автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Исследование основных предпосылок к применению комбинированного охлаждения двигателей тяжелых мотоциклов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МАМИ"

<" !

о лл

"'"'М на правах рукописи

)

Перминов Илья Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПРЕДПОСЫЛОК К ПРИМЕНЕНИЮ КОМБИНИРОВАННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ТЯЖЕЛЫХ

МОТОЦИКЛОВ

Специальность 05.04.02. - Тепловые двигатели.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре "Автомобильные и тракторные двигатели" Московского государственного технического университета "МАМИ" и в Отделе Главного Конструктора АО "УРАЛМОТО" г. Ирбит.

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники

Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Покровский Г.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Чайнов Н.Д. кандидат технических наук Панин В.И.

Ведущее предприятие: АО "УРАЛМОТО"

Защита состоится " " 1998 года в ^^час. на заседании

диссертационного совета К 063.49.01 Московского государственного технического университета "МАМИ" по адресу: 105023, Москва, ул. Б. Семеновская, д.38, в аудитории Б 301. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ "МАМИ".

Автореферат разослан " 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Л Порядков В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. К тяжелым мотоциклам принято относить двух- и трехколесные транспортные средства с рабочим объемом двигателя свыше 500 см3. Их рынок не так велик, как рынок мопедов и мотороллеров, но производители мотоциклов уделяют ему повышенное внимание, так как здесь определяются направления технического прогресса и демонстрируются возможности технического потенциала фирм, применения современных материалов, новых направлений в дизайне.

При создании двигателей тяжелых мотоциклов ведущими мировыми мотоциклетными фирмами широко применяются технические достижения положительно зарекомендовавшие себя в автомобильном двигателестроении. Однако мотоциклетные двигатели отличаются специфичными конструкторскими решениями, которые в силу тех или иных причин не могут быть или даже еще просто не были использованы в двигателях автомобилей. В частности современные серийные дорожные мотоциклы имеют оригинальные системы охлаждения, а в качестве конструкционных материалов более широко применяются легкие сплавы на основе алюминия и других цветных металлов.

В нашей стране ведутся интенсивные работы по совершенствованию уже выпускаемых моделей мотоциклов, а так же по расширению их номенклатуры.

Дальнейшее повышение эксплуатационных качеств отечественных тяжелых мотоциклов связано с форсированием их базового двигателя. Однако широко используемая система воздушного охлаждения с естественным обдувом при достигнутой степени форсирования двигателей тяжелых мотоциклов оказывается не всегда эффективной, особенно в трудных условиях эксплуатации, характеризующихся большими нагрузками и малыми скоростями движения. Поэтому поиск оптимальных способов охлаждения мотоциклетных двигателей при одновременном рассмотрении вопросов повышения их экологических, энергетических и экономических показателей является актуальной проблемой для решения которой необходимы теоретические и экспериментальные работы. В области систем охлаждения видимо важно нахождение некоторого компромиссного варианта, позволяющего сохранить традиционное использование естественного обдува при движении мотоцикла и одновременно обеспечивающего поддержание оптимального теплового состояния двигателя в широком диапазоне эксплуатационных режимов.

Цель работы. Определение степени влияния способов охлаждения двигателя тяжелого мотоцикла на его показатели и на основе этого формулирование принципов создания комбинированных воздушно-жидкостных систем охлаждения.

Научная новизна. На основании анализа механизма теплообмена определены пути и возможности оптимизации теплового состояния двигателя тяжелого мотоцикла. Разработан метод исследования теплопередачи в цилиндре воздушного охлаждения на основе экспоненциального метода.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- с использованием серийно выпускаемых основных деталей создан опытный образец двигателя тяжелого мотоцикла с комбинированной системой охлаждения;

- разработанный метод изучения теплопередачи рекомендуется для оптимизации конструкции цилиндра воздушного охлаждения;

-введена в эксплуатацию система измерения температур в режиме реального времени;

- предложена и изготовлена система автоматизированного измерения расхода воздуха и топлива.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, а так же конкретные рекомендации по созданию систем комбинированного охлаждения переданы ведущему предприятию. Кроме того, разработанные методы исследований и исследовательские комплексы могут быть использованы в дальнейших работах по совершенствованию двигателей и учебных процессах соответствующих ВУЗов.

Публикации. По материалам данной работы опубликовано 4 статьи. Материалы работы докладывались на международной научно-технической конференции "100 лет РОССИЙСКОМУ АВТОМОБИЛЮ. ПРОМЫШЛЕННОСТЬ И ВЫСШАЯ ШКОЛА."

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 73 наименования, трех приложений. Общий объем работы 173 страницы, в том числе 108 страниц основного текста, 30 страниц рисунков, 8 таблиц, 7 страниц библиографии и 28 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Введение содержит обоснование актуальности работы и краткую характеристику рынка тяжелых мотоциклов.

В первой главе проанализированы тенденции развития двигателей тяжелых мотоциклов, обозначены приемлемые пути их дальнейшего форсирования, оценен технический уровень, а так же рассмотрены проблемы охлаждения. На основании этого сформулированы цели и задачи исследования.

Автором было проанализировано 276 моделей тяжелых мотоциклов, выпускаемыми на данный момент мотоциклетными фирмами мира. Среди них подавляющее большинство ( конкретно 272 модели) оборудованы 4х тактными двигателями с искровым зажиганием, 4 модели имеют рагорно-поршневые двигатели и 1 мотоцикл приводится в движение дизелем. Наиболее широко распространены двухцилиндровые ( 44% ) и четырехцилиндровые (33% ) двигатели. 57% развивают максимальную мощность в диапазоне частот вращения коленчатого вала 6000-9000 мин"1. Достижение таких высоких показателей по быстроходности стало возможно благодаря решению проблемы наполнения цилиндров горючей смесью в широком диапазоне скоростных режимов работы двигателя. Практически все двигатели имеют настроенные впускные системы, а так же специально подобранные фазы газораспределения. Эффективным средством для улучшения наполнения цилиндров является увеличение числа клапанов.

Создание быстроходных поршневых двигателей невозможно без обеспечения нормальных условий работы цшгандро-поршневой группы. В настоящее время в мотоциклосгроении в связи с тенденцией дальнейшего увеличения срока службы двигателей повышен интерес к специальным покрытиям рабочей поверхности цилиндра.

Первоначально цилиндры мотоциклетных двигателей, как известно, изготавливались из чугуна, затем в целях улучшения теплообмена и уменьшения массы всей конструкции перешли к легким сплавам, но с запрессованной или залитой гильзой из чугуна для обеспечения необходимой износостойкости. В последствии стали изготавливать алюминиевые цилиндры на рабочие поверхности которых наносился слой хрома для получения износостойкого покрытия ( без чугунной гильзы). Создание двигателей с высокой удельной мощностью и возросшей частотой вращения (достижение средних скоростей поршня более 15 м/с ) заставило постепенно отказаться от хромового покрытия, неспособного удержать масляную пленку на рабочей поверхности при возрастании местных температур и перейти на никель-кремниевое покрытие.

На примере двигателей немецкого концерна BMW оценен технический уровень современных двигателей тяжелых мотоциклси. Характерно, что при приблизительно одинаковых средних степенях

сжатия ( 10.24 для двигателей автомобилей и 10.02 для двигателей мотоциклов) мотоциклетные двигатели обладают на 11% большей литровой мощностью, чем автомобильные (58.4 кВт/л против 52.3 кВт/л). Скорее всего это достигается за счет увеличения средней быстроходности мотоциклетных двигателей так же на 11% (средняя скорость поршня мотоциклетных двигателей 17.12 м/с против 15.27 м/с у автомобильных).

На основании проведенного анализа можно утверждать, что развитие двигателей тяжелых мотоциклов идет по традиционному пути их форсирования главным образом по степени сжатия и частоте вращения. При достижении высоких значений литровых мощностей ( до 75 кВт/л) применение классической системы воздушного охлаждения с естественным обдувом уже является недостаточным. Жидкостное охлаждение обеспечивает надежную работу двигателя без снижения мощности и увеличения термических нагрузок при любых режимах в течении длительного времени. Вместе с тем применение систем жидкостного охлаждения повышает стоимость мотоцикла, увеличивает его массу не менее чем на 3-4 кг, требует дополнительных затрат материалов. Поэтому в конечном итоге важно нахождение некоторого компромиссного варианта системы охлаждения, позволяющего сохранить использование естественного обдува и одновременно обеспечивающего поддержание нормального теплового состояния двигателя в широком диапазоне эксплуатационных режимов. Этого можно достичь, применив комбинированное охлаждение двигателей, при котором головки цилиндров охлаждаются жидкостью, а сами цилиндры - воздухом. В качестве охлаждающей жидкости, кроме традиционных воды и антифризов, могут быть использованы моторные масла из системы смазки двигателя (так называемые воздушно-масляные системы охлаждения).

Вторая глава посвящена разработке методов изучения эффективности систем охлаждения и количественной оценке влияния теплового состояния четырехтактного двигателя с искровым зажиганием на его работу, а так же возможности оптимизации его теплового состояния при различных способах охлаждения. По результатам теоретического исследования сформулированы принципы создания комбинированных систем охлаждения мотоциклетных двигателей.

При отклонении теплового режима двигателя в сторону его увеличения или уменьшения возникает ряд положительных и отрицательных явлений, оказывающих противоположное влияние на его работу. Таким образом, влияние теплового состояния на показатели рабочего цикла нельзя оценить однозначно и за его оптимальный

уровень следует, очевидно, принять такой температурный режим основных деталей, при котором в полной мере достигаются необходимые энергетические, экономические, экологические и эксплуатационные показатели двигателя.

На основании фундаментальных работ по теории двигателей внутреннего сгорания Г.Р. Рикардо, Д.Р. Пая, И.М. Ленина, A.C. Орлнна, М.М. Масленникова, HJC. Дьяченко и др., а так же по результатам исследований возможности улучшения показателей двигателя за счет использования принципа раздельного охлаждения, проведенных В.М. Сапрыкиным и A.B. Костровым, можно заключить, что тепловое состояние головки четырехтактного двигателя с искровым зажиганием целесообразно поддерживать на более .низком уровне, что улучшает наполнение цилиндров свежей горючей .смесью и препятствует детонационному сгоранию топлива. Повышенное тепловое состояние цилиндра и увеличение скорости его прогрева должно способствовать снижению износов цилиндро-поршневой группы, особенно в , период холодного пуска.

Принцип раздельного охлаждения на мотоциклетных двигателях может быть реализован несколько иначе, чем на автомобильных двигателях с искровым зажиганием таким образом: головка цилиндра будет охлаждаться жидкостью, а цилиндр - воздухом. Так как двигатель мотоцикла находится в гораздо более открытом пространстве, чем автомобильный, то сравнительно легко организовать обдув ореб-ренйя цилиндра (ов) встречным потоком воздуха, как это обычно и делается. Способ охлаждения, соединяющий в себе жидкостное и воздушное охлаждение, принято называть комбинированным.

Известно, что при форсировании двигателя изменяются условия теплового нагружения его основных деталей. Эффективность системы охлаждения должна определяться прежде всего количеством тепловой энергии, подлежащей отводу в систему охлаждения. Это обусловлено тем, что необходимо предотвратить превышение максимально-допустимых температур наиболее ответственных деталей двигателя. При повышении степени сжатия происходит увеличение индикаторного к.п.д, что при прочих равных условиях приводит к увеличению эффективного к. п. д. В результате увеличивается доля тепловой энергии, эквивалентной эффективной работе и вместе с тем уменьшаются потери тепла в систему охлаждения и с отработавшими газами. Для оценки степени изменения количества тепловой энергии, отводимой в систему охлаждения карбюраторного двигателя Поспелов Д.Р. использовал результаты опытов О. Шея, который установил, что:

Qc. о. - —j= } откуда получил:

Qc.o.l _ }Si

Q c. 0.2 \ ßi

Анализ влияния S/D на теплоотдачу в стенки внутрицилиндро-вого пространства затрудняет тот факт, что при изменении данного параметра площади поверхностей стенок основных деталей, непосредственно соприкасающихся с рабочими газами, изменяются неоднозначно. Поэтому в данном случае целесообразнее говорить о перераспределении тепловых потерь в стенки между основными деталями, что вызывает изменение их теплового состояния. Изменение S/D при прочих равных показателях ( б, п) вызывает изменение средней скорости поршня ( сш ), что по мнению некоторых исследователей должно привести к изменению условий теплоотдачи внутри цилиндра. Однако проф. Костровым A.B. было теоретически и экспериментально доказано, что коэффициент теплоотдачи в большей степени зависит не от скорости поршня, а от скорости горючей смеси в отверстии впускного клапана, так как данный показатель более точно оценивает вихревые движения газа в цилиндре. При условии Vh=const, n=const скорость горючей смеси в отверстии впускного клапана, а следовательно и интенсивность теплоотдачи внутри цилиндра аг> будет в первую очередь определяться конструкцией впускных органов двигателя и никак не зависеть от S/D. Изменение S/D, ограниченного условием Vh=const вызовет изменение тепловос-принимающей поверхности цилиндра F, что приведет к другому количеству тепловой энергии, отводимой через его стенку. Аналитически лепсо доказать, что:

Исходя из полученного выражения следует, что изменение S/D при условии Vb=const, D=const и e=const, вызывает изменение тепловых потерь в стенки цилиндра обратно пропорциональное относительному изменению его диаметра.

При форсировании двигателя по номинальной частоте вращения коленчатого вала увеличивается количество теплоты, подлежащей отводу в систему охлаждения, потому что увеличивается количество рабочих циклов в единицу времени и тем самым общее количество выделяемой тепловой энергии. Количество теплоты, передаваемое че-

Fi D2 Qc.0.1

F2 Dl Qc.O.2

«

рез единицу поверхности внутрицилиндрового пространства охлаждающей среде равно ( см. рис. 1):

^охл = —~--— Кохл —

8 1 6 1

— + — — +—

Я а* X а*

б - толщина стенки;

X - теплопроводность материала стенки;

а, - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности охлаждающей среде;

& - температура точки тела; ^ - средняя за цикл температура рабочих газов;

и д^с. - температура охлаждающей среды и ее приращение в приграничном слое.

Коэффициент кв1л определяет эффективность системы охлаждения. Таким образом, повышение теплопередачи через стенки может быть обеспечено 2 способами, не зависящими от типа системы охлаждения:

- повышением X стенок;

-повышением а, внешней теплоотдающей поверхности.

Некоторое время основным конструкционным материалом цилиндров являлся чугун. Это объяснялось его дешевизной, низким коэффициентом трения, износоустойчивостью, легкостью литья и механической обработки. Однако, при форсировании двигателей тепловой режим чугунных деталей оказывался чрезмерно высоким из-за низкой X материала. Кроме того, его большая плотность не позволяла снизить массу конструкции. Поэтому в быстроходных поршневых двигателях современных автомобилей и мотоциклов широко применяются алюминиевые сплавы. Теплопроводность алюминия в 3 раза выше, чем теплопроводность чугуна; алюминий легче чугуна, хорошо отливается и обрабатывается. К основным недостаткам алюминия следует отнести снижение прочности материала при температурах выше 200 *С, невысокую износостойкость и вместе с тем высокую себестоимость. Наиболее сложной является задача создания внутренней поверхности цилиндра, обладающей достаточной износостойкостью и антифрикционными, прежде всего противозадирными свойствами.

В общем случае коэффициент теплоотдачи в охлаждающую среду ( без изменения ее агрегатного состояния) является функцией следующих параметров:

и - скорость охлаждающей среды;

р, Ср, X, 0 - коэффициент динамической вязкости, теплоемкость, коэффициент теплопроводности и объемного расширения охлаждающей среды;

у-плотность охлаждающей среды;

g-ускорение свободного падения;

(1,1, Б - параметры геометрических размеров и формы теплоотдаю-щей поверхности.

Следует отметить, что при жидкостном охлаждении всегда есть возможность оптимизации а. за счет подбора физико-химических параметров охлаждающих жидкостей ( щ Ср, X, р, у ), в то время как в случае организации воздушного охлаждения остается возможность изменять лишь параметры воздушного потока (о, у ) и геометрические размеры и форму тешгоотдающей поверхности ( (1,1, Б). Кроме того, теплоемкость воздуха во много раз ниже теплоемкости охлаждающих жидкостей, а это приводит к малой интенсивности теплоотдачи в воздух. Для компенсации этой разницы при воздушном охлаждении становится важным оребрение теплоотдающих поверхностей (увеличения площади поверхности охлаждения).

Известно, что экспериментальное определение количества теплоты, отдаваемое в единицу времени охлаждающей среде, в двигателе с воздушным охлаждением является более сложной задачей, чем в двигателях с жидкостным охлаждением. Поэтому представляет интерес рассмотрение экспоненциального метода изучения теплоотдачи авиационных двигателей воздушного охлаждения при помощи неустановившихся тепловых режимов, разработанного Кудрявцевым Е.В. Общим содержанием его работы является распространение теории регулярного режима, разработанного Кондратьевым Г.М. ( см. рис. 2 ), на задачи, связанные с нагреванием твердого тела. Для нагрева элемента тела при нестационарном процессе теплообмена ( см. рис. 3 ) справедлива формула:

Ро-бт = в с йв + ¥о а*-в йт (1)

Р„ - мощность постоянного источника тепла; в-масса стенки;

с - теплоемкость материала стенки;

Е. - площадь теплоотдающей поверхности;

в - разница температуры элемента тела и охлаждающей среды;

т - реальное время. ' -

±

Рис. 1. Схема теплообмена в ДВС.

т

'И Т\ Т2 Т

Рис. 2. Характер изменения температуры произвольной точки тела при регулярном режиме ( нагрев ).

Рис. 3. Схема нестационарного теплообмена.

Введя масштабы времени Т и температуры 6Ш Кудрявцевым Е.В. были получены окончательные формулы:

К-ш Бо а. 1 J

вт*&т = Т-&9 + 6-Лт (2) в — От

— е

Т (3 )

во- вт

д — вт X / л \

1п-= -ш ■ — (4)

во -вт Т

в-С

а* = •—— (5)

Го

д-л

^сс -среднее значение тангенсов углов наклона прямых ^(г),

всех точек замера температур (элементов тела). А=0Ш - параметр экспоненциального метода, определяемый аналитически по экспериментальным температурным кривым неустановившегося теплового режима;

Жр

6р,&р -средние поверхностные температуры тела; вт>, Зу - средние объемные температуры тела. Если ввести ограничение по критерию Био Вь->0, то выполняется условие \у-»1.

Основным достоинством данного метода является тот факт, что при экспериментальном изучении внешней теплоотдачи деталей двигателя воздушного охлаждения отпадает необходимость в непосредственном измерении расхода охлаждающего воздуха. Кроме того, экспоненциальный метод может быть применим и для определения коэффициента теплопередачи через стенку к охлаждающей среде тем более, что а» и к»** по своему физическому смыслу очень похожи и имеют одинаковую размерность [ Вт/м2-с ]. Разность заключается в том, что а, определяет интенсивность теплообмена между внешней ( теплоотдающей) поверхностью тела и охлаждающей средой (), а Кфхл между внутренней (тепловоспринимающей) поверхностью тела ( Р) и охлаждающей средой. Формулу ( 5) можно записать в следующем виде:

Кохл = - ^ ° ( 6 )

В заключении второй главы сформулированы факторы, обосновывающие целесообразность применения комбинированного охлаждения на двигателях тяжелых мотоциклов, позволяющего реализовать более низкий и стабильный тепловой уровень головок цилиндров ( жидкостное охлаждение ) и более высокий тепловой уровень цилиндров (воздушное охлаждение):

D улучшение наполнения двигателя при работе на больших нагрузках, что повышает его мощностные показатели;

□ снижение температурного уровня теплового состояния головки цилиндра при прочих равных условиях снижает вероятность детонационного сгорания топлива;

О положительное влияние на форсирование двигателя по п и е;

О более простое решение вопросов повышения эффективности охлаждения (по отношению к воздушному охлаждению);

О понижение (по сравнению с жидкостным охлаждением ) общих потерь тепла в стенки;

□ повышение скорости прогрева стенок цилиндра, что должно благоприятно сказываться на уменьшении интенсивности износа ци-линдро-поршневой группы при холодном пуске двигателя.

К недостаткам комбинированного охлаждения следует отнести:

П ограничение климатических условий эксплуатации физико-химическими свойствами охлаждающей жидкости;

□ некоторые сложности при организации такого типа охлаждения на мотоциклетных двигателях с числом цилиндров более 2х.

При создании систем комбинированного охлаждения двигателей тяжелых мотоциклов целесообразно рекомендовать уменьшение S/D (т.е. увеличение D при Vh=const), так как в данном случае будет уменьшаться количество теплоты, отводимое в стенки цилиндра. Кроме того, в качестве материала для цилиндров необходимо применять алюминиевые сплавы с нанесением упрочняющих покрытий на рабочую поверхность.

В третьей главе дано описание методов исследования и составлена программа экспериментальных работ.

Проведение исследований предусматривает снятие регулировочных характеристик по составу горючей смеси при наивыгоднейших углах опережения зажигания на разных скоростных режимах при полном открытии дросселя. Выбор такой зоны рабочих режимов, подвергаемых исследованию, объясняется тем, что реализация принципа раздельного охлаждения двигателя с искровым зажиганием наиболее эффективна при больших нагрузках. В данном случае нас будет интересовать только изменение энергетических показателей, так

как при работе двигателя на нагрузках близких к максимальным горючая смесь должна иметь мощностной состав.

Для практического определения к,„ при помощи неустановившихся тепловых режимов необходимо организовать измерение температур в определенных точках в режиме реального времени. Важно чтобы характер изменения температур в выбранных точках замера соответствовал изменению температур тепловоспринимающей поверхности. Для этого термопары следует устанавливать максимально близко к тепловоспринимающей поверхности детали.

В формулах ( 5 и б ) в подразумевает массу стенки в которой накапливается тепло при неустановившемся тепловом режиме. Поскольку практическое ее определение затруднено, то формулу (6) для цилиндра можно записать в следующем виде:

-— - в + я ...

кохл = Хйа р-5 -с——— (7)

В случае гильзованного ( биметаллического ) цилиндра формула (7 ) примет вид:

Каи = 1еа-(/Л-д1-СХ--+ 02-02'С2---—) ( 8 )

Б Т)*2-8\

р - плотность материала стенки;

с1} с2 - теплоемкость материала гшгьзы и рубашки охлаждения; 8» 5», 82, - толщина стенки монометаллического цилиндра, гильзы и стенки рубашки охлаждения биметаллического цилиндра.

Задачей эксперимента являлось убедиться в экспоненциальном характере кривых изменения температуры по времени в каждой измеряемой точке, а также определение относительного изменения к.» при различных конструкциях цилиндров воздушного охлаждения.

Последовательность действий при обработке результатов экспериментов следующая: О вычисление А по формуле:

А = вг2~в1вг 2-02-(01+0З)

61,62,63 - три экспериментальных значения температур, взятых через равные интервалы времени.

Для экспериментальных кривых целесообразней использование возможно большего участка кривой или нескольких участков с последующим усреднением полученных значений параметра А.

О если в эксперименте достигалось стационарное состояние, то для подтверждения экспоненциального характера температурных кривых необходимо проверить отношение бя/А;

п , 0-А

О вычисление 1п-—

въ- А

п , в~А т

О вычерчивание прямых уравнения 1п——- = ;

во — А Т

О вычисление тангенса угла наклона tga для каждой прямой

□ вычисление среднего значения- tga ;

□ вычисление относительного изменения к»„ для различных конструкций исследуемых деталей, используя формулы (7) и (8).

Четвертая глава посвящена описанию объекта исследования и экспериментальной установки.

В качестве объекта исследования был выбран двигатель мотоцикла "Урал" модели ИМЗ-8.103.10 производства АО "УРАЛМОТО" г. Ирбит. Особенность его конструкции позволила весь объем экспериментальных работ провести при соблюдении следующего необходимого условия: все модификации объекта исследования собираются при сохранении одних и тех же кривошипно-шатунного и газораспределительного механизма, картера двигателя, коробки перемены передач и с неизменными системами питания, зажигания и смазки. Это дало возможность четко выделить влияние отдельных факторов на исследуемые показатели.

Оборудование стенда и необходимая контрольно-измерительная аппаратура полностью удовлетворяет условиям моторных испытаний по ГОСТ 14846-91 и имеет добавочный измерительный комплекс для решения специальных экспериментальных задач в который вошли: система автоматизированного замера расхода воздуха и топлива, система измерения температур в режиме реального времени, система измерения температуры отработавших газов. Перечисленное исследовательское оборудование и аппаратура были спроектированы, изготовлены и введены в эксплуатацию по предложению и непосредственном участии автора.

В пятой главе рассмотрены результаты проведенных автором экспериментальных исследований, которые подтвердили, что применение комбинированной системы охлаждения двигателей тяжелых мотоциклов позволяет увеличить их энергетические показатели при работе на больших нагрузках по сравнению с традиционной системой воздушного охлаждения с естественным обдувом. Так при ох-

лаждении головки двигателя водой с температурой, поддерживаемой в диапазоне 90-100 °С крутящий момент, развиваемый двигателем увеличивается ( по сравнению с воздушным охлаждением) на 2-4% при частотах вращения коленчатого вала 2500-3500 мин"1. ). При частоте вращения более 4000 мин"1 повышение крутящего момента существенно снижается. Это объясняется тем, что при данном скоростном режиме работы заметно (на 4% ) увеличиваются механические потери в двигателе с комбинированной системой охлаждения. Таким образом, рост крутящего момента за счет увеличения наполнения цилиндров свежей горючей смесью нейтрализуется увеличением потерь на привод насоса системы охлаждения. При понижении температуры охлаждающей головку воды до уровня 50-70 °С наблюдается дальнейший рост крутящего момента 6-4% на всех исследованных частотах вращения (по сравнению с воздушным охлаждением), причем меньшее относительное увеличение крутящего момента наблюдается при частотах вращения выше 4000 мин"1. На рис. 4 дан пример регулировочных характеристик по составу горючей смеси и наивыгоднейшем угле опережения зажигания при различном способе охлаждения двигателя.

Исследование цилиндров воздушного охлаждения разных конструкций показало, что по совокупности показателей наиболее удачным следует признать вариант алюминиевого цилиндра с упрочняющим покрытием рабочей поверхности. Тепловая инерция алюминиевого цилиндра ниже чугунного на 8%, а гильзованного на 12%. Применение алюминиевых цилиндров, по сравнению с чугунными цилиндрами, увеличивает теплопередачу в охлаждающую среду в 1.26 раза. Кроме того, алюминиевый цилиндр обладает пониженной массой ( 2.0 кг против 2.7 кг у гильзованного и 4.0 кг у чугунного ). На рис. 5 показано изменение температур в режиме реального времени в стенке алюминиевого цилиндра, которое носит экспоненциальный характер, что подтверждает положения, изложенные в теоретической части диссертации. За время эксперимента (10 мин.) осуществлялся переход цилиндра из одного стационарного теплового состояния в другое, вызванный резким увеличением нагрузочного режима работы двигателя при неизменных частоте вращения коленчатого вала и скорости обдува охлаждающим воздухом. Опрос всех 12™ датчиков температур осуществлялся с частотой в 0.1 Гц. На рис. 6 представле-, д-А

ны прямые функций построенные для каждой детали по

трем тождественным экспериментам.

1б

Ые, кВт 12

10 9

2 3 4 5 вТ, п=2500 мин' 100% др. *%

Рис. 4 Регулировочные характеристики' по составу горючей смеси при наивыгоднейшем угле опережения зажигания и различных способах

охлаждения двигателя.

1 - алюминиевый цилиндр; 2-чугунный цилиндр;

3 - гильзованный цилиндр;

4 - головка цилиндра.

IS

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что комбинированная система охлаждения позволяет реализовать дальнейшее повышение энергетических показателей современных двигателей тяжелых мотоциклов.

2. Разработанный метод исследования теплопередачи с использованием экспоненциальных процессов изменения температур,, может быть рекомендован для практического применения при создании перспективных и в том числе комбинированных систем охлаждения.

3. Для обеспечения в широком диапазоне режимов стабильного и более низкого теплового состояния головок цилиндров, целесообразно реализовать жидкостное охлаждение, а тепловое состояние цилиндров обеспечить на более высоком уровне, сохранив обычное для мотоциклетных двигателей воздушное охлаждение.

4. При стендовых испытаниях применение комбинированного охлаждения двигателей тяжелых мотоциклов позволяет увеличить их энергетические показатели на 5-6% по сравнению с двигателями, имеющими воздушную систему охлаждения с естественным обдувом.

5. Анализ механизма теплообмена однозначно дает основание рекомендовать в качестве материала цилиндра использовать сплавы на основе алюминия с упрочняющим покрытием рабочей поверхности.

6. Изготовление цилиндра из алюминиевого сплава с нанесением упрочняющего покрытия на рабочую поверхность, позволяет снизить его массу в 2 раза по сравнению с чугунным вариантом и в 1.35 раза по сравнению с гильзованным, а так же уменьшить тепловую инерцию на 8% по сравнению с чугунным и на 12% по сравнению с гильзованным цилиндром.

7. Применение алюминиевых цилиндров с упрочняющим покрытием рабочей поверхности, по сравнению с чугунными цилиндрами, увеличивает теплопередачу в охлаждающую среду в 1.26 раза.

8. Комбинированная ( воздушно-жидкостная ) система охлаждения, при соответствующей конструктивной и технологической разработке, может явиться одним из путей дальнейшего развития двигателей тяжелых мотоциклов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Перминов И.Н. Система автоматизированного замера расхода воздуха и топлива/ Автомобильные и тракторные двигатели. Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск ХШ. - М: МАМИ, 1996.

2.Перминов И.Н. Система автоматизированного замера расхода воздуха и топлива / Тезисы докладов международной научно-технической конференции "100 лет РОССИЙСКОМУ АВТОМОБИЛЮ. ПРОМЫШЛЕННОСТЬ И ВЫСШАЯ ШКОЛА." - М: НАМИ, 1996.

3.Перминов И.Н. Автоматизированное измерение расходов воздуха и топлива// Грузовик, №9 1997.

4. Перминов И.Н. Особенности комбинированного охлаждения мотоциклетных двигателей при их применении на малых грузовых транспортных средствах// Грузовик, №5 1998.

5. Перминов И.Н. Особенности комбинированного охлаждения мотоциклетных двигателей / Автомобильные и тракторные двигатели. Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск XIV. - М: МАМИ, 1998.

Перминов Илья Николаевич

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

"ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПРЕДПОСЫЛОК К ПРИМЕНЕНИЮ КОМБИНИРОВАННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

ДВИГАТЕЛЕЙ ТЯЖЕЛЫХ МОТОЦИКЛОВ."

Лицензия ЛР № 021209 от 17 апреля 1997 г. Подписано в печать 16.04.98 Заказ 103-98 Тираж 80 Бумага типографская_Формат 60x90/16_

МГТУ "МАМИ", Москва, 105839 Б. Семеновская ул., 38