Практическая работа
.pdf
В систему разогрева также включают радиатор отопителя кабины. На рисунке 3.3 представлена схема подключения подогревателя к системе охлаждения V-образного восьми цилиндрового двигателя и отопления кабины.
Рис. 3.3 Схема подключения подогревателя к системе охлаждения двигателя и отопления кабины.
Сравнительные испытания подогревателей с тепловой производительностью 16,2 кВт и 22 кВт серийного изготовления, установленные на двигателе Р6, показали их высокую эффективность.
Продолжительность разогрева силовой установки подогревателем до состояния готовности к пуску в зависимости от температуры наружного воздуха была следующей (рис. 3.4): при температуре до –10°С — 10 мин., от
–11 до –15°С — 15 мин., от –16 до –35°С — 20 мин., ниже –35°С — 30 мин.
11
t, 0С
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10
-5 0
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 τ, мин |
Рис. 3.4. Зависимость продолжительности разогрева двигателя Р6 подогревателями жидкостными (16,2-22 кВт) от температуры окружающего воздуха.
Пуск подогревателя с тепловой производительностью 16,2 кВт по времени составил, по результатам всех испытаний до 15 сек. Общее время подготовки 30–40 сек. Подготовка подогревателя с тепловой производительностью 22 кВт к пуску составила 30 сек., а общее время подготовки к пуску и непосредственно пуска в большинстве случаев составляло от одной до 1,5 мин.
Во время испытаний в работе подогревателей наблюдались отказы, что свидетельствовало об их недостаточной надежности.
Для оценки теплового состояния двигателея во время прогрева производились замеры:
–температуры охлаждающей жидкости, поступающей в полости охлаждения цилиндра пускового двигателя;
–температуры охлаждающей жидкости, поступающей в полости головки блоков основного двигателя (вблизи первого цилиндра);
–температуры охлаждающей жидкости, при выходе из блока цилиндров;
–температуры масла в поддоне картера (в месте размещения маслоприемника насоса) и в главной магистрали (со стороны фильтров).
После обобщения результатов испытаний, в которых подогреватели с тепловой производительностью 16,2 кВт и 22 кВт работали по 20 мин., были получены средние данные по результатам пусков, характеризующие динамику разогрева двигателя при температуре наружного воздуха в пределах от –16°С до –30°С (рис. 3.5, 3.6).
На 20-й минуте разогрева температура охлаждающей жидкости (М-40)
на входе в полость охлаждения цилиндра пускового двигателя
12
устанавливалась равной 104-106°С, в полости головки блоков двигателя – 9298°С, поступающей обратно в подогреватель – 22-23°С, а температура моторного масла в картере повышалась только до 3-8°С.
Такое тепловое состояние силовой установки обеспечивает надежный пуск как пускового, так и основного дизельного двигателя. При этом время пуска двигателей не зависит от температуры окружающего воздуха и составляет в среднем:
–пусковой двигатель – 1,5-2,0 сек.;
–для дизельный ДВС – 3,5-4,0 сек.
Рис. 3.5. Графики изменения температуры охлаждающей жидкости при разогреве ДВС подогревателем в интервале температур окружающего воздуха от -16°С до -30°С: 1 – температура охлаждающей жидкости на входе в полость охлаждения цилиндра пускового двигателя; 2 – температура охлаждающей жидкости на входе в полость головки блока двигателя; 3 – температура охлаждающей жидкости поступающей в подогреватель.
13
Рис. 3.6. График изменения температуры моторного масла в поддоне картера двигателя при его разогреве подогревателем в интервале температур наружного воздуха в пределах от -16°С
до -30°С.
Временем пуска ДВС считается продолжительность проварачивания коленчатого вала при включенной компрессии от начала подачи топлива до начала устойчивой работы двигателя.
Измерение температуры охлаждающей жидкости через 2 минуты после пуска двигателя в разных его зонах показали, что происходит ее выравнивание.
Средний расход топлива на разогрев двигателя для подогревателя с тепловой производительностью 16,2 кВт составил 2,18 кг (часовой расход), а для подогревателя с тепловой производительностью 22 кВт – 2,3 кг (часовой расход).
Облегчение пуска разогретого ДВС обеспечивается в результате уменьшения сопротивлений проворачиванию коленчатого вала, увеличения частоты вращения коленчатого вала при пуске двигателя и повышения температуры воздуха в камерах сгорания двигателя в конце тактов сжатия.
В настоящее время в системы охлаждения силовых установок СДКМ устанавливают жидкостные подогреватели 15.8106-01, ПЖД-12Б, 14ТС-10,
ПЖД-30, ПЖД-600, ПГВ-800-1 и ПГВ-800-2, «Тhermo», «Нydronic 10»,
подогреватели фирмы Webasto (табл. П.4, П.5, П.6). Охлаждающая жидкость
всистеме прокачивается насосом с электрическим приводом и нагревается в котле, разогрев которого происходит при сгорании топливовоздушной смеси
вгорелке, воспламеняемой с помощью свечи зажигания. Высокое напряжение, необходимое для работы свечи зажигания, может обеспечивать высоковольтный источник тока. Основным критерием эффективности
14
индивидуального жидкостного подогревателя является продолжительность подготовки силовой установки до состояния готовности к пуску.
По известным оценкам жидкостные подогреватели при окружающей температуре воздуха до –20°С способны за время 40-45мин работы разогреть двигатель до температуры 55 °С и разогреть воздух в кабине машины – до
20 °С.
Для создания необходимых условий пуска двигателя большое количество тепла расходуется на нагрев его составных частей, обслуживающих систем и эксплуатационных материалов. Определенная часть тепла теряется в окружающую среду с отработавшими газами и путем ее передачи от нагретых узлов силовой установки.
Эффективность использования индивидуальных жидкостных подогревателей можно оценивать, используя различные методики расчета его тепловой производительности.
15
3.1 Методика расчета потребной тепловой производительности индивидуального жидкостного подогревателя по показателям условной массы двигателя, с учетом потерь тепла в окружающую среду
Общее количество тепла, необходимое для разогрева силовой
установки можно рассчитать, используя зависимость |
|
Qр = Qсу + Qп, |
(3.1) |
где Qр – количество тепла, необходимое для разогрева силовой установки,
кВт; Qсу – количество тепла, расходуемое на разогрев двигателя, кВт; Qп –
потери тепла в окружающую среду, кВт.
Точный расчет величин Q су и Qп практически невозможен вследствие
сложности процессов, происходящих при разогреве силовой установки. Поэтому реальную силовую установку заменяют условным разогреваемым
телом. Обозначив массу условного тела, как G ус |
и его среднюю |
||
теплоемкость – Сср, получим |
|
||
|
|
|
|
Q су = G ус Сср |
t исх − t г |
, |
(3.2) |
– температура исходного состояния и температура готовности силовой установки, °С.
Массу условного тела можно определить, используя соответствующие значения коэффициента β , учитывающего конструктивные особенности и технические характеристики силовой установки
G ус = β Gм , |
(3.3) |
где Gм – суммарная масса двигателя, узлов системы охлаждения и системы смазки.
Значения коэффициентов β и средней теплоемкости Сср , которые получены опытным путем, представлены в таблице 3.2.
|
|
Таблица 3.2 |
Значения Сср и β для силовых установок ДСМ |
||
Масса «сухого» ДВС, т |
Сср |
β |
0,5-0,7 |
0,36 |
0,15 |
0,9-1,0 |
0,33 |
0,26 |
|
|
|
16
Потери тепла в окружающую среду определяются по формуле
Qп = KF (t д − tср ) τ , |
(3.4) |
где KF – удельные потери тепла в час со всей поверхности охлаждения силовой установки при перепаде температур между теплоотдающей поверхностью и окружающей средой 1°С, кВт/(ч 0С); t д – средняя
температура поверхности охлаждения двигателя, °С; t ср – средняя
температура окружающего воздуха, °С; τ – продолжительность разогрева силовой установки, ч.
При упрощенных расчетах значения КF, которые получены опытным путем можно принимать в соответствии с показателями, приведенными в таблице 3.3.
Таблица 3.3
Значения KF
Температура окружающей среды t ср , °С |
0 |
–10 |
–20 |
–30 |
|
|
|
|
|
KF, ккал/ч. °С |
171 |
213 |
277 |
400 |
|
|
|
|
|
При скорости ветра 3 – 4 м/с величина удельных потерь тепла КF машины без утепления ее силовой установки должна быть увеличена на 30%. Если машина укрыта утеплительным чехлом – потери тепла могут составить 50% от расчетных значений. Результаты расчетов удельных потерь тепла с поверхности охлаждения силовой установки (масса ДВС до 1,0 т) с учетом различных условий предпускового разогрева представлены (рис. 3.7) зависимостями KF = f (t ).
17
|
800 |
|
|
|
|
|
700 |
|
|
|
|
|
600 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
500 |
|
|
|
|
С |
|
|
|
2 |
|
0 |
|
|
|
|
|
/ч |
400 |
|
|
|
|
ккал |
300 |
|
|
|
|
KF, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
200 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
-2 |
-6 |
-10 -14 -18 -22 -26 -30 -34 |
-38 |
-42 |
|
|
|
Температура окружающей среды, 0С |
|
|
Рис. 3.7 Удельные потери тепла с поверхности охлаждения силовой установки в течение одного часа работы подогревателя жидкостного: 1 – скорость ветра 3-4 м/с, разогрев силовой установки без утепления; 2 – безветренная погода, разогрев силовой установки без утепления; 3 – утепление силовой установки.
Удельные потери тепла с поверхности охлаждения силовой установки могут быть описаны с достаточной достоверностью аппроксимации
( R 2 = 0,998 ) полиномиальным законом (табл. 3.4)
|
KF = at 2 − bt + c , |
|
|
(3.5) |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3.4 |
|
|
Значения коэффициентов а, b, с для полиномиальных зависимостей |
||||||||
|
KF = f (t ) |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Условия предпускового разогрева |
|
|
Значения коэффициентов |
|||||
|
силовой установки |
|
|
а |
|
b |
|
с |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Безветренная погода, разогрев |
|
0,2025 |
|
1,435 |
|
172,85 |
|
|
|
силовой установки без утепления |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Скорость ветра 3 – 4 м/с, разогрев |
|
0,2633 |
|
1,8655 |
|
224,7 |
|
|
|
силовой установки без утепления |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Утепление силовой установки |
|
0,1013 |
|
0.7175 |
|
86,425 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
18
3.2 Методика расчета потребной тепловой производительности индивидуального жидкостного подогревателя по показателям составляющих теплового баланса
Распределение тепла от сгорания топлива в подогревателе на полезно используемое и на потери, характеризуется эффективным тепловым балансом.
Уравнение теплового баланса записывается в виде
Qо = Qож + Qм + Qг + Qост , |
(3.6) |
||
где Qо – располагаемое тепло, ккал/ ч; |
Qож – количество тепла на разогрев |
||
охлаждающей жидкости, ккал/ ч; |
Qм |
– количество тепла на разогрев |
|
моторного масла, ккал/ ч; Qг |
– |
количество |
тепла, отводимого с |
отработавшими газами, ккал/ ч; Qост – остаточное тепло, ккал/ ч. Располагаемое тепло подсчитывается по часовому расходу топлива в
подогревателе и его теплотворной способности
Qо = G т Hu , |
(3.7) |
где Hu − низшая теплота сгорания топлива (для дизельного |
топлива |
Нu = 42440 ), кДж / кг ; G т − часовой расход топлива подогревателем, кг/ч. Для определения количества тепла, потребного для разогрева
охлаждающей жидкости (тосол А-40), необходимо знать ее количество расход и разность температур в начале разогрева и в конце разогрева
Qож = Gож сож t ож , |
(3.8) |
где G ож − масса охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя, |
|
кг; сож − теплоемкость охлаждающей жидкости |
(для тосола А-40 М |
сож = 3,2 ÷ 3,8 ), кДж / кг град; t ож − разность температур охлаждающей жидкости в начале и в конце разогрева, °С.
|
|
G ож = ρож Vож , |
|
(3.9) |
|
где ρ |
ож |
− плотность (для тосола А-40 М, ρ |
ож |
= 1,065 ÷ 1,085 ), г/ см3 ; |
V − |
|
|
|
ож |
||
вместимость системы охлаждения двигателя с учетом |
котла |
||||
подогревателя, л. |
|
|
|
||
|
Количество тепла потребного на разогрев моторного масла |
||||
определяется по формуле |
|
|
|
||
|
|
Qм = Gм см |
tм , |
(3.10) |
|
19
где Gм − масса моторного масла, кг ; см − теплоемкость моторного масла,
см = 0,5 ккал/(кг 0 С) ; t м − разность температур моторного масла в начале и
вконце разогрева двигателя, °С.
Втаблице 3.5 по результатам экспериментальных пусков подогревателей 14ТС-10 силовой установки с дизельным двигателем КамАЗ740 (V8) представлены показатели продолжительности разогрева τ до состояния готовности к пуску двигателя с учетом температур окружающего
воздуха t ос и исходного теплового состояния двигателя tисх , а также разница в температурах исходного теплового состояния двигателя и готовности к пуску для охлаждающей жидкости t ож и моторного масла tм .
Таблица 3.5
Разница температур охлаждающей жидкости и моторного масла в начале и конце разогрева
t ос , °С |
tисх , °С |
τ , мин |
t ож , °С |
t м , °С |
|
|
|
|
|
-2 |
-6 |
32 |
77 |
7,5 |
|
|
|
|
|
-11 |
-15 |
36 |
88 |
8,2 |
|
|
|
|
|
-18 |
-21 |
40 |
92 |
8,6 |
|
|
|
|
|
Количество тепла, отводимого с отработавшими подсчитывается по разности теплосодержания (энтальпий) количеств отработавших газов и свежего заряда
Q |
г |
= G |
т |
(М |
2 |
(mc′′ |
)t г |
t |
г |
− М |
(mc′′ |
)t к |
t |
к |
) , |
||
|
|
|
p |
t |
0 |
|
1 |
p |
t |
0 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
газами, часовых
(3.11)
где G т − часовой расход топлива подогревателем, кг/ ч; М2 − |
количество |
||
продуктов сгорания на |
килограмм топлива, |
при α = 1,5 , |
кмоль/ кг; |
М1 − количество свежего |
заряда воздуха на |
килограмм топлива, при |
|
α = 1,5 , кмоль/ кг; |
|
|
|
Коэффициент избытка воздуха для подогревателей подсчитывается по формуле
α = |
lн |
, |
(3.12) |
|
lт
20