CC BY
10
УДК 621.43
ГРИЦУК 1.В., к.т.н., доцент (Дон1ЗТ) ГУЩИН А.М., к.т.н., доцент (Дон1ЗТ) АДРОВ Д.С., асистент (Дон1ЗТ)
ВЕРБОВСЬКИЙ В С., науковий спiвробiтник (1Г НАНУ, м. Ки'в) КРАСНОКУТСЬКА З.1., науковий ствробгтник (НТУ, м. Ки'в)
Особливост математичного моделювання параметрiв роботи теплонакопичувача керованоУ передпусковоУ системи мащення двигуна внутршнього згорання у складi системи комбшованого прогрiву
Вступ
Умови експлуатаци двигунiв в холодну пору року висувають високi вимоги до довговiчностi транспортних засобiв i енергетичних установок, до якосп експлуатацiйних матерiалiв i технологiчного устаткування, що забезпечуе передпускову тдготовку. Особливо актуальна ця проблема для двигунiв, якi повиннi забезпечувати надшний пуск вщповщально'' технiки й на яю доводиться основна частина вщмов, особливо в зимовий час.
У зв'язку iз цим, пщвищення пускових якостей двигунiв транспортних засобiв i створення ефективних способiв передпусково'' пiдготовки, являе собою актуальне й багатопланове завдання. 1ншим актуальним завданням, пов'язаним з низькотемпературною експлуатащею, е зниження пускових зносiв деталей двигуна i 'х комплексний прогрiв. При пуску й прогрiвi холодного двигуна штатний масляний насос не забезпечуе необхщного тиску в маслянш магiстралi, сполучення двигуна працюють у режимi граничного тертя, що призводить до значно'' штенсифшаци 'х зношування, а також не забезпечуеться ефективний передпусковий прогрiв найбiльш вщповщальних елементiв цилшдро-поршнево'' групи (ЦПГ) двигуна.
В Донецькому iнститутi залiзничного транспорту УкрДАЗТ на
кафедрi «Рухомий склад залiзниць» спiльно з 1Г НАНУ (м. Ки'в) продовжуються дослщження щодо застосування системи комбiнованого прорву (СКП) при здiйсненнi передпускового пщ^ву двигунiв внутрiшнього згорання (ДВЗ) К461М1 (6ЧН 12/14) i К159М2 (6Ч 12/14). Особливють системи комбiнованого прорву полягае в тому, що вона включае в себе тепловий акумулятор (ТА) фазового переходу i елементи прискорено прорву для забезпечення ефективно'' передпусково'' теплово'' пiдготовки системи охолодження (СОД) ДВЗ i його прискореного прорву пiсля пуску в умовах низьких температур, а ^м цього, в не'' включено тепловий акумулятор, теплонакопичувач й елементи керування передпусковою системою мащення (ПСМД) ДВЗ. ТА дозволяють накопичувати теплову енерпю вщпра-цьованих газiв (ВГ). Кiлькiсть теплово'' енерги, яку накопичуе ТА вщповщае необхiднiй кшькосп теплово'' енергГ', яка потрiбна для попереднього прорву двигуна вiд максимально низько'' темпе-ратури оточуючого середовища (задаеться при проектуваннi системи) до темпе-ратури . Елементи прискореного прорву СОД включають електроклапани i рiдинний насос, який дозволяе модулювати циркуляцiю охолоджуючо'' рiдини (ОР) в залежносп вiд п температури, для забезпечення
ефективного nporpiBy ДВЗ [1]. Елементи керовано" передпусково" системи мащення двигуна (КПСМД) включають електроклапани, реле, датчики
температури i тиску,й рiдинний насос, який дозволяе модулювати циркyляцiю оливи ПСМД в залежносп вiд "" температури, для забезпечення
ефективного прорву й довговiчностi ДВЗ. Ц функцГ" КПСМД виконуе стльно з теплонакопичувачем, в який зливаеться прогрiта олива двигуна в перюд його зберiгання.
Анал1з досл1джень i публжацш
Умови роботи двигунГв у перюд пуску-прогрГву значно вГдрГзняються вщ умов роботи на номГнальних навантажувальних i швидкГсних режимах i впливають на довговГчнГсть i безвГдмовнГсть основних деталей. Особливо це актуально при експлуатацГ" двигуна в умовах низьких температур, коли вщбуваеться значне збшьшення в'язкосп оливи, зниження ефективностГ роботи масляного насоса й фшьтруючих елеменлв[2, 3]. У таких умовах час подачГ мастильного матерГалу до вузлГв тертя зростае в кГлька разГв.
Вивченню закономГрностей
передпускового прогрГву оливи i зношування сполучень двигуна в умовах низькотемпературних пускГв присвяченГ роботи багатьох учених: Р.1.Альмеева, М.А. Григор'ева, А.А. Гуреева, Д.П. Великанова, Д.1. Высоцького, Л.А. Демьянова, О.С. Денисова, В. А. Долецького, О.В. Дибова, М. Калиновського, В.В. Карницького, Ю.М. Копилова, Р.В. Кугеля, Г.С. Лосавио, Д.М. ЛевГна, Ю.В. МикулГна, В.Я. Моюеева, Р. Нейдля, А.1. Нисневича, А.Н. Покровського, Н.Н. Пономарьова, С.Ф. Рубшштейна, Г.В. Рутенбурга, Е.Г. Семенидо, Н.В. Семенова, М.С. Смирнова, Л.А. Сорокша, Г.1. Суранова, А.1. Туркевича, Е.А. Чудакова, Б.А. Енглша тощо[4-10].
Питання пГдвищення показникГв теплового стану i довговГчностГ двигунГв шляхом забезпечення оптимальних параметрГв мастильного процесу в тдшипниках колГнчастого валу на режимГ пуску у складГ систем комбГнованого прогрГву з тепловими акумуляторами в лГтературних джерелах представлеш не достатньо i тому потребують поглибленого розгляду.
Постановка задачi
Метою роботи е обгрунтування i урахування особливостей математичного моделювання параметрГв роботи елемен-тГв керовано" передпусково" системи мащення ДВЗ у складГ СКП, а саме теплона-копичувача для прогрГто" оливи двигуна в перюд його зберГгання.
Для цього необхщно вирГшити за-
дачГ:
- обгрунтувати i визначити залежно-стГ змши температури рГдини в теплона-копичувачГ вГд часу процесу теплообмшу ;
- обгрунтувати i одержати залеж-нГсть тривалостГ процесу теплообмшу за яку температура рГдини в теплонакопичу-вачГ знизиться до заданого рГвня ;
- обгрунтувати визначення коефще-нта теплопередачГ к.
Основний матерiал
Для забезпечення ефективно" передпусково" теплово" пГдготовки системи мащення ДВЗ в умовах низьких температур розроблено ПСМД, яка включае в себе тепловий акумулятор, теплонакопичувач й елементи керування.
Для урахування особливостей математичного моделювання параметрГв роботи одного з елементГв системи -теплонакопичувача керовано" ПСМД у складГ СКП розглянемо опис процесу теплообмшу рГдини в теплоГзольованому теплонакопичувачГ з навколишшм
середовищем. На рис. 1 представлена схема теплообмiну робочо' рiдини -оливи з системи мащення в теплонакопичувачi (ТН) довшьно' форми. Такий варiант прийнято для того, щоб урахувати можливiсть виготовлення рiзних варiантiв форм ТН в умовах експлуатацп ДВЗ транспортних засобiв i енергетичних установок.
Встановлюемо основы допущення [11 -16], якi спрощують вирiшення поставлено'' задачi:
а) питома теплоемнють робочо' рiдини в ТН зневажливо мало залежить вiд й температури;
б) теплообмiн через теп^зольовану стiнку вподiбнюе перенос теплоти через плоску стшку, тобто не враховуемо цилшдричнють ТН;
в) зневажаемо нерiвномiрнiстю температур робочо' рiдини (оливи) за '' об'емом.
Рис. 1. Схема теплообмшу робочо' рiдини в посудит довшьно' форми: 1 - рщина в емностi, 2 - шар теплоiзоляцii; 3 - напрямок потоку
Вибираемо основ ш фiзичнi величини [13 -16], що використовуються в процес розрахункiв i 'х розмiрностi:
G - маса робочо' рiдини (оливи), кг;
С - питома теплоемнють робочо' рiдини, Дж/ (кг К);
Г - зовшшня поверхня теплонакопичувача (ТН), м2;
3 - товщина шару теп^золяци, мм;
Х- коефiцiент теплопровщносп iзоляцiйного матерiалу, Дж/(м К с), Вт/(м К);
авн - коефiцiент тепловiддaчi вiд робочо' рiдини в теплонaкопичувaчi до стiнки ТН, Дж/(м2 К с), Вт/(м2 К);
анар - коефiцiент тепловiддaчi вiд зовнiшньоi поверхш в навколишне середовище, Дж/(м2 К с), Вт/(м2 К);
и- поточне значення температури
о
робочо' рщини в ТН, С;
- початкове значення
ф о
температури робочо' рщини в ТН, С;
^ - температура навколишнього
о
середовища, С;
т - поточний час, с; к - коефщент теплопередaчi вщ робочо' рiдини в ТН в навколишне середовище, Дж/(м2 К с), Вт/(м2 К);
Q - кшькють теплоти, передано'' вiд рiдини в ТН в навколишне середовище за деякий штервал часу т, Дж.
З урахуванням роботи СКП двигуна транспортних 3aco6iB i енергетичних установок, яка полягае в накопиченш теплово! енергп в ТН тшьки шляхом зливу з картеру ДВЗ оливи масляно! системи в процес довготривало! стоянки транспортних засобiв i енергетичних установок[9,11,12], кiлькiсть теплоти, що передаеться вiд робочо! рщини в ТН в навколишне середовище через стiнку ТН за час dv виражаеться стввщношенням:
dQi = kF (tp - ¿q )dt
(1)
dQ2 = Gcdt
1//1 <Jt\
(2)
kF (tp - ¿q )dt = -Gcdtp
(3)
Gc
Gc
(4)
kF
¿P = ¿Q + (tpQ -¿0)ехР(-Т^О (5)
Gc
З рiвняння (5) можливо одержати залежнiсть тривалостi процесу теплообмшу т, за яку температура робочо! рщини в посудиш знизиться до заданого рiвня tp:
т = ~ - to) - InCir^ - t0)]
(6)
У формулах (5) i (6) коефщент теплопередачi k визначаеться з виразу:
За цей час робоча рщина втратить теплоту в кшькосп:
k =
1
1
1
- +
авн анар
d 1
(7)
У зв'язку iз тим, що немае шших джерел надходження теплоти крiм вже означених, то лiвi частини рiвнянь (1) i (2) повиннi дорiвнювати одна однш за абсолютною величиною. Оскiльки при позитивному значенш (tp- t0)y процеа
теплообмiну буде вiдбуватися
охолодження рщини температури dtp буде
вiд'емною. Для прирiвнювання прав их частин рiвнянь (1) i (2) перед одним зi складових рiвнянь необхiдно поставити знак «-», тобто
ТН, то змша величиною
Рiвняння (3) е диференцiальним рiвнянням зi змiнними, що роздiляються. Це рiвняння представимо у виглядi:
Ршення диференцiального рiвняння (4) дозволяе одержати залежнють змiни температури робочо! рщини в THi^ вщ
часу в процеа теплообмшу т у виглядк
Зупинимось на особливостях визначення значень величин, що входять у формулу (7).Коефщент (конвективно!) теплопередачi вiд робочо! рiдини в ТН до його стшки, враховуючи достатню в'язкiсть робочо! рiдини й порiвняно невеликий об'емТН, можливо прийняти в межах 2Q...7Q Вт/(м2 К).
Коефiцiент (конвективно!)
теплопередачi вiд зовшшньо! поверхш ТН в навколишне середовище при вщсутносп iнтенсивного охолодження ТН можливо приймати в межах 3.1Q Вт/(м2 К).
Коефiцiент теплопровiдностi шару теп^золяци стiнки ТН в загальному випадку визначаеться конструктивними особливостями iзоляцiйного матерiалу. Вiдомо, що чим вище щiльнiсть матерiалу, тим вище коефщент його теплопровiдностi. Вважаеться, що матерiал вiдноситься до iзоляцiйних, якщо його коефiцiент теплопровiдностi нижче Q,2 Вт/(м2 К), а коефiцiент теплопровiдностi вакуумно-багатошарово! теплоiзоляцii, що використовуеться для збер^ання криогенних рiдин становить 11Q-4 Вт/(м2 К).
Якщо прийняти в якосп нaйбiльш iмовiрних значень наведених вище величин:
авн =50 Вт/(м2 К); «мя=7=7Вт/(м2 К);
I = 0,2 0,2 Вт/(м К), 5 = 30 мм,
то значення коефщента теплопередaчi к складае:
= —^ТГГ = г- : 3,2 Вт/(м2 К).
50 7 0,1.
Проведемо оцiнку прийнятих допущень.
1. Щодо зневаги залежност1 питомог теплоемност1 робочог р1дини в ТН. Для бшьшосп робочих рщин питома теплоемнють зi збiльшенням температури збiльшуеться. З формул (5) i (6) випливае, що зневажання цiею величиною, призведе до того, що розрахункова швидкють, наприклад, охолодження рiдини в ТН буде вище, шж з урахуванням впливу температури на питому теплоемнють.
2. Щодо не урахування цилшдричност1ТН з робочою р1диною.З порiвняння штенсивносп теплопередaчi через плоску й цилшдричну стшку випливае, що якщо в якосп розрахунково' величини поверхнi ¥ у формулах (5) i (6) використовувати зовшшню поверхню ТН, то, наприклад, швидкють охолодження рщини в ТН за рахунок прийнятого допущення буде бшьшою з урахуванням цилшдричносп ТН.
3. Щодоурахування нергвномгрностг температури робочог р1дини в ТН.У реальних умовах буде мати мюце деяка нерiвномiрнiсть температур у ТН, тому що при охолодженш робочо' рщини температура рщини бшя стшки ТН буде бшьш низькою, нiж в середнш чaстинi ТН. Це призведе до деякого зменшення теплопередaчi, i тодi при використaннi допущення розрахункова температура робочо' рiдини за формулою (5) буде бшьш низькою, чим при реальному
процес теплообмшу, а розрахунковий час теплообмшу буде меншим, нiж для реального процесу.
Таким чином, прийняп допущення призводять до того, що розрахункова температура за формулою (5) буде завище-ною й час досягнення задано' температури рщини в посудит за рахунок цих допу-щень буде заниженим. Орiентовно, попе-редньо, можливо оцiнити, що похибка прийнятих допущень сумарно складатиме 10-15%. Для урахування цих особливос-тей в процеа математичного моделю-вання потрiбно ураховувати ознaченi осо-бливосп.
Висновки
Урaховaнi особливостi математичного моделювання пaрaметрiв роботи елементiв керовано' передпусково' сис-теми мащення ДВЗ у склaдi СКП, а саме теплонакопичувача (ТН) для прогрио' оливи двигуна в перюд його зберi-гання. Отриман розрaхунковi зaлежностi для визначення температури робочо' р> дини в ТН в процеа '' охолодження й час охолодження '' до заданого рiвня. Прийн-ятi допущення призводять до заниження розрахунково' температури робочо' р> дини в ТН й до заниження розрахункового часу зниження температури до заданого рiвня.Для урахування цих особливостей в процеа математичного моделювання пот-рiбно в отримaнi рiвняння вводити корек-тувaльнi коефiцiенти.
Список лггератури
1. Грицук 1.В. Алгоритм формування оперативно' готовностi двигуна внутршнього згорання з системою прискореного прорву й утилiзaцiею теплоти вiдпрaцьовaних гaзiв тепловим акумулятором. / 1.В.Грицук, Д.С.Адров, Ю.В.Прилепський, З.1.Краснокутська, В.С.Вербовський // Зб. наук. праць Дон1ЗТУкрДАЗТ- Донецьк: Дон1ЗТ, 2012-Випуск №29. с. 143-156.
2. Авдонькин Ф.Н. Оптимизация изменения технического состояния автомобиля / Ф.Н. Авдонькин. - М.: Транспорт, 1993. - 350 с.
3. Денисов А. С. Повышение долговечности подшипников коленчатого вала использованием предпусковой смазки / А. С. Денисов, Р. И. Альмеев // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2011. - № 2 (56), Выпуск 2. - С. 34-37.
4. Альмеев Р.И. Анализ устройств для предпусковой смазки деталей ДВС / Р.И. Альмеев // Проблемы транспорта и транспортного строительства: межвуз. науч. сб. - Саратов: СГТУ, 2008. - С. 125132.
5. Альмеев Р. И. Анализ влияния параметров системы смазки на режим работы подшипников коленчатого вала при холодном пуске двигателя / Р.И. Альмеев, А.С. Денисов // Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы: Сборник статей IV Всероссийской научно-технической конференции-семинара. - В 2-х частях. -Часть 2 - Самара: Самарский государственный технический университет, 2009. - С. 35-46.
6. Григорьев М.А. Износ и долговечность автомобильных двигателей / М.А.Григорьев, Н.Н. Пономарев. М.: Машиностроение, 1976. - 248 с.
7. Лосавио Г.С. Эксплуатация автомобилей при низких температурах / Г.С. Лосавио. - М.: Транспорт, 1973. - 117 с.
8. Семёнов Н.В. Эксплуатация автомобилей в условиях низких температур / Н.В. Семёнов. - М.: Транспорт, 1993. - 190 с.
9. Сердечный В.Н. Тепловая подготовка лесотранспортных машин при безгаражном содержании / В.Н. Сердечный. М.: Лесная промышленность, 1974. - 124 с.
10. Смирнов В.Г., Лучинин Б.Н. Повышение долговечности деталей автомобильных двигателей за счет
совершенствования конструкции систем смазки. - М.: НИИНавтопром, 1980. - 59 с.
11. Оптимизация теплового состояния автомобильных двигателей / И.Б.Гурвич, А.П.Егорова, К.М.Москвин и др. // Двигателестроение, 1982.- №4.- с.10-12.
12. Карнаухов Н.Н. Приспособление строительных машин к условиям Российского Севера и Сибири[текст] / Н.Н. Карнаухов. - М.: Недра, 1994. - 351 с.
13. Псаченко В.П. Справочник по теплопередаче [текст] / В.П. Псаченко, В.А. Осипов. - М., 1986, 456с.
14. Кутателадзе С.С., Справочник по теплопередаче [текст] / С. С. Кутателадзе, В.М. Боришанский. - М., Госэнергоиздат, 1958. - 415с.
15. Жукаускас А. А. Конвективный перенос в теплообменниках [текст] / А.А. Жукаускас.- М.: Наука, 1982. - 472с.
16. Исаченко В.П. Теплопередача [текст] / В.П. Исаченко, В.А. Осипов, А.С. Сурков. - М.: Энергоиздат, 1981. - 408с.
Анотацн:
В статье рассматриваются особенности математического моделирования параметров работы теплонакопителя управляемой предпусковой системы смазки двигателя внутреннего сгорания в составе системы комбинированного прогрева.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, система комбинированного прогрева, система смазки двигателя, предпусковая подготовка, теплонакопитель
У статп розглядаються особливосп матема-тичного моделювання параметрiв роботи теплона-копичувача керовано! передпусково! системи ма-щення двигуна внутрiшньоro згорання у складi системи комбшованого прорву.
Ключовi слова: двигун внутршнього згорання, система комбшованого прорву, система мащення двигуна, передпускова тдготовка, теп-лонакопичувач
The article discusses the features of mathematical modeling parameters of the heat accumulator controlled prestart lubrication systems of internal combustion engine in the system combined warming.
Keywords: Internal combustion
engines, combinedheatingsystem, engine oil, pre-launch preparations, accumulators
Зб1рник наукoвих праць ДoнIЗТ. 2G13 № Зб
