоизоляции камеры сгорания на КЦД двигателя определяется согласованием температуры стенки цилиндра с параметрами рабочего процесса и совер-1 шэнством системы утилизации теплоты отработавиих газов;

Оценка эффективности различных способов уменьшения потерь теплоты проводится в настоящее время на основе экспериментальных исследований. Многие исследования проводились при существенных ограничениях как режима работы, так л температурного состояния двигателей.

На основании анализа ранее выполненных исследований формулируются задачи, необходимые для достижения поставленной цели:

1. Проведение сравнительной оценки тепловой нагруженности системы охлаждения тракторных дизелей.

2. Разработка расчетно-экспериментального метода определения тепловой нагруженности системы охлаждения и ее составляющих.

3. Количественная оценка отдельных составляющих тепловой нагруженности системы охлаждения с целью их снижения.

4. Экспериментальное исследование влияния температуры и расхода охлаждающей жидкости (пресной воды и моторного масла) на тепловое состояние и Указатели .дизеля в широком диапазоне нагрузочных режимов с целью согласования температуры стенки

щилиндра с рабочим процессом и трением деталей шшшдропорине-вой группы.

Вторая глава диссертации посвяшена проведению сравнительной оценки тепловой нагруженности системы охлаждения тракторных дизелей и обоснованию и разработке расчех'но-эксиориментаьного метода определения ее составляющих.

Основываясь на ранее выполненных исследованиях и используя экспериментальные данные по ряду тракторных дизелей производства Минского и Харьковского заводов, автор установил зависимость плотности среднего теплового потока через охлаедаемые поверхности деталей от литровой мощности, которая для значений Кл = 2...18 кВт/л описывается формулой

- 7.7 + 15,38 Яа . (I) .

Данная зависимость позволяет прогнозировать величину тепловой нагружзнносги системы охлаждения при создании новых или форсировании уже выпускаемых двигателей.

В процесса формирования участвуют две составляющие,

первая из которых характеризует тепловой поток непосредственно от газов, а ьгорйя - количество теплоты, передаваемое охлаждающей жидкости в результате механического трения деталей цилиндро-поршневой группы

и^гПт- (2>

Вследствие сложности реальных процессов теплоотдачи от газов в стенки цилиндра и трения цйливдропоршневой группы определение тепловой нагруженности системы охлаждения и ее составляющих возможно только экспериментальными или радчетно-экспериментальными методами. Анализ существующих методов показал, что они не в полной мере удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям по достоверности результатов, трудоемкости реализации и учету основных факторов, влияющих.на. теглоотвод в охлаадающую жидкость.

Влияние параметров двигателя на величину плотности среднего теплового потока в охлаждающую, жидкость оценивается известным выражением, предложенном А.К.Костиным, ккал/(м^-ч),

о -й Ст Тк Ы

>г-В (3)

где В - коэффициент для четырехтактных дизелей; В = 147;

Сщ- средняя скорость поршня, м/с;

Ре- среднее эффективное давление, кгс/см2;

удельный расход топлива, кг/(л.с.ч.);

"Гц,Рц — температура,-К, и давление наддувочного воздуха,кгс/см';

Ф - диаметр цилиндра двигателя, дм;

1у - коэффициент наполнения.

Указанное выражение, однако, не учитывает влияния на <Jr температуры охлаждающей жидкости и в этой связи требует соответствующего уточнения. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования подтвердили необходимость такого уточнения и позволили получить требуемую зависимость в виде, кВт

л n Cm Ре fre Тк

где а = С -^-1; С - коэффициент; Т0. Т* - соответственно темпера туры окружающей среды и охлаждающей жидкости на выходе из цизеля.

На основании результатов экспериментальных исследоваяий и зпыгных данных по различным тракторным дизелям определены численные значения коэффициентов В4 и С при применении в качестве эхлаадающей жидкости пресной воды или моторного масла.

Для установления величин указанных коэффициентов определение производилось с использованием формулы (2). При этом величина определялась непосредственно по результатам

геплобалансовых испытаний, а - по разработанному методу.

Предлагаемый метод определения ' базируется на допущении э том, что количество теплоты, выделяемой при трении ЦПГ.и отво-1ИМОЙ охлаждающей жидкостью, является функцией только частоты вращения вала двигателя и при распространенных в настоящее время уровнях форсирования тракторных дизелей слабо зависит от нагрузки.

Из уравнения внешнего теплового баланса и формулы (2) для <онкрегного двигателя без заметного снижения то"; 7сги расчета следует •

Qoxa= На&т-(//е+Ом+Оог + Оост) , (5)

« const GT И-0'"5! (6)

Анализ уравнений (5)и (6) и результаты экспериментальных ^следований, выполненных ранее также и автором (рпс. I, 2), юказывают, что количество теплоты 0.0*л , отводимой охлаждающей жидкостью,при снижении расхода • топлива (хт и неизменной

' •' '5

частоте вращения вала двигателя Л линейно уменьшается. Тогда, с учетом принятого допущения, количество теплоты От , выделяемой при трении ЦПГ и отводимой охлаздающей жидкостью, определяется либо графически экстраполяцией зависимости Оохл*/(бт) . полученной пря работе дизеля по нагрузочной характеристике (рис. 2), на ось ординат, либо по формуле

Омла/бт.-О

^ О/бЛ-ОЛ,.) ('

гдвОМА1 , Ов*л1 , Оп . &Г4 - координаты произвольно взятых точек I и 2 на прямой

Результаты экспериментальных исследований (рис. I, 2) свидетельствуют о том, что величина йт определяется скоростным режимом работы двигателя и зависит от темпоратуры и вида охлаждающей жидкости. При этом доля От в тепловой нагруженности водят системы охлаждения дизелей типа ТЩ 15/18 и ЧН 13/11,5 в области высоких нагрузок составляет соответственно примерно 14 и 4$, а в области малых нагрузок - 40 и 135?.

В третьей главе изложено описание объекта исследования, экспериментальной установки, измерительно-регистрирующей аппаратуры, методики проведения эксперимента, и обработки опытных ' данных, а также приведена оценка погрешностей измерений.

В соответствии с задачами исследований экспериментальная установка была оборудована комплексом контрольно-измерительной аппаратуры, обеспечивающим контроль измерения и регистрацию параметров теплового состояния и рабочего процесса двигателя при изменении температуры и расхода охлаждающей жидкости.

С целью регулирования объемной производительности циркуляционный насос имел автономный привод от электродвигателя постоянного тока с регулируем"й частотой вращения. Для изменения температуры охлаждающей жидкости использовались аэродинамическая камера наддува, снабженная-центробежный вентилятором, а также жидкостно-водяные теплообменники. Для измерения температуры головки и гильз цилиндров дизеля применялись хромель-копелевые термопары.

- Эксперименты проводились на дизеле 6ЧН 13/П,5 (СМД-62) при его работе по нагрузочной характеристике. В качестве теплоносителей .системы охлаждения использовались пресная вода и моторное масло М10Г2.

6

чахл, кВт

200

/60

/20

// w V

Qoxa - V А / *

i // /

/

/ // /

20 АО 60 SO /00 Qr, лг/у

Рис. I. Изменение QowjkBt, и Ре,-\Ша, У дизеля 12ЧН 15/18 по нагрузочной характеристике: т оооп = 2000 мин-|; •»•п = 1500 мин-1

МПа

б От3 ' « « Цт{ 20 24 Цт, кг/ч

Рис. 2. Изменение тепловой нагруженности си-■"стемы охлаждения дизеля 6411 13/11,5 по нагрустной характеристике ( а = 1525 мин--1-; &и= 120 л/мин):

1 - Еода - 60®С; 3-масло - 90°С;

2 - вода - 95°С;- ' . 4-Ре, МПа

Четвертая глава содержит результаты экспериментальных исследований влияния режимных параметров системы охлаждения и вида теплоносителя на тепловое состояние и показатели двигателя.

Установлено, что количество теплоты Оохл • 0 водимо!* системой охлаждения, в значительной степени определяется температурой Тж и видом охлаждающей жидкости и практически не зависит от производительности циркуляционного насоса &* • Отмеченное объясняется большим влиянием Тх и вида теплоносителя по сравнению с &ж на температуру цилиндра дизеля. Так, например, увеличение Т« с 60 до 95°С приводит к росту температуры гильзы цилиндра на 33...35°С и головки - на 32...44°С. Замена водяного охлаждения на масляное при прочих равных условиях сопровождается повышением температуры гильзы цилиндра и головки на \20...65°С.

В то же время снижение расхода охлавдающей жидкости от 250 до 120 л/мин обусловливает рост температур указанных деталей на I...6°С при водяном охлаждении и на 6..Д2°С при масляном. При этом неравномерность распределения температур в этих деталях по различным направлениям в зависимости от Т* и вж практически не изменилась.

Отмоченные изменения теплового состояния двигателя приводят к перераспределению статей теплового баланса и изменению параметров рабочего процесса дизаля. Для установления взаимосвязи между тепловым состоянием стенки цилиндра и показагелями дизеля, необходимой для выявления наилучших условий протекания рабочего процесса, б качестве хграктернсй целесообразно использовать в первом приближении температуру гильзы цилиндра в зоно первого поршневого кольца при положения поршня в Bf.1T.

В качестве примера на рис. 3, а,б) показано изменение параметров рабочего процесса дизеля от максимальной температуры гильзы цилиндра на уровне первого поршневого кольца при положении поршня в ВМТ . Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что минимальная величина удельного эффективного расхода топлива независимо от нагрузки дизеля соответствует рассматриваемой температуре стенки цилиндра, равной 120,.Л30°С. Повышение или понижение Ц относительно указанных значений приводит к ухудшению топливной экономичности дизеля из-за соответствующего изменения механического и индикаторного КПД.

8

lr.°0

. SSO 230 Рк,мла w цю (Ьк,квт 15 10

h

QSÛ

ops

350 S10

л tí

h K0 k m

7i CM m

при gacn

б - Pe = 0.86Ü Lilla;

Независимо от нагрузки двигателя с ростом "Ьц абсолютное и относительное количество теплоты, отводимой охлаждающей жидкостью, уменьшается, а тепловые потери в моторное масло и с отработавшими газами увеличиваются.

Качественное влияние повышения температуры и снихония хода охлаждающей жидкости на параметры рабочего процесса 1.'л': носгыо соответствует отмеченному выше (рис. 4). Так, например, на режиме Ре = 0,137 МПа повышение температуры .пресной воды на выходе из дизеля на 35°С сопровождается уменьшением удельного эффективного расхода топлива на 20 г/.(кВт-ч), а при

Ре= 0,86 МПа - его увеличением на 4...5 г/(кВт«ч). Снижение расхода охлаждающей воды от 250 до 120 л/мин при работе дизеля на режиме Ре= 0,137 МПа вызывает улучшение топливной экономичности дизеля на 2 г/(кВг.ч), а на режиме Ре = 0,864 МПа повышение на 1...2 г/(кВт»ч).

Переход с водяного охлаждения на масляное во всем диапазоне исследуемых нагрузок Ре = 0,137...0,864 МПа сопровождается ухудшением топливной экономичности дизеля (рис. 5). Например, на режиме' Ре = 0,137 и 0,864 МПа замена охлаждающей воды моторным шелом при прочих равных условиях приводит к росту удельного эффективного расхода топлива соответственно на 15...18 '/(кВг'ч) и 6...8 г/(кВт»ч). Изменение расхода охлаждающего масла в диапазоне 120...250 л/мин оказывает незначительное влияние на топливную экономичность дизеля. Повышение температуры охлаждающего маслэ на Ю°С обусловливает рост на 2...5 г/(кВг*ч) в исследуемом диапазоне нагрузок.

. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТУ' И ВЫВОД!

1. показатели моторных установок машинно-тракторных агрегатов в существенной мере зависят от параметров жидкостной системы охлаждения и вида теплоносителя.

2. Разработан расчетно-экспериментальный метод определения тепловой нагруженности системы охлаждения дизелей, позволяющий дифференцированно оценивать влияние на Показатели моторных установок количества теплоты, отводимой охлаждающей жидкостью от газов, а также выделяемой в результате трения ЦГГГ и передаваемой теплоносителю^

ш од as Q4 as аь 0,7 цз ре,мпа

Рис. 4. Изменение пасамегроь рабочего процесса дизеля. 6ЧН 13/11,5 з зависимости от температуры охлаздаадей воды (G»= 120 л/мин; л = 1525 глин-1): —\= 50° С;---t*= S5°C

--пресна.! вода;----моторное масло

3. Получена математическая зависимость для определения средней плотности теплового потока от газов Через охлавдаемне поверхности деталей дизелей, учитывающая температуру охлаждающей жидкости.

4. Тепловая нагруженность системы охлавдения в значительной мере определяется температурой и видом охлаждающей жидкости

и слабо зависит от производительности циркуляционного насоса.

5. Показано, что тепловая нагруженность системы охлаждения в первую очередь определяется тепловым потоком в охлаждающую жадность от газов, а влияние на нее теплового потока от трения деталей ЦПГ пренебрежимо мало.

6. Установлено, что для дизеля типа 6ЧН 13/11,5 минимальный удельный эффективный расход топлива имеет место при температуре стенки гильзы цилиндра, равной I20...I30°C в зоне первого поршневого кольца при положении поршня в ШТ.

7. Использование в качестве охлаждающей жидкости моторного масла М10Г2 вызывает существенное повышение температуры охлаждаемых деталей и ухудшение топливной экономичности дизеля и может быть оправдано преэде всего только жесткими требованиями к улучшению массогабари'гных характеристик моторной установки.

По тема диссертации опубликованы следующие работы:

1. Свгоин O.A., Taxa К.С., Гуськов В.Ф. Влияние температуры охпавдаицеЛ жидкости на тепловое состояние и показатели тракторного дизеля с турбонаддувом // Материалы 2-го всесоюзного научно-практического семинара "Совершенствование кощностных, экономичоских и экологических показателей ДВС". Владимир, 1991, С. 44.

2. Эфрос В.В., Taxa Ю.С., Гуськов В.Ф. Анализ факторов, определяющих теплоотдачу в системе охлаждения дизеля // Материалы 25-;£ научной конференции Владимирского политехнического института. Владимир, 1990^ С.' 38.

3. Свирин O.A., Taxa Ю.С., Гуськов В.Ф. Результаты тепло-балансовых испытаний тракторного дизеля 6ЧН 13/11,5 // Материалы 26-й научной конференции Владимирского, политехнического институту. Владимир, 1991. С. 23.

- 4. Эфрос В.В., Taxa Ю.С., 1^сь;сов В.Ф., Свирин O.A. Определение тепловой нагрузки жидкостной системы охлавдения трактор- ' ного дизеля // Материалы 3-го Российского научно-практического семинара "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС". Владимир, 1993 (в печати). =àè>p—

12