CC BY
54
УДК 621.43:629.114.2:62
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА С САМОРЕГУЛИРОВАНИЕМ МОЩНОСТИ В.Ф. Калинин1, А.М. Шувалов2, С.В. Кочергин2
Кафедра «Электрооборудование и автоматизация», ТГТУ (1); лаборатория «Альтернативные источники энергии», ВИИТиН (2)
Ключевые слова и фразы: вязкостно-температурные свойства моторного масла; интенсификация процессов теплообмена; коэффициент эффективного использования позисторов как нагревательных элементов; устройство предпускового электроподогрева моторного масла
Аннотация: Изложен принцип работы позисторов в устройстве электроподогрева моторного масла и предложена математическая модель нестационарного процесса подогрева моторного масла в поддоне картера двигателя КАМАЗ. Теоретически рассмотрен вопрос повышения эффективности использования позисторов. Проведены теоретические исследования параметров устройства электроподогрева моторного масла с саморегулированием мощности. Определена рациональная площадь теплоотдающей поверхности устройства.
Условные обозначения
С1, С2, С3, С4 - удельная теплоемкость позисторов, корпуса устройства, моторного масла, поддона картера, соответственно, Дж(кг-К);
Fyс - площадь теплоотдающей поверхности УЭМС, м2;
F1, F2, F3, F3ср, F4ср - суммарная площадь позисторов, корпуса устройства, поверхности теплоотдачи моторного масла к поддону картера, поверхности теплоотдачи моторного масла во внутрикартерный воздух, поверхности поддона картера, соответственно, м2;
Кусі - текущее значение коэффициента теплопередачи между позистором и моторным маслом, Вт/(кг-К);
М1, М2, М3, М4 - масса позисторов, моторного масла, корпуса устройства, поддона картера, кг;
п - количество зафиксированных значений потребляемой мощности УЭМС за период разогрева моторного масла;
N - количество параллельно соединенных позисторов;
-Ртах, Рср - максимальная (пиковая) потребляемая мощность устройства и средняя потребляемая мощность устройства за период подогрева моторного масла, соответственно, Вт;
Русг - текущее значение потребляемой мощности УЭМС в г-й момент времени, Вт;
Рус - текущее значение мощности потребляемой устройством, Вт;
Рус(Гі) - мощность электронагревательного устройства на участках при ґ1 < 125 °С и ґ1 > > 125 °С, Вт;
ґнач, ґкон - начальная и конечная температуры нагрева моторного масла, соответственно, °С;
ґь ґ2, Ь, и, Гср - температура позисторов, корпуса устройства, моторного масла, поддона картера, окружающей среды, соответственно, °С;
Тпоз.г, Тш - текущее значение температуры позистора и моторного масла, соответственно, °С;
и - напряжение питания устройства, В; а12 - коэффициент теплоотдачи от позисторов к корпусу устройства, Вт/(м2 • К); а13, а23, а34, а3ср, а4ср - коэффициента: теплоотдачи от позисторов и пластины к моторному маслу, от моторного масла к поддону картера, от моторного масла во внут-рикартерный воздух, от поддона картера в окружающую среду, соответственно, Вт/(м2-К);
П - КПД устройства; т - время нагрева моторного масла, с;
Тнагр - время нагрева моторного масла до конечной температуры, с.
В зимний период средняя температура окружающей среды на 96,2 % территории России достигает минус 20 °С, на 42,6 % территории - минус 25 °С и на 10 % территории - минус 40 или 45 °С [1].
К числу основных показателей, определяющих работоспособность ДВС во время пуска в зимний период, относится вязкостно-температурные свойства моторного масла. С понижением температуры происходит увеличение вязкости (коэффициента внутреннего трения) - важнейшего физического свойства масел, при этом она может увеличиваться в тысячи раз до полной потери подвижности при температуре застывания. При низких температурах масла при пуске двигателя вследствие большой вязкости и задержки поступления его к узлам трения двигателя следует ожидать интенсивного повышения температуры сопрягающихся деталей по сравнению с пуском при положительных температурах масла. Совместное влияние режима работы и ухудшения реологических свойств масла при отрицательных температурах резко снижает эффективность работы основных узлов системы смазки и создает условия для интенсификации процессов изнашивания [2].
Для надежного пуска двигателя скорость проворачивания или частота вращения коленчатого вала (пдв) должна быть равна или превышать минимальную пусковую частоту вращения (пт1П), обеспечивающую процесс подготовки горючей смеси в карбюраторном двигателе или достаточную температуру конца сжатия в дизеле, т.е. должно быть выполнено условие пдв > пт1П [3].
Для выполнения вышеуказанных условий необходимо использовать дорогие маловязкие синтетические и полусинтетические моторные масла, либо предварительно проводить тепловую подготовку двигателя перед запуском. Из-за высокой стоимости указанных масел на практике, особенно в сельхозпредприятиях, их почти не используют, поэтому наиболее доступен второй вариант [4].
В настоящее время предлагается большое разнообразие средств тепловой предпусковой подготовки двигателей, дизельного топлива, моторного масла, наиболее перспективными из которых являются устройства, отличающиеся простотой в эксплуатации, надежностью и долговечностью, а также обеспечивающие необходимые требования техники безопасности.
ВИИТиН разработано устройство предпускового электроподогрева моторного масла (в поддоне картера ДВС) на саморегулируемых электронагревательных элементах (позисторах), которое получает питание от бортовой сети автомобиля и выгодно отличается от других устройств простотой конструкции, а также саморегулированием мощности в функции температуры моторного масла. В саморегу-лируемом нагревательном устройстве позисторы выполняют одновременно роль электронагревательных элементов и регуляторов температуры. Характерной особенностью работы этого устройства является чувствительность сопротивления позисторов к изменению температуры моторного масла. В начальный момент, когда моторное масло имеет низкую температуру, сопротивление позисторов мало, что сопровождается большой потребляемой мощностью и быстрым разогревом корпуса устройства и моторного масла. По мере разогрева моторного масла сопротивление позисторов возрастает, мощность устройства снижается, а при достижении моторным маслом необходимой температуры для надежного запуска двигателя - мощность устройства минимальна. Поэтому исключается возможность перегрева и воспламенения масла из-за превышения его температуры, и обеспечивается процесс саморегулирования.
Как показал анализ динамики изменения потребляемой мощности устройства и температуры моторного масла во времени, основным критерием эффективности работы устройства электроподогрева моторного масла с саморегулированием мощности (УЭМС), использующего в качестве нагревательных элементов позис-
торы, является коэффициент эффективного использования позисторов как нагревательных элементов
^эф.п Pmaxj-^ср • (1)
Так как потребляемая мощность устройства меняется в процессе разогрева
моторного масла, то Рср зависит от величины текущего значения мощности
УЭМС
Рср =n X Русг' • (2)
i=1
Текущее значение мощности УЭМС зависит от условий теплообмена между системой тел: позистор - корпус устройства - моторное масло - поддон картера -окружающая среда. Интенсификация процессов теплообмена, а именно увеличения коэффициента теплового рассеяния &т.р от поверхности корпуса УЭМС в
моторное масло, приводит к увеличению текущего значения мощности. Тогда предел коэффициента эффективного использования позисторов стремится к единице
lim &эф.п ^ 1. (3)
Р ^P
1 ср ^1 max
Коэффициент теплового рассеяния от корпуса УЭМС в моторное масло определяется по выражению
^т.р = KуслЛс = русл/(Тусл -Тшл ) . (4)
Согласно (4) увеличение средней потребляемой мощности УЭМС возможно конструктивным увеличением площади его теплоотдающей поверхности. Установим функциональную связь между этими двумя параметрами.
Для анализа работы устройства была разработана математическая модель в виде системы дифференциальных уравнений, описывающих нестационарный процесс теплообмена при разогреве моторного масла в поддоне картера двигателя внутреннего сгорания КАМАЗ-740:
dt1 = Рус (t1)-a12 (t1 -t2 )F1 -а13 (t1 -t3 )F1 ; d т QM1
dt2 = a12 (t1 -12 )F1 -a23 (t2 -13 )F2 ; d T C2 M2
dt3 = (a23 (t2 -13 )F2 +a13 (t1 -13 )F1 )-a34 (t3 -14 )F3 -а3ср (t3 - tср )ср d т C3 M3
dt4 a32 (t3 -14 )F3 -a4ср (t4 - tср )F4 d T C4 M4
где мощность УЭМС меняется согласно следующим аппроксимационным выражениям:
2
Рус (t1) =------ -------- при t1 < 125 °C; (6)
ус1 1 8,67 - 0,030211 1
2
Рус (t1) =------Шп 0 132t при t1 > 125 °C. (7)
1,68 -10 e0,132t1
Решение уравнений (5) получено численным интегрированием по разработанной программе на языке ТигЬо С++, а полученные данные обрабатывались с помощью Mathcad 200Н.
На рис. 1 представлены теоретические кривые изменения потребляемой мощности УЭМС при разогреве моторного масла в поддоне картера двигателя КАМАЗ-740. Температура окружающей среды принималась равной -25 °С. Площадь поверхности теплоотдачи устройства варьировали в пределах Е = 0,0996...0,498 м2. Как видно, с увеличением площади происходит увеличение средней потребляемой мощности УЭМС, что приводит к сокращению времени нагрева моторного масла до необходимой температуры, при этом коэффициент эффективного использования позисторов стремится к единице согласно (1).
Средняя потребляемая мощность УЭМС за период нагрева вычислялась по формуле
Р _ С3М3 (^нач — ^кон )
Р ср _ .
птнагр
Таким образом, увеличение средней потребляемой мощности, а значит, повышение эффективности использования УЭМС возможно с увеличением площади теплоотдающей поверхности.
т, мин
Рис. 1 Динамика изменения потребляемой мощности УЭМС
I - 0,0996 м2; II - 0,2988 м2; III - 0,498 м2
в поддоне картера двигателя КАМАЗ
I - 0,0996 м2; II - 0,2988 м2; III - 0,498 м2
Для определения рациональной площади теплоотдающей поверхности устройства была построена функция (рис. 3) зависимости времени достижения моторным маслом необходимой температуры для надежного запуска двигателя от площади устройства при температуре окружающей среды -25 °С.
Эта функция не имеет характерного экстремума, однако можно сказать, что с увеличением площади теплоотдающей поверхности устройства выше 0,3 м2, уменьшение времени нагрева до температуры, необходимой для надежного запуска двигателя внутреннего сгорания, становится менее интенсивным, поэтому эта площадь является рациональной для данного устройства.
тдось мин
Рис. 3 Зависимость времени достижения температуры моторного масла 10 °С от площади теплоотдающей поверхности УЭМС при температуре окружающей среды -25 °С
Проведенные теоретические исследования параметров устройства электроподогрева моторного масла с саморегулированием мощности позволили определить рациональную площадь теплоотдачи устройства и рассмотреть вопрос повышения эффективности использования позисторов.
Список литературы
1. Цуцоев В.И. Зимняя эксплуатация тракторов. - М.: Высшая школа, 1983. -120 с.
2. Конанов С. А. Исследование температурного режима системы смазки тракторного двигателя при его эксплуатации в холодное время года. Автореф. дисс...
канд. техн. наук. - Омск, 1972. - 22 с.
3. Крамаренко Г.В., Николаев В.А., Шаталов А.И. Безгаражное хранение автомобилей при низких температурах. - М.: Транспорт, 1984. - 136 с.
4. Остриков В.В. Концепция повышения эффективности использования нефтепродуктов // Сб. науч. докл. Межд. научно-практ. конф. Т. 6. - М.: ВИМ, 2001. -187 с.
Theoretical Research of Parameters of Electro-Heating Device with Self-Regulated Power
V.F. Kalinin1, A.M. Shuvalov2, S.V. Kochergin2
Department “Electrical Equipment and Automation", TSTU (1);
Lab “Alternative Energy Sources", VIITIN, Tambov (2)
Key words and phrases: viscosity temperature properties of motor oil; intensification of heat exchange processes; coefficient of effective usage of posistors as heating elements; device for pre-start electro-heating of motor oil.
Abstract: The principle of posistors work in the device for electro-heating of motor oil is given and mathematical model of non-stationary process of motor oil heating in KAMAZ engine oil sump is suggested. The problem of increasing efficiency of using posistors is theoretically grounded. Theoretical research of parameters of device for electro-heating of motor oil with self-regulated power is conducted and rational square of convective heat transfer of device surface is determined.
Theoretische Untersuchungen der Parameter der elektroerwarmenden An-lage mit der Selbstregulierung der Leistung
Zusammenfassung: Es ist das Prinzip der Arbeit von Posistoren in der Anlage der Elektroerwarmung des Motorols vorgebracht. Es ist das mathematische Modell des unstationaren Prozesses der Erwarmung des Motorols in der Gehausentasse des KA-MAZ-Motors vorgeschlagen. Es ist die theoretischen Untersuchungen der Parameter der Anlage der Elektroerwarmung des Motorols mit der Selbstregulierung der Leistung durchgefuhrt. Es ist die Rationalflache der warmeabgebenden Oberflache der Anlage bestimmt.
Etudes theoriques des parametres du dispositif electrique de chauffage avec l’autoreglage de la puissance
Resume: Est expose le principe du fonctionnement des posisteurs dans les dispositifs electriques du chauffage de l’huile moteur dans le carter du moteur KAMAZ. On a examine theoriquement le probleme de l’augmentation de l’efficacite de l’utilisation des posisteurs. On a cite les etudes theoriques des parametres du dispositif electrique de chauffage de l’huile moteur avec l’autoreglage de la puissance et l’on a defini la surface rationnelle de l’aire rendant la chaleur du dispositif.
