автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка и исследование системы охлаждения наддувочного воздуха дизелей грузовых автомобилей

министерство науки, еысшеи школы и техническом

Р Г 3 qполитики российской федерации

московская государственная академия автомобильного - и |;.:'я и трактошого машиностроения

На правах рукописи УДК 621. 43

ЗАГИДУЛЛИН Рафгать Якубович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА ДИЗЕЛЕИ ГРУЗОВЫХ АВТОМОЕШ1ЕИ

С05. 04. 02 - теплоЕые двигатели}

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа в1ш0.пнена в акционерном обществе КАМАЗ.

Научны?} руководитель - доктор технических наук, профессор

Ю. С. Кустарев.

Официальные оппонента: доктор технических наук, старший

научный сотрудник A.B. Денисов, кандидат технических наук, старший научный сотрудник А. Б. Азбель.

Ведущее предприятие - НПЯ? "Турботехника" г. Чех0Е0.

Защита диссертации состоится "¿9 1993 г.

в_часов на заседании специализированного совета К063.Д9.СМ

г.

при Московском автомеханическом институте по адресу: 105839, Москва, Б. Семеновская ул. , 38, МАМИ, ауд. Б-301.

С диссертацией ношено ознакомиться в библиотеке института.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенных гербовой ' печатью учреждения, просим направлять по адресу института.

Автореферат разослан "¿'S" tW _1993 г.

Ученый секретарь Специализированного совета канд. техн. наук,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На нынешном этапе развития дизелей, в том теле и для грузовых автомобилей, .охлаждение наддувочного воздуха является наиболее эффективным средством улучшения их технико-экономических I экологических показателей.

Разработчики систем ОНВ дизелей грузоЕых автомобилей сталкиваются ; дополнительными трудностям!, т. к. эти двигатели работают в широком шапазоне скоростей и нагрузок, эксплуатационных условий, возникает фоблема размещения системы ОНВ в моторном отсеке, а также согласования ?е с системой охлаждения двигателя.

Ввиду многообразия определяющих факторов, с которыми имеют дело .Разработчики систем ОНВ, к настоящему времени предложено большое гасло схем этих систем, сопостовление показателей которых затруднено 13-за отсутствия объективных данных по эффективности их применения в ¡головнях эксплуатации. В настоящее время не отработана общепризнанная методика сравнения и оценки эффективности системы ОНВ дизелей грузовых 1втомобилен.

Остается актуальным исследование влияния ОНВ на параметры дизелей грузоЕых автомобилен, т. к. установка системы ОНВ приводит к существен-зым изменениям работы систем двигателя: системы охлаждения и воздухо-:набжения, а таете на протекание рабочего процесса.

Большой резерв повышения эффективности системы ОНВ дизелей грузовых автомобилей заключается в оптимизации ее элементов, в частности, в разработке высокоэффективных алюминиевых охладителей.

В настоящее время недостаточно исследована проблема регулирования температуры наддувочного воздуха дизелей грузоЕых автомобилей, которая должна решаться как составная часть регулирования двигателя.

Цель работы. Повышение эффективности и уменьшение сроков создания нового поколения систем ОНВ дизелей грузовых автомобилей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана методика сравнения и выбора системы ОНВ автомобильного дизеля и оптимизации ее элементов:

- разработана математическая модель дизеля с системой ОНВ в составе турбопоршневого двигателя;

- исследовано влияние охлаждения наддувочного воздуха на индикаторные и эффективные показатели двигателя, в том числе на экономические, токсичность и дымность отработавших газов СОГ), на его тепловой баланс и тепловое состояние деталей ЦПГ, на работу турбокомпрессора;

и

- определена оптимальная температура наддувочного воздуха при разных режимах работы двигателя и предложены способы ее регулирования,

- впервые предложена и разработана система ОНВ с оокоеым входом и центральным выходом наддувочного воздуха.

Новизна и прпоретит предложенных решений подтверждены авторскими свидетельствами СССР на изобретения.

Практическая знач1шость. Разработана методика для сравнения разных схем систем ОНВ, критерием эффективности где принято значение удельного расхода топлива ge двигателя с рассматриваемой системой, что позвляет выбрать систему ОНВ, максимально удовлетворяющую условиям эксплуатации двигателя.

Разработана математическая модель дизеля с ОНВ, которая позволяет провести расчетные исследования разных систем ОНВ в составе двигателя во всем диапазоне режимов работы и условий эксплуатации, что существенно уменьшает обьем экспериментальных работ и сокращает сроют разработки

Разработаны системы ОНВ типа "воздух-воздух" с передним расположением воздухоохладителя, позволяющие увеличить мощность двигателей на 15-25 * при снижении удельного расхода топлива на 3-5 %.

Показана реальность достижения высокой тепловой эффективности Сболее 90%) в системе ШВ класса "воздух-воздух" с передним расположением воздухоохладителя и центральным выходом наддувочного воздуха при уменьшении его металлоемкости на 20-30 % по сравнению с классической конструкцией воздухоохладителя Сс боковым выходом). Установка системы ШВ с центральным выходом на V - образных двигателях позволяет существенно упростить компоновку подводящих и отводящих трубопроводов в мо1-торном отсеке автомобиля.

Разработана система ОНВ типа "жидкость-воздух" для установки на двигателях, эксплуатируемых в условиях Севера.

Разработаны и созданы прогрессивные конструкции высокоэффективны:: компактных алюминиевых воздухоохладителей трубчато-ленточного типа.

Разработаны рекомендации по выбору радиатора, вентилятора, агрегата его привода, турбокомпрессора для двигателей грузовых автомобилей с системой охлаждения наддувочного воздуха.

Исследованы пределы регулирования температуры наддувочного воздуха при разшп: условия:: эксплуатации, предложены способы регулирования.

Основные результаты диссертационной работа Енедрены на Акционерном Обществе КАМАЗ. В тон числе использованы следующие этапы работ: разработка и исследование систем ОНВ типа "воздух-воздух" с передним

расположением водухоохладителя и типа "жидкость-воздух"; разраоотка компактных теплообменников-воздухоохладителей: программы расчета и оптимизации дизеля с ОНВ; рекомендации по выбору конструктивных пополнений элементов систем ОНВ и охлаждения двигателя; исследования по регулированию температуры наддувочного воздуха.

Автомобили КАМАЗ, оснащенные системой ОНВ, спроектированной на основе результатов данной работы, получили призовые места на престижны:-: международних соревнованиях С "Парта-Дакар" и др. ).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы повышения эффективности систем ОНВ дизелей грузовых автонобилей и сформулированы основные результаты исследования.

В первой главе дается общая оценка современного состояния, тенденций и перспектив развития систем ОНВ дизелей грузовых автомобилей.

В настоящее время предложено большое количество разных схем систем ОНВ, в том числе типа "воздух-воздух" с передним расположением воздухоохладителя Срис. I) и с автономным агрегатом прокачки охлаждающего воздуха: типа "жидкость-воздух" с подводом охлаждающей жидкости из слога двигателя и с дополнительным охладителем жидкости "переохладителем" Срис. 3, 4). Такие оригинальные схемы систем ОНВ, как расширительные системы (способ Миллера или с турбодетандеромЗ, испарительные системы ОНВ, а также с применением низкотемпературных жидкостей типа фреон пока не получили применения ввиду конструктивной сложности. Предварительные исследования систем ОНВ с автономными агрегатами прокачки охлахдамцего воздуха показали их неэффективность ввиду обеспечения малого расхода охлаждающего воздуха и в дальнейшем они не рассматриваются.

В данной диссертационной работе предлагается и исследуется новая оригинальная схема системы ОНВ с передним расположением воздухоохладителей с центральным выходом для V - образных двигателей Срис. 2).

Выше проведенный анализ показывает, что предложены различные варианты схем систем ОНВ, но не отработаны рекомендации для их применения на дизелях грузовых автомобилен для конкретных условий эксплуатации.

В настоящее время не разработана общепризнанная методика определения эффективности той или иной системы ОНВ и ее элементов, хотя исследованию и сравнению разных систем ОНВ транспортных дизелей посвящено эолыпое число работ отечественных: Азбеля А. Б., Бажана П. И., Богодя-«са И. П. , Добровольского В. В., Зайченко Е. И. , Кустарева Ю. С., Клименко-

Еа В. Б., Молодцова Н. И., Капустина В. В. , Николаева Ю. А.. Симеона А. Э., СахареЕича В. Д. и др. и зарубежные авторов: Аги К., Берга Р., Еалне-ра Р., Керна Н., Капера Н., Моранна И. , Расса Г., Ричардса Р. п др. Выше указанными авторами предложены разные критерии сравнения эффективности систем ОНВ. Наиболее простым и распространенным из них является термический к. п. д. системы Е. Используются также такие критерии, как коэффициент повышения плотности наддувочного воздуха рг, коэффциент восстановления полного давления а г, к. п. д. системы воздухоснабжения пев, к. п. д. системы ОНВ тюнв, энергетический критерий системы Ьэн. Зарубежные авторы применяют как критерии совершенства системы ОНВ коэффициент регенирации плотности лг и так назнаемый "50 % - эффективность".

Все перечисленные критерии носят такой крупный недостаток, гак неуниверсальность и не отражают все последствия, вносимые установкой системы ОНВ на двигатель.

Это особенно актуально при разработке систем ОНВ дизелей грузовых автомобилей, т. к. при этом приходится сталкиваться с такими дополнительными проблемами, как размещение трубопроводов наддувочного воздуха в моторном отсеке, согласование работы блока "воздухоохладитель-радиатор-вентилятор" в широком диапазоне изменения нагрузок и условий окружающей среды.

Большой резерв в повышении эффективности выбранной системы ОНВ находится в оптимизации элементов системы: воздухоохладителей, трубопроводов, а для систем ОНВ типа "воздух-воздух" с передним расположением - также совместной работы блока "воздухоохладитель-радиатор- вентилятор".

Как было отмечено выше, практически не проработано регулирование системы ОНВ дизелей грузовых автомобилей.

Для решения этих проблем поставлены следующие задачи:

- разработка методики сравнения и выбора системы ОНВ, оптимизации ее элементов;

- разработка математической модели дизеля с системой ОНВ;

- изучение влияния системы ОНВ на параметры двигателей, в тон числе при низких температурах окружающей среды, оптимизация параметров элементов систем ОНВ и охлаждения двигателя.

Вторая глава посвящена сравнению и Еыбору системы ОНВ дизелей грузовых автомобилей.

Разработана методика сравнения и шбора систем ОНВ транспортных

дизелей, где критерием эффективности принят эффективный к. п. д. пе или эффективный удельный расход топлива ge двигателя с данной системой. Эти параметры являются наиболее объективными критериями оценки эффективности, а также при известном ge появляется возможность определения технико-экономического эффекта от применения двигателя с данной системой ОНВ в народном хозяйстве. Анализ параметров, составляющих ge, позволяет определить пути оптимизации элементов систем ОНВ. Нераспространение в настоящее время этой методики объясняется тем, что для расчетных исследований эффективных показателей двигателя с системой ОНВ необходимо применять сложную математическую модель.

Удельный расход топлива ge определяется из выражения:

at- - ——. = -—- Гг/н-Р.т*ч1

Не» 1000 nHi-ilMex-tlB-Hr-ИЖ!» 1000 U'KDI 41

' Для сравнения эффективности разных систем ОНВ удобно пользоваться значением снижения удельного расхода топлива Age при введению! охлаждения наддувочного воздуха:

Дge = геб - ge fr/кВт], где

g<?6 - удельный расход топлива базового двигателя без ОНВ,

ge - удельный расход топлива двигателя с ОНВ.

Рассмотрим, как влияют на Age отдельные составляющие Не.

Значение индикаторной мощности Mi при установке разных систем ОНВ зависит только от степени охлаждения наддувочного воздуха ATs.

Мощность механических потерь Нмех состоит из суммы потерь на трение Нтр и насосных потерь Ннх:

Нмех = Нтр +■ Них.

Мощность потерь на трение Ытр практически не зависит от установки той или иной системы ОНВ. Мощность насосных потерь повышается при увеличении расхода воздуха Gr, что является следствием снижения температуры наддувочного воздуха А Ts.

Ввиду незначительного изменения к. п. д. турбокомпрессора пткр от установки тон или иной системы ОНВ, мощность для прокачки наддувочного воздуха Nr в конечном счете зависит от гидравлического сопротивления системы АРг и от расхода наддувочного воздуха Gr:

н _ Gr*APr r в ,

НГ - 1000«рг*лг lKßTJ'

Мощность для прокачки охлаждающего воздуха Нв при установке разных систем ОНВ зависит от потери давления в воздухоохладителе, когда основной радиатор двигателя остается неизменным:

в

tlB =

GpX»¿PpX

[кВт],

1000« PX*T|X

Мощность на прокачку ошдащей жидкости для системы ОНВ типа "воздух-воздух" остается неизменной для разных вариантов. Для системы ОНВ "жидкость-воздух" величина этой мощности будет зависеть от исполнения тракта подвода и отвода охлаждающей жидкости к охладителям наддувочного воздуха:

рация вредных веществ в 0Г и особенно tita. Концентрация частиц НОх в 0Г уменьшается при снижении температуры наддувочного воздуха ATs, поэтому система ОНВ с максимальным значением Еонв будет обеспечивать минимальное содержание НОх в ОГ.

Использование габаритно-массовых показателей систем ОНВ в качестве критерия оптимальности не позволяет объективно оценивать преимущество тон или иной системы ОНВ, однако, для общей оценки систем можно использовать такой параметр, как удельная тепловая мощность системы ОНВ:

Qohb - количество тепла, рассеиваемого воздухоохладителем, Gohb - суммарная масса всех агрегатов системы ОНВ. Критерием оптимальности элементов системы при проектировании или выборе также разумно считать конечный параметр пе, однако, для предварительного анализа можно принимать более простые параметры. Для воздухоохладителя тагами параметрами могут быть термический к. п. д. К и коэффициент восстановления давления наддувочного воздуха о г, для вентилятора к. п. д. т|в, при условии обеспечения требуемого расхода воздуха Gxp и напора ДРв. Критерием гидродинамического совершенства тракта по наддувочному воздуху принят коэффициент восстановления давления огт.

Для проведения расчетно-теоретических исследований была разработана математическая модель дизеля с ОНВ. В известных математических моделях дизелей система ОНВ учитывается обычно через коэффициент восстановления давления наддувочного воздуха о г и термический к. п. д. системы Е, где они остаются постоянными во всех режимах работы двигателя. Практически нет публикаций, учитывающих работы блока "Еоздухоохладитель--радиатор-вентилятор" на показатели двигателя. Слабым звеном в математических моделях турбонаддувных двигателей остается совместная работа

QOHB

_ Оонв

g0hb¡

где

дизеля с туроокомпрессором.

В предлагаемой настоящей работе математической модели выше отмеченные недостатки частично устранены. Для составления модели были использованы разработки автора (расчет блока "воздухоохладитель-радиатор-вентилятор", эффективных показателей двигателяJ и расчетные модули, приобретенные КАМАЗом у СПГТУ (С. Петербург) по х/д.

Расчетные программы реализованы на алгоритмических языках Фортран и Си и функционируют на персональных компьютерах типа PC хт/дт.

Математическая модель двигателя с системой ОНВ состоит из отдельных взамосвязанных подмоделей:

- расчет индикаторных показателей двигателя:

- расчет турбокомпрессора:

- расчет блока "воздухоохладитель-радиатор-вентилятор": ; - расчет гидродинамики тракта наддувочного воздуха:

- расчет эффективных показателей двигателя:

- расчет теплоотдачи в систему охлаждения двигателя:

- расчет тешюнапряженности деталей ЦПГ;

- расчет токсичности ОГ.

Расчет индикаторных показателей двигателя основан на решении системы дифференциальных и алгебраических уравнений, отражающих законы сохранения массы и энергии в рабочих процессах двигателя и турбокомпрессора. Тепловыделение в цилиндре может быть расчитано по выбору по методике Вибе, Пугачева и Разлейцева.

Для расчета турбокомпрессора использована методика аналитического описания кривых многопараметровой характеристики ступеней турбины и компрессора.

При расчете блока "воздухоохладитель-радиатор-вентилятор" определяется перераспределение охлаждающего воздуха между воздухоохладителем и незатененной частью радиатора, выходные параметры теплоносителей в воздухоохладителе и радиаторе, тепловой расчет которых основан на нто - методе. *

Расчет гидродинамики тракта по наддувочному воздуху состоит в определении гидравлического сопротивления тракта путем его разбиения на характерные участки: расширения и повороты, прямые участки, тройники и гофрированные патрубки, подводящие и отводящие коллекторы охладителя.

В результате расчета эффективных показателей двигателя определяются такие параметры, как: Не, Ре, w и ге и др. При этом величина эффективной мощности Не складывается из отдельных составляющих Сем. выше).

ю

Расчет теплоотдачи в систему охлаждения позволяет определить величину теплосброса в систему охлаждения двигателя при разных режимах работы и условий окружающей среды. Общий теплообмен в цилиндре расчит! вается как результат суммы конвективного и лучистого теплообмена.

Расчет теплонапряжености деталей построен на базе уравнения теп-лопрводности применительно к осесимметричной форме, который реализуете путем разбиения детали на конечные элементы.

Расчет дымности ОГ основан на современных физико-химических пред ставлениях о механизме сгорания углеводородных топлив. На основе методики расчета концентрации окислов азота в ОГ лежит схема цепных реакций, предложеннная Я. Б. Зельдовичем.

Исходя из анализа исполнения схем систем ОНВ С гл. I), были исследованы следующие схемы систем ОНВ, имеющие практическую ценность:

- система "воздух-воздух" с передним расположением воздухоохлади теля с классической схемой подвода и отвода наддувочного воздуха: с бо ковым входом и боковым выходом СВВ-РБЭ Срис. I);

- оригинальная схема типа "воздух-воздух" с передним расположени ем с центральным выходом наддувочного воздуха СВВ-РЦ) Срис.2];

- система "жидкость-воздух" с подводом охлаждающей жидкости из блока двигателя СВЖВ-Б) Срис. 33:

- система "жидкость-воздух" с дополнительным охладителем жидкост] "переохладителем" СВ1В-Ю Срис. 4).

Результаты исследований показали, что наивысший термический к.п.д. Е = 0.35 — 0.93 имеет система ОНВ "воздух-воздух" с передним расположением воздухоохладителя, где более высокие значения соответствуют системе с центральным выходом.

Системы ОНВ с промежуточным теплоносителем имеют меньший термический к.п.д. Е = 0.75. ..0.80, большие значения которого относятся к системе с переохладителем, а низкие к системе с подводом охлаждающей жидкости из блока двигателя. Та же закономерность сохраняется по коэффициенту повышения плотности о г. *

Для систем ВВ-РБ и ВВ-РЦ рг = 1.24... 1.26, а для ВЖВ-Б и ШШ-П рг = 1.12. . .1.14.

Эффективные показатели двигателя КАМАЗ-7406 с разными системами ОНВ представлены в виде нагрузочной характеристики на рис. 8.

Анализ кривых показывает, что наибольшей эффективностью обладают системы с передним расположением воздухоохладителя, в особенности с центральным выходом наддувочного воздуха. На номинальном режиме при

n = 2200 об/мин система с передним расположением воздухоохладителя позволяет снизить удельный расход топлива по сравнению с базовым двигателем без ОНВ на Age = 3...10 г/кВт* ч. Эффективный к. п. д. повышается при этом с 0. 35 до 0. 4L .. 0. 42, дыыность ОГ снижается на 8... 10 единиц Хар-триджа. На режиме максимального крутящего момента эти параметры выглядят следующим образом: Age = г/кВт* ч, Д-пе - 0.02...0.03 и дым-ность снижается на 12... 15 ед. X. Лучшие значения соответствуют системе ВВ-РЦ. Худший эффект достигается при установке на двигатель системы ОНВ с промежуточным теплоносителем: Age - 3...4 г/кВт*ч. Система В1В-П имеет лучшую экономичность чем система ВЖВ-Б на I. 0... I. 5 г/кВт*ч.

С целью выяснения того, какие факторы являются определяющими при формировании удельного расхода топлива в* двигателя при установке той или иной системы ОНВ был проведен расчетный анализ, результаты которого представлены в таб. I.

Таблица I.

Тип Hi Нг Нв Нж Нмех !1е ge Age

системы ОНВ кВт кВт кВт кВт кВт кВт 1 г/кВт* Ч г/кВт*Ч

без ОНВ 240 0.5 3.5 3 44 189 222 -

ВВ-РБ 260 4.2 4.8 3 53 195 215 7

ВВ-РЦ 261 1.8 5.2 3 54 197 213 9

ВЖВ-Б 251 0.7 3.5 4 51 192 219 3

Е1В-П 252 0.6 4.4 4.5 50 193 218 4

Расчеты были проведены яри часовом расходе топлива двигателя ят - 42 кг/ч.

Если сравнивать системы ОНВ по удельной тепловой мощности, система с передним расположением воздухоохладителя превосходит систему с промежуточным теплоносителем I. 5... 2. О раза, хотя по массе ей уступает.

Из результатов исследований можно сделать вывод, что для эксплуатации двигателей при нормальных и жарких климатических условиях наилучшим образом подходят системы ОНВ с передним расположением воздухоохладителя, в частности, с центральным выходом для V -образных двигателей

Выбор системы СНВ для эксплуатации двигателя в условиях Севера рассматривается в главе 4.

Третья глава посвящена результатам экспериментальных исследований систем ОНВ, которые проведены с целью подтверждения результатов расчетно-теоретических исследований, в том числе для выявления влияния охлаждения наддувочного воздуха на параметры двигателя.

Моторные исследования проводились на установке с использованием

дизеля 8ЧН 12/12 СКАЫАЗ-74063, оснащенной стандартными приборами, а тагасе измерителями дыма, концентрации ыох и со в 0Г.

Моторная установка для исследования влияния ОНВ на индикаторнн показатели двигателя была укомплектована жидкостно-воздушным охладит лем наддувочного воздуха с подводом воды из заводской системы. Для и тации гидравлического сопротивления тракта по наддувочному воздуху б использованы сменные шайбы с разными проходными сечениями. Для индиц рования давлений в цилиндре использовался комплект аппаратуры ф. "avl Для исследования влияния ОНВ на индикаторные параметры, как наиболее характерные, приведены режимы при п = 2200 и 1000 об/мин по нагрузоч характеристике.

Моторная установка для исследования эффективных показателей дв гателя с разными системами ОНВ дополнительно оснащалась основным рад тором, а также мерным соплом для замера расхода охлаждающего Еоздуха, Испытания проводились по нагрузочной характеристике при п - 1000... ...2200 об/мин через 200 об/мин.

Для определения целесообразности регулирования температуры над дувочного воздуха исследовался также режим работы дизеля при низкой температуре окружающей среды,' который имитировался подводом воздуха для двигателя и продувки блока "воздухоохладитель-радиатор-вентилято] с улицы С зимой).

Для имитации гидравлического сопротивления тракта по наддувочнс воздуху были использованы сменные шайбы с разными проходными сечениш

Для проведения экспериментальных исследований были изготовлены варианты систем ОНВ: типа "воздух-воздух" ВВ-РБ и ВВ-ГЦ, с промежуток ным теплоносителем ВЖВ-Е и ВКВ-П Срис. 1-4Э.

В системах с промежуточным теплоносителем в качестве осноЬного охладителя наддувочного воздуха применялся алюминиевый охладитель сборной конструкции с лепесткообразннми теплопередающими ребрами со стороны наддувочного воздух. В варианте ВЖВ-П в качестве переохладите охлаждающей жидкости применялись 2 водяных радиатора BA3-2I08, соединенных последовательно.

Системы ОНВ типа "воздух-воздух" с передним расположением разрэ батывались 2-х вариантов: с боковым выходом СВВ-ЕБ) и центральным выг дом СВВ-РЦ). Охладители обеих вариантов были изготовлены методом пани из алюминия и имели трубчато-ленточную конструкцию. На обеих охладите лях со стороны охлаждающего воздуха были установлены жалюзийные ребра со стороны наддувочного воздуха для схемы ВВ-РЦ ребра, турбулпзировав

ные в виде отверстий, для схемы ВВ-РБ гладкие ребра.

Системы ОНВ были испытаны 3-мя вариантами вентиляторов: серийшп КАМАЗ, опытный КАМАЗ и пластмассовый ф. "Швитцер". Для привода вентил/ торов были использованы серийная гидромуфта КАМАЗ и вязкостная муфта ф. "Швитцер".

В качестве агрегата наддува наддува были использованы турбокомпрессоры ТКР7С-5 производства КАМАЗ и S2B ф. "Швитцер".

Было проведено комплексное исследование по определению влияния ОНВ на параметры двигателя: на индикаторные показатели при нормальных и низких температурах окружающей среды, на тепловой баланс двигателя г на тепловое состояние деталей ЦПГ, на токсичность и дымность ОГ, на ра боту турбокомпрессора.

Влияние степени охлаждения наддувочного воздуха на параметры рабочего процесса исследовалось для двигателя КАМАЗ-7406 при Не = const, т.к. на этом режиме wk, продолжительность и закон подачи топлива с понижением Ts изменяется незначительно. Результаты исследований представ лены на рис. 5, откуда исходит, что на режиме номинальной мощности снижение температуры на каждые 10 К приводит к снижению температуры начал

сгорания и максимальной температуры цикла на 13___15 К. Снижение темпе

ратуры воздуха во впускном коллекторе Ts с 390 до 320 К приводит умень шению угла задержки воспламнения в с 7... 8° до 5... 6° и вследствие это

го максимальная жесткость цикла dP/dpma* увеличивается с 4___5 до

5... 6 Па/град. При снижении Те коэффициент тепловыделения X j повышаете, за счет уменьшения тепловых потерь и более полного сгорания. Охлаждени наддувочного воздуха при нормальных условиях окружающей среды улучшает индикаторные показатели двигателя во всем рабочем диапозоне (рис. 7).

AIXQ тт т-.ТТТТТО СП Т»ТТ TlTTf*"*» mAVMTTTtt ТГ ТТ *Т Г\ -J ТТО ГТГТТО ТТ Т. TT/"-\t г »ГУ. ТТУ-ЧТ» « Ю ТРПТП ю тт

\jiiu liucoAiucic * «щ^игю.1 dunlin XV« лх. чх ла nw.rn.ii.ncwi JJ л uiu ^с^ах-лхчс ii|_/n

нон нагрузке с 0. 47... 0. 49 до 0. 50... 0. 52. На каждые 10 К снижения Ts индикаторный расход топлива gi снижается на 0. 4.. 0. 6 г.

При снижении Ts увеличиваеися работа насосных ходов Рнх из-за увеличения расхода воздуха Gr, что особенно заметно при высоких п, однако, повышение rii за счет выше перечисленных факторов гораздо больше.

При отрицательных температурах окруж. среды интенсивное охлаждение наддувочного воздуха приводит к ухудшению протекания рабочего процесса и вследствие этого к снижению индикаторных показателей двигателя. Это особенно сильно проявляется при низких частотах вращения к. в. и частичных нагрузках.

Охлаждение наддувочного воздуха является наиболее эффективным

средством уменьшения токсичности ОГ. Снижене Ts с 390 до 320 К приводит к снижению удельного выброса частиц НОх на 5. ..6 г/кВт*ч, при этом содержание частиц СО в ОГ повышается незначительно Срис. 9). По данным исследований ф. "Volvo" при малых нагрузках и частотах вращения к. в. и особенно при низких температурах окружающей среды концентрация НС может значительно повыситься.

Увеличние гидравлического сопротивления тракта по наддувочному воздуху ДРгт приводит к ухудшению эффективных показателей двигателя, что особенно сильно проявляется при низких частотах вращения к. в. При п = 2-00 об/мин и полной нагрузке, при повышешши дРгт с 6 до 13 кПа, ge повышается на 4... 5 г/кВт*ч, дымность ОГ увеличивается на 7... 8 ед. X. При ri - 1200 об/мин при повышении ДРгт с 0. 5 до 2.0 кПа. соответственно, Д ge = 6...7 г/кВт*ч, ДК = 14... 16 ед. X.

Охлаждение наддувочного воздуха влияет на работу турбокомпрессора: снижается температура Тт и давление Рт выпускных газов перед турбиной, вследствие чего уменьшается степень расширения газов в турбине пт. Это обстоятельство приводит к снижению оборотов пткр и, как следствие, к падению ттк и смещению точки совместной работы дизеля и агрегатов наддува в область пониженных к. п. д. компрессора Срис. 13), поэтому в некоторых случаях введение ОНВ требует перенастройки турбокомпрессора.

Охлаждение наддувочного воздуха приводит к перераспределению составляющих теплового баланса, в частности, на режиме номинальной мощности двигателя охлаждение наддувочного воздуха снижает теплосброс в систему охлаждения на 10___ 15%. Введение ОНВ заметно снижает теплонапря-

женность деталей ЦПГ: снижение Ts на каждые 10 К приводит к уменьшению максимальной температуры поршня на 5.. 7 К. головки цилиндров на 4.. 6 К.

Четвертая глава посвящена разработке системы ОНВ для дизелей грузовых автомобилей, где рассматриваются вопросы проектирования и оптими- . защш элементов системы ОНВ типа "воздух-воздух" с передним расположением, с центральным выходом наддувочного воздуха для '/-образных и боковым выходом для рядных двигателей, как наиболее перспективных для эксплуатации при нормальных и жарких условиях и системы с промежуточным теплоносителем для условий Севера.

Воздухоохладитель является основным агрегатом системы ОНВ и от его эффективности зависит совершенство Есей системы. По конструктивному исполнению наиболее перспективны алюминиевые паяные охладители трубча-то-ленточной конструкции, где резко сокращается длина паяных швов. В

настоящее время проведена огромная работа по исследованию и выбору теп-лопередающих поверхностей охладителей, однако, многие рекомендации противоречивы, следствием чего является широкая гамма применяемых теплопе-редающпх поверхностей, в частности, со стороны охлаждающего Еоздуха: ф. "Сгууга<1" применяет с периодическим дросселированием, ф. "ЬЕ" рассеченные ребра, ф. "ВеЬг" с жалюзийной просечкой и т. д. Как показывают исследования, для воздухоохладителей с центральным выходом рационально оснащать оба канала ребрами с турбулизаторами, например, в виде жа-люзпйных просечек, веиду малых скоростей и длины каналов со стороны наддувочного воздуха. Охладителей с боковым выходом оснащают гладкими каналами со стороны наддувочного Еоздуха. На всех исследованных режимах охладители с боковым выходом обеспечивают термический к. п. д. Е = 0.85.. ...0.90 и коэффициент восстановления давлениям = о.95...0.97, охладители с центральным выходом при одинаковых габаритных размерах имеют Е -= 0.33...0.93 и о - 0.97...о.99 Срис. I). Оптимальное отношение высоты канала по наддувочному воздуху к высоте по охлаждающему воздуху равно для охладителя с боковым выходом Б- 0.4...0.5, с центральным выходом 0.35..0.40 Срис. 10). Отношение расхода наддувочного воздуха к расходу охлаждающего воздуха, равное И = 0.Ю...0.12, достигаемое при установке охладителя перед радиатором, является оптимальным. Путем расчетных исследовании определено оптимальное перекрытие воздухоохладителем радиатора, которое равно ь = Ь/Ьр = о.а...0.9.

Газодинамическое совершенство тракта по наддувочному воздуху нь-ряду с термической эффективностью системы ОНВ является решающим фактором, определяющим эффективные показатели двигателя Сем. гл. 2). Основную долю гидравлического сопротивлешш тракта ДРгт составляет сопротивление воздухоохладителя ДРг, которое в зависимости от конструкции может

составлять 50___70% ДРгт. Охладитель с центральным выходом наддувочного

воздуха при равной термической эффективности позволяет снизить потерн

давления ДРгт 1.5___2.0 раза. Для дизелей мощностью н* - 200...зоо кВт

рекомендуются трубопроводы диаметром 90... 100 мм. Отношение радиуса закруглении поворотов трубопроводов к диаметру трубы необходимо делать больше I. 5. Также не рекомендуется выполнять конусность участков расширения и сужения больше ЗСР. Коллекторы воздухоохладителей имеют меньшие потери при исполнении постоянного сечения.

Как было указано вше, установка системы ОНВ влияет на работу системы охлаждения: с одной стороны, за счет снижения теплоотдачи от цилиндра в охлаждающую жидкость, с другой стороны, за счет установки

/о

воздухоохладителя перед радиатором. При небольшом уровне форсировки двигателя путем введения системы ОНВ (Ые = 1.10...1.15) радиатор можно оставить без изменения. При этом требуется более высоконапорный вентилятор ввиду затенения радиатора охладителем.

В данной работе предлагается алюминиевый радиатор трубчато-лен-точной конструкции вместо распространенной в настоящее время медно-ла-туннон. Расчетные исследования показывают, что при одинаковых размерах они имеют примерно одинаковую теплогидравлическую характеристику. Практический интерес представляет использование в алюминиевом радиаторе со стороны охлаждающего воздуха тех же теплопередающпх поверхностей, что и в охладителе наддувочного воздуха.

Предлагается оригинальное решение установки блока "воздухоохладитель-радиатор" непосредственно на двигателе, а не на раме автомобиля, как обычно. Такая установка позволяет обеспечить минимальный зазор между кожухом и лопастями вентилятора, упрощает соединение подводящих и отводящих труб. Экспериментальные исследования показали, что наиболее рационально симметричное расположение вентилятора относительно радиатора. Передняя кромка лопасти вентилятора должна распологаться не ближе 80... 90 мм от радиатора.

Наилучшие эффективные показатели двигателя КАМАЗ-7406 получены при комплектовке его вентилятором ф. "Швитцер", хотя опытный КАМАЗовский вентилятор имеет более высокую производительность. Это объясняется тем. что потери на привод вентилятора КАМАЗ ДМв перевалируют над эффектом более глубокого охлаждения наддувочного воздуха, достигаемого большим расходом охлаждающего воздуха вх Сем. гл. 2).

Как было показано во гл. 2,- для эксплуатации в условиях Севера наболев оптимальным является система ОНВ с промежуточным теплоносителем. Расчетные и экспериментальные исследования данной системы показали, что применение дополнительного охладителя жидкости Спереохладителя3 экономически не оправдано. При введении систем ШВ с промежуточным теплоносителем практически остается без изменения система охлаждения базового двигателя без СНВ, в том числе радиатор и вентилятор. Необходимо отметить также небольшие потери давления наддувочного воздуха в тракте.

Основным требованием к жидкостно-воздушному охладителю наддувочного воздуха, как и воздухо-воздушноыу, является высокая тешгогидравли-ческая эффективность при малых габаритных размерах и массе. Охладитель имеет наибольшую теплогидравлическую эффективность, когда со стороны наддувочного воздуха применяется теплопередающая поверхность в виде

рассеченных ребер, а со стороны охлаждающей жидкости с гладкими канала ни. Большое значение при проектировании имеет правильный Еыбор схемы течения теплоносителей. Из условий компоновки и из соображений минимальных потерь давления схема течения потока наддувочного воздуха определена однозначно, одноходовая. Наиболее оптимальным является трехходо вая организащи течения охлаждающей жидкости Срис. 12). Оптимальным отношением расхода охлаждающей жидкости через охладитель к общему расход; жидкости через радиатор двигателя является Сжонв = о.1*Ож.

Как было показано в главах I и 2, остается актуальным регулирование температуры наддувочного воздуха, оптимальное значение которого определяется удельным расходом топлива ее и эмиссией ОГ и изменяется в зависимости от режима работы дизеля. Анализ расчетно-экспериментальных исследований показывает, что при температуре окружающей среды Тхо> £275...280 К система ОНВ типа "воздух-воздух" с передним расположением воздухоохладителя, при термическом к. п. д. Еонв = 0.85...о.90 на всех рабочих режимах двигателя обеспечивает оптимальную температуру наддувочного воздуха. При температуре 275...2S0iTxo^250...255 К на частичные режимах необходимо отключать систему ОНВ. Для эксплуатации дизеля при низких температурах окружающей среды Tx°i250.. .255 К наилучшим образом ' подходит система ОНВ типа "жидкость-воздух". Эта система позволяет поддерживать температуру наддувочного воздуха стабильно в диапазоне Те = 350...370 К, т.е. является саморегулируемой. Разработаны и изготовлены варианты регу.ляторов температуры наддувочного воздуха для схем ОНВ с передним расположением воздухоохладителя, который представляет и: себя перепускной клапан, вмонтированный в тракт наддувочного воздуха, полностью или частично отключающий систему ОНВ в зависимости от режима эксплуатации дизеля Срис. 5). Автоматическое управление клапанами перепуска можно осуществить пневнощшшдрами, управляемыми давлением воздуха во впускном коллекторе.

Частичное управление системы ОНВ осуществляется автоматическим регулированием производительности вентилятора специальным приводом, который применяется обычно для поддержания теплового режима двигателя. На зарубежных двигателях грузовых автомобилей получили распространение вязкостные муфты привода вентилятора двигателя, а на отечественных дизелях, как КАМАЗ и ЯМЗ все еще применяются гидромуфты Срис. 14.15). Не-оспаримуеыым преимуществом вязкостной муфты по сравнению с гидромуфтой, является то, что она даже в отключенном состоянии обеспечивает расход воздуха Gx = 0.25*Gx'-'°'" и это позволит при удачно спроектированном воз-

духоохладителе получить Еонв - О.в.. .0.7* Ene™. Евнду того, что устано: ка охладителя приводит к повышению температуры охлаждающего воздуха н; выходе из радиатора на 10... 15 К, необходимо отрегулировать чувствительный элемент вязкостной муфты на соответствующую величину.

Расчитан технико-экономический аффект от внедрения системы ОНВ на примере двигателя КЛМАЗ-7406, устанавливаемого на автмобиле KAMÁ3--5326. Как известно, охлаждение наддувочного воздуха позволяет форсирс вать двигатель по мощности при улучшении его топливно-экономических ш казателей, следствием которого является улучшение эксплуатационных характеристик автомобиля: повышается производительность за счет увеличения мощности, снижается норма расхода топлива на 100 км пробега. Как показывают расчеты, годовой экономический эффект от внедрения двигатат КАМАЗ-7406 с системой ОНВ вместо базового двигателя КАМАЗ-7405 без ОН! на указанном автомобиле составляет 2087 руб. Спо курсу 1991 г. ).

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Использована новая методика для определения эффективности и сравнения систем ОНВ дизелей грузовых автомобилей. Критерием оптимальности системы ОНВ принят эффективный к. п. д. не или удельный расход топлива ge двигателя с данной системой.

2. Разработана математическая модель дизеля с ОНВ, которая позво ляет определить эффективные показатели двигателя и влияние на них сис-емы ОНВ при разных режимах работы и условиях эксплуатации.

3. На основе расчетных и экспериментальных методик проведены исследования по влиянию охлаждения наддувочного воздуха на параметры дизелей грузовых автомобилей при нормальных и низких температурах окружа ющеи среды и установлено:

- на режиме номинальной мощности и максимального крутящего момен та оптимальной температурой наддувочного воздуха, поступающего в цилин дры, является Tsopt г 270...280 К, на режиме малых нагрузок и оборотов 2е0... 290 К;

- снижение Ts на каждые 10 К приводит к повышению индикаторного к. п. д. двигателя ni на 0.05 ед. и при этом удельный индикаторный расхо, топлива снижается на 0. 4.. 0. 6 г, снижение концентрации в 0Г состав ляет 0.2 г/кВт*ч, а температуры деталей ЦПГ до 5 К:

- внедрение ОНВ приводит к снижению теплосброса в систему охлаждения двигателя на 10... 15% и поэтому установка воздухоохладителя пере, основным радиатором не приводит к повышению теплонапряженности двигате^

ля из-за ухудшения работы радиатора.

4. Установлено, что при эксплуатации дизелей грузовых автомобилей в умеренных и жарких климатических условиях оптимальной является система ОНВ типа "воздух-воздух" о передним расположением воздухоохладителя, а для Северных условий - система ОНВ типа "жидкость-воздух" с подводом охлаждающей жидкости из блока двигателя.

5. Впервые предложена система ОНВ с передним расположением с двухсекционным воздухоохладителем с центральным выходом наддувочного воздуха для v-образных двигателей. Предложенная система позволила повысить эффективный к. п. д. ine на 3... 4% по сравнению с известной системой ОНВ с боковым.

6. Разработаны высокоэффективные алюминиевые воздухоохладители с центральным и боковым выходом для системы ОНВ типа "воздух-воздух" с передним расположением с параметрами: Е = о.90...о.93 и 5т = 0.96... ...о.ээ и для системы ОНВ типа "жидкость-воздух": Е = о.75...0.so и стг = 0.93...0.99, не уступающие лучшим зарубежным аналогам.

7. Установлено, что при эксплуатации системы ОНВ типа "воздух-воздух" с передним расположением воздухоохладителя в условиях жаркого климата не требуется регулирования температуры наддувочного воздуха, а при нормальных условиях необходимо установить перепускной клапан наддувочного воздуха. Предложенная для эксплуатации в северных условиях система ОНВ "жидкость-воздух" является саморегулируемой.

8. Установлено, что для согласования системы ОНВ и системы охлаждения двигателя наилучшим образом подходит вязкостная муфта привода вентилятора по сравнению с гидромуфтой.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Загидуллин Р. Я., Исхаков Н. М., Тарханов 0. А. Результаты разработки и испытания системы ОНВ для двигателей КАМАЗ. "Перспективы развития комб. ЛВС и двиг. новых схем и на новых топливах". Доклад Всес. научно-техн. конф., М., 1987.

2. Кустарев Ю. С., Загидуллин Р. Я. и др. Влияние системы охлаждения наддувочного воздуха на показатели двигателя. " Тракторы н сельхозмашини", 1988, № 12.

3. Каминский В. Н. , Загидуллин Р. Я. Разработка систеин ОНВ для перспективных двигателей КАМАЗ. "Работа двигателей и сельхозмашин на неустановившихся режимах". Доклад Всес. научн. - техн. конф. , Казань, 1982.

¿J

4. A.C. 1250674 С СССР). Система охлаждения двигателя. НАМИ: авт. изобрет. Ю. С. Кустарев, Р. Я. Загидуллнн и др. - Заявл. 19.02. 85.

№ 3856722 / 25-06: опубл. в Б.И.. 1986, tí 30.

5. A.C. 1250678 С СССР). Система ОНВ ДВС. НАМИ: авт. изобрет. Ю. С. Кустарев, Р. Я. Загидуллнн и др. - Заявл. 19.02. 85.

№ 3856720 / 25-06: опубл. в Б.И., 1986, № 30.

6. A.C. 1321860 ССССР). Система охлаждения ДВС с наддувом. МАШ; авт. изобрет. Ю. С. Кустарев, Р. Я. Загидуллнн и др. - Зэяел. 08.01.86. № 4009188 / 25-06; опубл. в Б.И., 1987, JÍ 25.

7. A.C. 1333796 ССССР). Система охлаждения ДВС с наддувом. МАМИ; авт. изобрет. Ю. С. Кустарев, Р. Я. Загидуллин и др. - Заявл. 29.04.86. № 4064227 / 25-06; опубл. в Б.И., 1987, № 32.

8. A.C. I45I298 ССССР). Двигатель внутреннего сгорания. МАМИ: авт. изобрет. Ю. С. Кустарев, Р. Я. Загидуллин и др. - Заявл. 22.04. 87. № 4233122 / 25-06.

\/¿

\Х

• "Г Г-'.' Ь '5 •* < ; 5 Г г|щ| ■]! г'г11

гп

111']

~7

Рис. I. Схема системы ОИВ „Воздух-воздух" е 5оно&ым Сыходом наддуёочноео бозЗуха (ВВ-Р).

'; Рис.2. Схема системы О/В „боздух-бсздух" е центра/пни» биодо/г на32у&очного ¿аэдуго^В-АУ

• I

РиС. 3 С/ена. соспемы Ш& С паонемч/гпо^шм '

Ыссителен С />ересхлиоите 'ле* (ВУ^-П/.

\7ntt

(Р '1

Рис 4. Схена системы ШЗ с /момеяцпюишм /яелло-иоситеу/ем с пообсЗом Вооы и! олошо(ВШ*В)

*юг*1 к

¿0

Рис. £ Схема ^оиготел» с систе*ои ОИВ ВЗ'РЦ с еао па ной перепуске. иод-го болЭуго.

Ш'Ш

г

\ !. !

I £2

fbc. S. индикаторные показатели ci. H4M/!3-7íQ6 по нагрузочной хсраитеристихепри n-SlOûc^, Pi№-

%

¡чг-

Pue,. 7. Ацоометрл/ fi^ôoveso ииилх по нагрузочной tûpoHmepucmuze при /?» 22QQ оо/мин ^

' Pc ffla.

г/J «

И

-to я 8 7 в

Ре M Па

Рис.8. Нагрузочные wm/перисгижи. o¿u¿atpe*9 ZVÍ43-X06 с розными СУСте/*они ШВ при n е 2 SO О ас/мин

Put $■ Изменение концентрации бредны* бещее/nS S Ofm ti-ma ступенчатому циклу äS. ЫМДЗ-7Ш при Сс% НОж чнм*ю} *

0,7 ца Pc МЛа

PU. «-» 81К-П, -.-Ses ОНВ

• Ses «3 Ш r"'

s

г i / / r

/ / / / t ÛWi

! 9 / / s У У

• 4 / / / У

/ Cco

<?/ Ц)

OS S' m Ре нп*

.а ¡.-¿.У.

■¿амимнй!^«

ут.к.!:.-^.-

Рис ИкЗаВисил/ость термического члд. воздухоохладителе от отношения $н?от еонаюб.

■£ц .11111

Рис. ¡¡.Зависимость термического н.п.д. боздухоохла-дигепа от расхода, ыпашдающего боздуха..

' Е

о?-№

06-

— - - —

___

вг'ОА*г/с

--

/

10...

2,0

10

4,а

Схкг/о

Лю.Ц . >/иакОстнО-1о}^ушмш охладите» С лелеетиооБ^озними рейрони.

¡¡го & нг/г

д*. Теплолид/>о£ли^есеие характеристики

мш&иосгтшо-¿ездуи'неео охлаЛнпеле #ид.£оздуха

Гъс.М Собяещвнные ларахтеристиеи лим/зессаоа. ¡е. ..¿сЛгИгег' бРЗиЖютем №№2-7(05

Як

Рис. 15. Ха/яетрростию гид^нуфп/ КАЧДЗ

о (¡ш ¡¡аз да ¡да цго цп СЬг/Ь

£000 -------

1

1

¡со_ — — - —

Лой.

01/тш 2000 1700

ню ¡200

150

155

¿ВО

ж Тш/Н

Рис. 15. Хи^оч/пеьиотина бшесстнви ну^/пь/ гД „ЗсАтнег'

1 I

У

—

А

1 1

/Зёенг 00 мин

2.500

2000 1500

100

¡00

¡го

но

но т,0г и