close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Обеспечение эксплуатационного температурного режима подкапотного пространства автомобиля

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ТРУНОВ Владислав Владимирович
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО
ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ПОДКАПОТНОГО
ПРОСТРАНСТВА АВТОМОБИЛЯ
05.22.10 – Эксплуатация автомобильного транспорта
Автореферат диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Оренбург - 2018
2
Работа выполнена в федеральном
образовательном
учреждении
высшего
государственный университет» (ОГУ).
государственном бюджетном
образования
«Оренбургский
Научный руководитель –
доктор технических наук, профессор,
Филатов Михаил Иванович
Официальные оппоненты:
Карнаухов Владимир Николаевич,
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный
университет», профессор кафедры
«Эксплуатация автомобильного
транспорта»;
Петров Александр Павлович,
кандидат технических наук, доцент,
ФГБОУ ВО «Курганский государственный
университет», доцент кафедры
«Автомобили»
Ведущая организация –
ФГБОУ ВО «Саратовский
государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А.»
Защита состоится 25 мая 2018 г. в 15:00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.181.02 на базе ФГБОУ ВО «Оренбургский
государственный университет», по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13,
ауд. 170215.
С диссертацией и авторефератом диссертации можно ознакомиться в
библиотеке и на сайте (www.osu.ru) ФГБОУ ВО «Оренбургский
государственный университет».
Автореферат разослан
Ученый секретарь
диссертационного совета
апреля 2018 г.
Калимуллин Руслан Флюрович
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Готовность автомобиля к выполнению транспортной
работы оценивается исправностью, а так же достижением значений
эксплуатационных параметров его агрегатов. Наиболее ответственным
агрегатом автомобиля, обеспечивающим надёжную его эксплуатацию, является
двигатель, рабочие характеристики которого реализуются при достижении
заданного значения температуры.
Надёжный пуск и прогрев двигателя автомобиля в условиях низких
температур может быть обеспечен путём применения устройств тепловой
подготовки. При этом длительность тепловой подготовки и прогрева зависит от
начальной температуры охлаждающей жидкости, температуры окружающей
среды, способа прогрева, характеристик подкапотного пространства
(компоновка агрегатов, теплоизолирующие поверхности, воздушные потоки,
состав элементов системы охлаждения и др.). При движении автомобиля
температурный режим системы охлаждения двигателя и подкапотного
пространства определяются тепловыделением агрегатов и набегающим на
автомобиль воздушным потоком. Эффективность различных вариантов
тепловой подготовки и прогрева двигателя можно повысить путём сокращения
потерь теплоты двигателем через подкапотное пространство. В существующих
исследованиях этим потерям придаётся малое значение.
Схемы регулирования температуры охлаждающей жидкости с
использованием термостатов и многоскоростных вентиляторов не исключают
возможность снижения температуры в подкапотном пространстве и, как
следствие, отклонения температуры в системе охлаждения двигателя от
рабочей. В связи с этим, приобретает актуальность вопрос разработки научно
обоснованных мероприятий по поддержанию температурного режима
подкапотного пространства и двигателя, в том числе, за счёт регулирования
параметров воздушных потоков, поступающих в подкапотное пространство.
Объект исследования – процесс изменения теплового состояния
подкапотного пространства автомобиля в эксплуатации.
Предмет исследования – закономерности изменения температуры в
критериальных точках подкапотного пространства автомобиля в эксплуатации.
Цель исследования – повышение эффективности эксплуатации
автомобилей за счёт регулирования температурного режима подкапотного
пространства.
Задачи исследования:
1) теоретически исследовать тепловой режим подкапотного пространства
автомобиля в эксплуатации;
2) обосновать критериальную точку, наиболее точно характеризующую
температурный режим подкапотного пространства автомобиля в эксплуатации;
3) экспериментально исследовать изменение температурного режима
подкапотного пространства автомобиля в эксплуатации;
4
4) разработать алгоритм и практические рекомендации регулирования
температурного режима подкапотного пространства автомобиля в условиях
эксплуатации.
Содержание диссертации соответствует области исследований паспорта
научной специальности 05.22.10 – Эксплуатация автомобильного транспорта:
«п. 19 Методы ресурсосбережения в автотранспортном комплексе».
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.
Использованы
теории
технической
эксплуатации
автомобилей,
автомобильных двигателей, вероятности; аналитические и численные методы в
планировании и обработке результатов эксперимента.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается тем, что:
теория построена на известных, проверяемых данных и согласуется с
результатами ранее выполненных исследований; экспериментальные данные
получены с использованием стандартных и апробированных методик и
сертифицированного оборудования.
Положения, выносимые на защиту и обладающие научной новизной:
1) математическая модель теплового баланса подкапотного пространства,
учитывающая скорость движения автомобиля, температурный режим двигателя
и теплоту, выделяемую агрегатами и узлами, расположенными в подкапотном
пространстве;
2) закономерности изменения температуры двигателя и подкапотного
пространства в критериальной точке, учитывающие изменение площади
проходного сечения решётки радиатора, скорость движения автомобиля и
температуру окружающей среды;
3) алгоритм изменения площади проходного сечения решётки радиатора,
позволяющий регулировать температурный режим подкапотного пространства
автомобиля с учётом режима эксплуатации.
Теоретическая значимость диссертационного исследования состоит в
обосновании методологии обеспечения температурного режима подкапотного
пространства автомобиля с учётом эксплуатационных факторов.
Реализация результатов работы:
- рекомендации по сокращению времени подготовки автомобиля к
транспортной работе за счёт регулирования температурного режима
подкапотного пространства автомобиля (внедрены в ООО «САН», ООО
«Силичь», ООО «Барьер»);
- методические материалы, используемые в учебном процессе ОГУ.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и
получили одобрение: на российской и международных научно-практических
конференциях «Прогрессивные технологии в транспортных системах»
(Оренбург, 2009, 2011, 2013 гг.), на международной научно-практической
конференции «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств»
(Пенза, 2010 г.), на всероссийской научно – методической конференции
«Инновационное развитие профессионального образования в условиях
университетского комплекса» (Бузулук, 2010, 2011 гг.), на международной
научной конференции «Наука и образование: фундаментальные основы,
5
технологии, инновации» (Оренбург, 2010 г.), на всероссийской научнопрактической конференции «Проблемы функционирования систем транспорта»
(Тюмень, 2011, 2017 гг.), на международной научно-практической конференции
«Наука и практика: Проблемы, Идеи, Инновации» (Чистополь, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в
том числе 6 статей в рецензируемых научных журналах из «Перечня…» ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти
разделов, заключения, списка использованных источников из 117
наименований, приложений и содержит 136 страниц машинописного текста, в
том числе 38 рисунков и 6 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дано обоснование актуальности темы, приводится общая
характеристика работы.
В первом разделе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования»
представлены результаты анализа работ по повышению эффективности
эксплуатации автомобилей за счёт обоснования длительности и способов
тепловой подготовки ДВС, сохранения и использования тепловой энергии
подкапотного пространства.
Исследованию
влияния
температуры
окружающей
среды
на
эффективность эксплуатации автомобилей посвящены труды Анискина Л.Г.,
Афанасьева Л.Л., Бондаренко В.А., Власова В.М., Жигадло А.П., Карницкого
В.В., Карнаухова В.Н., Крамаренко Г.В., Кузнецова Е.С., Лосавио Г.С.,
Николаева В.А., Петрова А.П., Резника Л.Г., Семенова Н.В., Шуваевой И.М.,
Юрковского И.М. и других отечественных и зарубежных учёных.
В рассмотренных работах повышение эффективности подготовки
двигателя к принятию нагрузки достигается за счёт подвода дополнительной
энергии, направленной на разогрев охлаждающей жидкости, моторного масла,
аккумуляторной батареи и др. При этом вопросам сохранения накопленной
тепловой энергии в подкапотном пространстве, оказывающей влияние на
агрегаты и системы автомобиля, уделяется относительно мало внимания.
Понятие теплового баланса подкапотного пространства и возможности его
регулирования также не раскрыты в должной мере.
Методы и средства, позволяющие повысить эффективность подготовки
двигателя к эксплуатации, взяты за основу гипотезы о возможности
сокращения времени прогрева двигателя за счёт регулирования температурного
режима подкапотного пространства и её дальнейшей проверки с учётом
принятых допущений.
Во втором разделе «Теоретическое обоснование возможности
регулирования температурного режима подкапотного пространства» на
основании положений теории автомобильных двигателей разработаны
математические модели, характеризующие потери теплоты, и температурный
режим подкапотного пространства в процессе эксплуатации с учётом
регулирования площади проходного сечения решётки радиатора в зависимости
6
от скорости движения автомобиля и температуры окружающей среды,
предложен способ регулирования температурного режима подкапотного
пространства в процессе эксплуатации.
Тепловые потери влияют на затраты топлива. В общем виде расход
топлива qтопл, л на тепловую энергию, переданную окружающей среде, можно
представить в виде функции (1):
qтопл = f(qо.ж., qо.г., qа.т.,qн.о., qпр),
(1)
где qо.ж., qо.г., qа.т., qн.о. и qпр – расходы топлива на тепловую энергию,
переданную окружающей среде системой охлаждения двигателя, системы
выпуска
отработавших
газов,
агрегатами
трансмиссии,
навесным
оборудованием
и
прочими объектами подкапотного пространства
соответственно, л.
Для оценки расхода топлива необходимо знать количество теплоты,
поступающей в подкапотное пространство и отводимой в окружающую среду.
Основной вклад в температурный режим подкапотного пространства
вносит двигатель. Для обеспечения рабочего температурного режима двигателя
подкапотное пространство должно аккумулировать теплоту при прогреве
двигателя и поддерживать рабочую температуру двигателя в процессе
эксплуатации.
Исходя из этого, должна быть обеспечена возможность регулирования
температурного режима подкапотного пространства. Схема тепловых потоков в
подкапотном пространстве автомобиля представлена на рисунке 1.
1 – двигатель внутреннего
сгорания, 2 – термостат,
3 – радиатор системы
охлаждения, 4 – решётка
радиатора, 5 – патрубки
системы охлаждения
Рисунок 1 – Схема
тепловых
потоков
в
подкапотном
пространстве автомобиля
При рабочей температуре охлаждающей жидкости двигателя количество
теплоты Qп.п., выделяемое в подкапотное пространство, должно соответствовать
количеству теплоты Qо.с., отводимому в окружающую среду (2):
Qп.п. = Qо.с.
(2)
Количество теплоты Q., выделяемое источниками тепла подкапотного
пространства, представим в виде функции (3):
Q. = f (Qо.ж., Qо.г., Qа.т.,Qн.о., Qпр.),
(3)
7
где Qо.ж. –количество теплоты, выделяемое охлаждающей жидкостью системы
охлаждения двигателя, Дж/с;
Qо.г. –количество теплоты, выделяемое отработавшими газами от двигателя
внутреннего сгорания в окружающую среду, Дж/с;
Qа.т. –количество теплоты, выделяемое агрегатами трансмиссии, Дж/с;
Qн.о. – максимальное количество теплоты, выделяемое навесным
оборудованием двигателя при максимальной нагрузке на него (стартер,
генератор, насос ГУР и т.д.), Дж/с.
Qпр.– максимальное количество теплоты, выделяемое другими объектами
подкапотного пространства при максимальной их нагрузке, Дж/с.
В
процессе
эксплуатации
в
подкапотном
пространстве
от
соответствующих источников аккумулируется только часть теплоты, остальная
часть отводится в окружающую среду. Поэтому математическую модель
теплового баланса подкапотного пространства (2) следует записать в виде:
Qп.п. = kо.ж.·Qо.ж.+ kо.г.·Qо.г.+ kа.т.·Qа.т. + kн.о.·Qн.о. + kпр·Qпр = Qо.с.,
(4)
где ki – коэффициенты, значения которых определяют долю выделяемой
источниками теплоты, передаваемой в подкапотное пространство.
Коэффициенты ki могут принимать значения в диапазоне от 0 до 1. Это
зависит от режима работы как самого двигателя, так и агрегатов подкапотного
пространства, температуры окружающей среды и других факторов.
Величина kо.ж.·Qо.ж. наиболее существенно влияет на температурный
режим подкапотного пространства, в связи с передачей двигателем
значительной части его теплоты в систему охлаждения. Предполагая, что вся
теплота охлаждающей жидкости должна передаваться в подкапотное
пространство только в случае использования всей площади S, м2, проходного
сечения решётки радиатора, коэффициент kо.ж. можно определить по формуле
(5):
kо.ж. = (S –S1) / S,
(5)
2
где S1 – площадь проходного сечения верхней решётки радиатора, м .
В частности, с учётом конструктивных особенностей автомобиля ВАЗ
2112 коэффициент kо.ж. для него в процессе эксплуатации находится в
интервале значений 0,49…1,0 (от 49 % до 100 % теплоты, выделяемой системой
охлаждения, выделяется в подкапотное пространство).
Значение коэффициента kо.г. зависит от расположения агрегатов в
подкапотном пространстве, от компоновки системы выпуска отработавших
газов и т.п. Для определения значения kо.г. нами предложена зависимость (6):
kо.г. = Sо.г. п.п. / Sо.г. общ.,
(6)
где Sо.г. п.п. и Sо.г. общ – соответственно площадь поверхностей элементов системы
выпуска отработавших газов, расположенных в подкапотном пространстве и
общая площадь поверхностей элементов системы выпуска отработавших газов,
м2 (для исследуемого автомобиля значение коэффициента kо.г. составляет 0,065).
Значение kа.т. зависит от расположения агрегатов трансмиссии в
подкапотном пространстве и определяется выражением (7):
kа.т. = Sа.т. верх. / S а.т. общ.,
(7)
8
где Sа.т. верх и S а.т. общ. – соответственно площадь поверхностей агрегатов
трансмиссии в подкапотном пространстве и общая площадь поверхностей этих
агрегатов, м2 (для исследуемого автомобиля значение коэффициента kа.т.
составляет 1).
Значение kн.о. (зависит от величины потребляемой навесным
оборудованием мощности) предлагается определять по формуле (8)
kн.о. = N.потреб. / N макс.,
(8)
где Nпотреб и Nмакс. – фактическое и максимальное значения потребляемой
мощности оборудованием, расположенным в подкапотном пространстве, м2
(для исследуемого автомобиля значение kн.о. изменяется в пределах от 0,56 до
1,0).
В зависимости от количества источников тепла, размещаемых в
подкапотном пространстве, будет меняться и количество слагаемых выражения
(4).
Одним из вариантов поддержания температуры охлаждающей жидкости
двигателя в требуемом диапазоне является регулирование площади проходного
сечения решётки радиатора. Объём воздушного потока, отводящего теплоту от
системы охлаждения двигателя, зависит от величины площади проходного
сечения решётки радиатора. В большинстве случаях общая площадь решётки
радиатора S состоит из площади нижней решётки радиатора S2 и площади
верхней решётки радиатора S1. При этом температуру TЖ охлаждающей
жидкости двигателя можно представить функцией (9):
TЖ = f (F, K, ρ, cВОЗД, TВОЗД, S, V),
(9)
где F – общая площадь поверхности радиатора системы охлаждения двигателя,
м2; К - коэффициент теплопередачи радиатора системы охлаждения двигателя,
Вт/(м2·К); ρ – плотность, обдувающего радиатор, потока воздуха, кг/м3; cВОЗД –
теплоёмкость воздуха, Дж / (кг·К); TВОЗД – температура воздуха, ºС; S – площадь
проходного сечения решётки радиатора, м2; V – скорость движения автомобиля,
м/с.
Теплота, поступающая в подкапотное пространство автомобиля, должна
накапливаться до тех пор, пока температура охлаждающей жидкости двигателя
не достигнет рабочих значений. При достижении рабочей температуры
двигателем вновь поступающая теплота должна передаваться окружающей
среде.
Эффективный отвод теплоты от двигателя обеспечивают верхняя и нижняя
решётки радиатора. Площадь S проходного сечения решётки радиатора
выбирается с учётом исключения перегрева двигателя. Для исследуемого
автомобиля рабочая температура двигателя соответствует температуре
охлаждающей жидкости 95 ºС. От перегрева двигатель защищён вентилятором
системы охлаждения, который включается при температуре 102 ºС и
отключается при 98 ºС, обеспечивая дополнительный приток воздуха для
отвода теплоты через подкапотное пространство в окружающую среду. С
другой стороны, при движении автомобиля на высоких скоростях набегающий
поток воздуха отводит избыточное количество теплоты даже при
остановленном вентиляторе, тем самым понижая температуру двигателя, после
9
чего термостат начинает закрывать «большой» круг системы охлаждения,
сокращая количество теплоты, отводимой в подкапотное пространство. Чтобы
обеспечить тепловой баланс подкапотного пространства в этом случае,
необходимо уменьшить величину площади проходного сечения решёток
радиатора.
Площадь проходного сечения решётки радиатора S для поддержания
рабочего температурного режима двигателя с учётом условия эффективного
отвода теплоты системой охлаждения и объёма воздуха, проходящего сквозь
радиатор, предлагается определять по формуле (10):
ВОЗД
FK
Т Ж - Т СР
S=
(10)
ВОЗД
ВОЗД К Т ,
сVcВОЗД Т ВЫХ
- Т ВХ
ВОЗД
где Т Ж - температура охлаждающей жидкости двигателя, ºС; Т СР
- средняя
ВОЗД
температура воздуха, проходящего сквозь радиатор, ºС; Т ВыХ
- температура
ВОЗД
воздушного потока за радиатором системы охлаждения двигателя, ºС; Т ВХ
температура воздушного потока перед радиатором системы охлаждения
двигателя, ºС.
Коэффициент КТ определяется из выражения (10), исходя из следующего
условия: при температуре охлаждающей жидкости, соответствующей полному
открытию термостата, площадь S должна быть максимально возможной для
конкретного автомобиля. Это объясняется условием сохранения теплового
баланса двигателя внутреннего сгорания.
Данная зависимость учитывает температуру воздуха и температуру
охлаждающей жидкости перед и за радиатором, а так же устанавливает связь
между площадью проходного сечения решётки радиатора, площадью его
поверхности, скоростью движения автомобиля и температурными параметрами
системы охлаждения и окружающей среды.
Оптимальным будет то значение площади S, при которой температура
охлаждающей жидкости двигателя ТЖ принимает постоянные значения, либо
колебания её будут минимальны.
Таким образом, в процессе эксплуатации необходимо обеспечить
возможность
регулирования
температурного
режима
подкапотного
пространства, который повысит эффективность эксплуатации автомобилей за
счёт сокращения времени прогрева и увеличения времени охлаждения
двигателя. Регулирование должно осуществляться с учётом площади
охлаждения радиатора, коэффициента теплопередачи, температуры воздуха
окружающей среды, скорости движения автомобиля и температурного режима
двигателя.
В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных
исследований» приводятся программа и методики экспериментальных
исследований. Целью экспериментальных исследований являлось определение
условий работы подкапотного пространства и двигателя, а так же
подтверждение предложенной теории.
10
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и
дорожных условиях на автомобиле ВАЗ 2112. Выбор данной марки автомобиля
обоснован схемой компоновки его агрегатов и узлов, которая свойственна
большинству современных переднеприводных автомобилей. Техническое
состояние автомобиля отвечало требованиям нормативно-технической
документации.
Определение расхода топлива в период прогрева, содержания и объёмов
выбросов загрязняющих веществ в отработавших газах проводили с
применением адаптера АМД4СОК, программного комплекса МТ10 (рисунок 2),
современного 5-компонентного газоанализатора Инфракар 5М-3.01, который
позволил получить данные с относительной погрешностью для СО – до 3%, для
СН – до 5%, СО2 – до 4%, О2 – до 3%, NOx – до 10 ppm, и термоанемометра DT8880. Измерения проводились при прогреве двигателя до температуры 70°С.
Данная температура обоснована тем, что скорость изнашивания деталей
двигателя, при дальнейшем повышении температуры охлаждающей жидкости,
будет изменяться не значительно. Было выполнено 48 измерений.
Рисунок 2 – Схема
подключения
приборов
при
проведении
экспериментальных
исследований
Исследования температурных полей подкапотного пространства
выполнялись по всему объёму с использованием датчиков (термопар) ОВЕН
ДТПL011-0,5/5 (тепловая инерция не превышает 3 с) с абсолютной
погрешностью ±2,5°С. Фиксация температуры проводилась в период прогрева
двигателя, на стационарном автомобиле и в движении, при различных
температурах окружающей среды. На компьютере регистрировалась величина
температуры с помощью программного обеспечения ОВЕН. Датчики
подключались к компьютеру через прибор ОВЕН УКТ38-Щ4 и преобразователь
интерфейсов «токовая петля»/RS-232 ОВЕН АС-2.
Экспериментальные исследования в дорожных условиях проводились на
загородной дороге с усовершенствованным асфальтобетонным покрытием при
различных температурах окружающей среды.
Площадь проходного сечения решётки радиатора изменяли с учётом
выражения (10), графическое отображение которого представлено на рисунках
3 и 4.
11
Рисунок 3 - Закономерности изменения площади проходного сечения решётки
радиатора в зависимости от скорости движения автомобиля при постоянной температуре
окружающей среды: Sрасч – расчётная площадь проходного сечения решёток радиатора; Sфакт
– фактическая площадь проходного сечения решёток радиатора; S2 - фактическая площадь
проходного сечения нижней решётки радиатора
Рисунок 4 – Закономерности изменения площади проходного сечения решётки
радиатора в зависимости от температуры окружающей среды при постоянной скорости
движения автомобиля: Sрасч – расчётная площадь проходного сечения решёток радиатора;
Sфакт – фактическая площадь проходного сечения решёток радиатора; S2 - фактическая
площадь проходного сечения нижней решётки радиатора
На скоростях до 80 км/ч объём поступающего воздуха недостаточен для
охлаждения, поэтому, с целью предотвращения постепенного увеличения
температуры двигателя, решётку радиатора оставляли полностью открытой. В
случае перегрева двигателя избыток теплоты отводил штатный вентилятор
системы охлаждения через подкапотное пространство в окружающую среду.
Аналогично, при температуре окружающей среды ниже t1 необходимо так
же уменьшать площадь проходного сечения решетки радиатора (рисунок 4).
Для обеспечения рабочей температуры двигателя, начиная со скорости в
80 км/ч (V1), площадь проходного сечения уменьшали. Это связано с
необходимостью сокращения потерь теплоты из подкапотного пространства за
счёт уменьшения количества воздуха, проходящего через радиатор системы
охлаждения.
12
Площадь проходного сечения решётки радиатора изменялась в диапазоне
от 0,05 м2 до 0,26 м2, что соответствует температурам окружающей среды в
интервале от минус 50 ºС до плюс 50 ºС, при этом после сокращения площадь
S1 до нуля требуется уменьшение и площади S2 (t1, рисунок 4).
Если при движении автомобиля температура охлаждающей жидкости
возрастала больше 102 ºС, то обеспечивали доступ воздуха в подкапотное
пространство в полном объёме. Если температура охлаждающей жидкости
была меньше 102 ºС и больше 87 ºС, то в этом случае, определяли площадь S по
выражению (10) и открывали жалюзи на заданную величину.
При испытаниях на стационарном автомобиле (V=0 км/ч) с запущенным
двигателем и температурой охлаждающей жидкости ниже рабочей
(температура охлаждающей жидкости меньше 87 ºС) полностью закрывали
жалюзи радиатора (в этом случае эффективность отвода теплоты от радиатора
системы охлаждения была мала), а после достижения значения температуры
охлаждающей жидкости 87 ºС жалюзи радиатора открывали на величину,
определённую по выражению (10).
В четвёртом разделе «Анализ результатов экспериментальных
исследований»
приведено
обоснование
выбора
критерия
оценки
температурного поля подкапотного пространства, определены критериальные
точки и проведён анализ результатов измерений времени прогрева, времени
охлаждения двигателя и количества выбросов загрязняющих веществ с
отработавшими газами.
В качестве критерия, наиболее полно характеризующего температурное
поле подкапотного пространства автомобиля, предлагается использовать
значение температуры в определенных точках, названных нами
критериальными. Выделены три группы критериальных точек подкапотного
пространства: точки, температура в которых практически не изменяется в
процессе эксплуатации; точки, температура в которых возрастает по мере
увеличения температуры охлаждающей жидкости и в дальнейшем остаётся
стабильной; точки, в которых происходят значительные колебания
температуры в зависимости от эксплуатационного режима.
Наибольший интерес представляет критериальныя точка, расположенная
за диффузором радиатора системы охлаждения двигателя на оси движения
воздушного потока. Температура в данной точке зависит от скорости движения
автомобиля, температурного режима двигателя и температуры окружающей
среды. Площадь проходного сечения решётки радиатора оказывает
существенное влияние на величину температуры воздуха в данной
критериальной точке.
По результатам экспериментальных исследований были получены
зависимости времени прогрева и охлаждения двигателя при различных
температурах окружающей среды, представленные на рисунке 5.
Время прогрева и охлаждения двигателя напрямую зависит от
температуры окружающей среды. Чем ниже температура окружающей среды,
тем эффективнее происходит отвод теплоты от двигателя через подкапотное
пространство в окружающую среду, и наоборот. При понижении температуры
13
окружающей среды с минус 10 ºС до минус 20 ºС интенсивность прогрева
уменьшается с 4,7 ºС/мин. до 3,5 ºС/мин. Понижение температуры окружающей
среды на 10 ºС при хранении автомобиля приводит к увеличению
интенсивности охлаждения с 0,55 ºС/мин. до 2,6 ºС/мин. Изменяя температуру в
критериальной точке изменением количества воздуха, проходящего через
радиатор системы охлаждения, можно обеспечить сокращение времени
прогрева и увеличение времени охлаждения двигателя.
Рисунок 5 – Графики изменения температуры охлаждающей жидкости двигателя
автомобиля ВАЗ 2112 в зависимости от температуры окружающей среды: 1 - охлаждение
двигателя до температуры охлаждающей жидкости 20 ºС при S1 = 0; 2 – охлаждение
двигателя до охлаждающей жидкости 20 ºС при максимальной S1; 3 - прогрев двигателя до 70
ºС при максимальной S1; 4 – прогрев двигателя до 70ºС при S1=0
Таким образом, при повышении интенсивности прогрева двигателя за счёт
уменьшения проходного сечения верхней решётки радиатора в процессе
эксплуатации было установлено, что время подготовки автомобиля к
транспортной работе сокращается на 7,3 %. Если автомобиль находится в
ожидании при неработающем двигателе, то время охлаждения увеличивается
на 20,3%.
Результаты замеров состава и массы загрязняющих веществ в период
прогрева с открытой и закрытой решеткой радиатора представлены в таблице 3.
Таблица 3 – Масса выбросов веществ в период прогрева с отработавшими
газами при открытой и закрытой решетке радиатора
Наименование показателя
Масса выбросов при
прогреве с открытой
решеткой радиатора, мг
Масса выбросов при
прогреве с закрытой
решеткой радиатора, мг
CH
CO
Вещества
CO2
NOx
O2
61,5
3133,5
79484,8
38,2
6998,6
45,6
2876,4
73714,0
35,2
6488,5
14
Данные по составу и массе загрязняющих веществ в отработавших газах
получены с учётом сокращения времени прогрева. Таким образом, на стадии
прогрева двигателя автомобиля за счёт сокращения времени происходит
уменьшение объёмов и массы загрязняющих веществ с отработавшими газами.
По результатам исследований разработан алгоритм регулирования
величины площади проходного сечения решётки радиатора, представленный на
рисунке 6.
Рисунок 6 – Алгоритм регулирования величины площади проходного сечения решётки
радиатора
Представленный алгоритм дополнительно учитывает скорость движения
автомобиля и температуру окружающей среды. По данном алгоритму
разработано
программное
обеспечение
для
микроконтроллеров
интеллектуальных жалюзи.
По результатам экспериментальных исследований установлено, что
регулированием теплообмена подкапотного пространства с окружающей
средой за счёт перекрытия верхней решётки радиатора сокращается время
прогрева и уменьшается объём выбросов загрязняющих веществ с
отработавшими газами на 7,9 %. При этом достигается экономия топлива в
период прогрева двигателя на 7,5 %.
15
В пятом разделе «Практическая реализация результатов исследования»
приводится технико-экономическое оценка результатов исследования.
Результаты исследования легли в основу для разработки рекомендаций по
повышению эффективности эксплуатации автомобиля за счёт сокращения
потерь теплоты из подкапотного пространства в период стоянки и межсменного
хранения автомобилей, а так же при подготовке двигателя автомобиля к
принятию нагрузки. Рекомендации приняты и внедрены в производство на
предприятиях ООО «Барьер» и ООО «САН».
На основании полученных закономерностей и разработанного алгоритма
создано программное обеспечение для микроконтроллеров интеллектуальных
жалюзи и внедрено в производство ООО «Силичъ».
Снижение потерь теплоты при температуре двигателя ниже рабочей (за
счёт перекрытия решётки радиатора) обеспечили сокращение времени
подготовки двигателя к принятию нагрузки, уменьшение объёмов выбросов
загрязняющих веществ, а так же экономию топлива в период прогрева.
Обеспечивая сокращение потерь теплоты за счёт уменьшения проходного
сечения решетки радиатора в период прогрева двигателя в движении на
минимальной скорости по предложенной методике позволяет увеличить темп
прогрева в 1,07 раза. Наиболее рационален комбинированный метод, который
позволяет более эффективно прогревать двигатель при незначительных
нагрузках.
Оценка предотвращенного ущерба от выбросов загрязняющих веществ в
атмосферный воздух от одного автомобиля составила 740 руб. в год.
Сокращение времени прогрева и увеличение времени охлаждения
двигателя внутреннего сгорания позволяет уменьшить затраты, более
интенсивно использовать парк автомобилей и ускорять подготовку автомобиля
к транспортной работе.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Анализ состояния вопроса показал, что существующие методы
подготовки автомобильных двигателей к принятию нагрузки ориентированы на
использование дополнительных объёмов энергии для разогрева двигателя. При
этом сохранению накопленной тепловой энергии в подкапотном пространстве
до настоящего времени не уделено должного внимания.
Предложена математическая модель теплового баланса подкапотного
пространства автомобиля, учитывающая температурный режим двигателя и
вклад каждого элемента подкапотного пространства.
2. Научно обосновано расположение критериальной точки, которая
наиболее чувствительна к режиму эксплуатации автомобиля, и потому с
удовлетворительной точностью характеризует температурный режим
подкапотного пространства - точка, расположенная за диффузором радиатора
системы охлаждения на оси движения воздушного потока.
3. Экспериментально установлено, что температура в критериальной точке
зависит от площади проходного сечения решётки радиатора, скорости
16
движения автомобиля и температуры окружающей среды, при этом в
наибольшей степени - от расхода воздуха через радиатор системы охлаждения
двигателя.
Определено, что наиболее эффективный способ подготовки двигателя к
принятию нагрузки – прогрев при движении автомобиля на минимальной
скорости при закрытой верхней решётке радиатора.
4. Разработан алгоритм регулирования температурного режима
подкапотного пространства автомобиля с учётом режима эксплуатации, что
позволило уменьшить время прогрева двигателя от температуры окружающей
среды до эксплуатационной на 7,3 %, а также уменьшить интенсивность его
охлаждения с эксплуатационной температуры до температуры окружающей
среды на 20,3 %.
5. По результатам проведенных исследований разработаны практические
рекомендации повышения эффективности эксплуатации парка автомобиля
ООО «Барьер» и ООО «САН». Разработанное программное обеспечение
внедрено в производство ООО «Силичъ» для программирования
микроконтроллеров жалюзи радиатора. Экономический эффект от внедрения
результатов исследований составляет 740 рублей в год на один автомобиль.
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ
ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ:
- в изданиях, входящих в международные реферативные базы данных и системы
цитирования:
1. Trunov, V.V. Car hood space temperature condition management / V.V. Trunov,
M.I. Filatov, E.V. Frolova [Трунов, В.В. Управление температурным режимом подкапотного
пространства легкового автомобиля / В.В. Трунов, М.И. Филатов, Е.В. Фролова] // Procedia
Engineering. - 2016. - Vol. 684. - pp. 1270-1275.
- в рецензируемых научных журналах из «Перечня…» ВАК:
2. Трунов, В.В. Температурные поля подкапотного пространства автомобиля /
В.В. Трунов // Вестник Оренбургского государственного университета. –2011. – №10.
– С. 216-220.
3. Трунов, В.В. К вопросу о регулировании температурного режима подкапотного
пространства автомобиля / М.И. Филатов, В.В. Трунов // Автотранспортное предприятие. –
2012. – №7. – С. 44-46.
4. Трунов, В.В. Теоретическое обоснование необходимости регулирования
температурного режима работы двигателя / М.И. Филатов, В.В. Трунов // Автомобильная
промышленность. – 2012.- №5. – С. 11-13.
5. Трунов, В.В. Управление топливно-экологическими характеристиками автомобиля
за счёт теплообмена подкапотного пространства с окружающей средой / М.И. Филатов,
В.В. Трунов, В.В. Конопля // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2015.
– №4. – С. 126-130.
- охранные документы на результаты интеллектуальной деятельности:
6. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ 2016662710. Рос. Федерация.
Автоматическое регулирование теплового режима подкапотного пространства автомобиля /
В.В. Трунов, Д.С. Егоров; правообладатель Трунов В.В. – №2016660504; заявл. 26.09.2016;
зарегистр. 21.11.2016 – 1 с.
17
- в других изданиях:
7. Трунов, В.В. Аэродинамика подкапотного пространства - как неотъемлемая часть
проектирования автомобиля / В.В. Трунов, М.И. Филатов // Прогрессивные технологии в
транспортных системах: сб. ст. IX-ой российской науч.-практ. конф. – Оренбург: ГОУ ВПО
ОГУ, 2009. – С. 405-407.
8. Трунов, В.В. Методы и средства измерения аэродинамических показателей
подкапотного пространства автомобиля / В.В. Трунов, М.И. Филатов // Проблемы качества и
эксплуатации автотранспортных средств: сб. ст. VI-ой междунар. науч.-практ. конф. – Пенза:
ПГУАС, 2010. – С. 142-147.
9. Трунов, В.В. Улучшение аэродинамики подкапотного пространства как способ
снижения внутреннего сопротивления и продления срока службы узлов и агрегатов /
В.В. Трунов / Инновационное развитие профессионального образования в условиях
университетского комплекса: сб. ст. Всерос. науч. – практ. конф. – Бузулук: БГТИ, 2010.
– С. 603-606.
10. Трунов, В.В. Исследование движения потоков воздуха в подкапотном пространстве /
М.И. Филатов, В.В. Трунов // Наука и образование: фундаментальные основы, технологии,
инновации: сб. ст. междунар. науч. конф. – Оренбург: ОГУ. – Оренбург: ГОУ ВПО ОГУ,
2010. – С. 201-206.
11. Трунов, В.В. Температурные поля подкапотного пространства
легкового
автомобиля в стационарных условиях / М.И. Филатов, В.В. Трунов // Проблемы
функционирования систем транспорта: сб. ст. Всеросс. науч. – практ. конф. студентов,
аспирантов и молодых учёных. – Тюмень: Тюменский государственный нефтегазовый
университет, 2011. – С. 423-427.
12. Трунов, В.В. Исследование температурных полей подкапотного пространства
легкового автомобиля при его движении / М.И. Филатов, В.В. Трунов // Наука и практика:
Проблемы, Идеи, Инновации: сб. ст. V Междунар. науч.-практ. конф. – Чистополь: ИНЭКА,
2011. – С. 138-140.
13. Трунов, В.В. Результаты исследования температурных полей подкапотного
пространства легкового автомобиля (на примере автомобиля ВАЗ – 2112 / В.В. Трунов //
Актуальные проблемы образования и науки в регионе: материалы Всеросс. науч.-практ.
конф. – Оренбург: ОГУ, 2011. – С.743-748.
14. Трунов, В.В. Методика определения температурных режимов элементов
подкапотного пространства автомобиля / М.И. Филатов, В.В. Трунов // Прогрессивные
технологии в транспортных системах: сб. ст. X междунар. науч.-практ. конф. – Оренбург:
ОГУ, 2011. – С. 355-359.
15. Трунов, В.В. Исследование температурных полей подкапотного пространства при
нагревании и остывания ДВС с учётом влияния окружающей среды / В.В. Трунов //
Прогрессивные технологии в транспортных системах: сб. ст. Х междунар. науч.-практ. конф.
– Оренбург: ОГУ, 2011. – С. 330-334.
16. Трунов, В.В. Повышение экологической безопасности ДВС автомобилей путем
поддержания температурного режима / В.В. Трунов, М.И. Филатов // Прогрессивные
технологии в транспортных системах: сб. ст. XI-ой Междун. науч.-практ. конф. – Оренбург:
ОГУ, 2013. – С. 535-538.
17. Трунов, В.В. Методика обеспечения рабочего теплового режима двигателя
автомобиля в эксплуатации / В.В. Трунов, М.И. Филатов // Транспортные и транспортнотехнологические системы: сб. ст. междунар. науч.-техн. конф. – Тюмень: ТИУ, 2017.
– С. 437-441.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
10
Размер файла
902 Кб
Теги
режим, обеспечение, пространство, автомобиля, эксплуатационной, подкапотного, температурному
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа