Повышение эффективности теплоотвода двигателя воздушного охлаждения в отсеке с ограниченным воздухообменом

Тепловое состояние двигателя является одним из важных факторов, обеспечивающих эффективность рабочего процесса, безотказность и долговечность его механизмов.

Перегрев приводит к тепловому расширению и потере подвижности деталей, их короблению и разрушению. При повышении температуры двигателя уменьшающееся наполнение цилиндров вызывает падение мощности, а в процессе сгорания возникают детонационные явления. Переохлаждение ухудшает смесеобразование и воспламенение топлива, приводит к росту трения и интенсификации изнашивания.

Вопросы эффективного функционирования двигателя воздушного охлаждения в отсеке с ограниченным воздухообменом частично рассматриваются в работе [3]. Однако в данной работе решение проблемы снижения тепломеханической напряженности деталей двигателя нс рассматривались во взаимосвязи с затратами мощности на функционирование системы воздушного охлаждения.

В связи с тем, что на показатели работы двигателя воздушного охлаждения существенное влияние оказывает организация рабочего процесса, конструктивные особенности подвода, распределения и отвода охлаждающего воздуха, необходимо теоретическое обоснование и разработка практических мероприятий обеспечения эффективной работы двигателя в отсеке с ограниченным воздухообменом. Таким образом, очевидно противоречие между повышением уровня форсирования, экономичности двигателя, с одной стороны, и обеспечением ограничения параметров по тепловой напряженности, затрат мощности на привод вентилятора, - с другой стороны.

Решением данной проблемы может послужить разработка системы обеспечивающей стабилизацию теплового состояния двигателя воздушного охлаждения. Предлагается конструкция, состоящая из дополнительного вентилятора, электрического привода, блока управления и датчиков для измерения показателей температуры (рис. 1).

Предложенная система работает следующим образом. Во время работы двигателя на пиковых режимах, когда штатный вентилятор 5 не справляется с отводом теплоты в атмосферу, вступает в действие дополнительный вентилятор 3. Данный вентилятор установлен под определенным углом к направлению основного воздушного потока, что создает эффект турбулентности в зоне ребер головки цилиндра 1. При этом существенным образом увеличивается интенсивность

Расчет и конструирование

Рис. 1. Схема системы стабилизации теплового состояния двигателя воздушного охлаждения: 1 - головка цилиндра;

2 - электромотор; 3,5 - вентиляторы; 4 - направляющий кожух; 6 - дефлектор; 7 - линия соединения с приводом;

8 - коленчатый вал; 9,11,12 - датчики температур; 10 - блок управления; 13 - центральный процессор

корректировке. В качестве математической модели система уравнений:

теплоотдачи от ребер к охлаждающему воздуху. Из анализа литературы [2, 3] и полученных экспериментальных данных можно сделать вывод, что для обеспечения надежной работы двигателя диапазон температур поверхностей в зоне установки датчика 12 должен лежать в пределах ISO-195 °C, для датчиков 11, 9 диапазон температур составляет 85-90 °C. Причем разница температур между зонами датчика 12 и группой датчиков И, 9 не должна превышать 95-105 °C. При увеличении данной разницы температур и происходит включение дополнительного вентилятора с помощью блока управления 10 и электромотора 2.

Существующая математическая модель [1] работы системы охлаждения двигателя не в полной мере описывает процессы теплообмена и нуждается в ютемы охлаждения принимается следующая

т _ тс dT              _ тс

™Z Сср(Тср^-Тср^ dt ’                 аоср(тос^-твсру

р =^P *Ph*P3*Z\,          No=      ,

Ю00рЛо где Gmz - потребное количество охлаждающего воздуха, м3;

Fax - поверхность охлаждения, м²;

/z - площадь воздухораспределительного кожуха, м2;

N_e - мощность вентилятора, кВт/ч ;

Р - полное аэродинамическое сопротивление воздушного тракта, кПа;

N_o - мощность потока воздуха, кВт/ч;

ту - полный КПД;

С_Ср - средняя теплоемкость воздуха при постоянном давлении в интервале температур Т_срз и Т_ср\, Дж/(кг К);

ТсрЗ и Т_Ср\ - средняя температура воздуха на входе в межреберные каналы цилиндров и на выходе из них соответственно, К;

а ср - средний коэффициент теплоотдачи поверхности охлаждения;

Тер и Тер - средняя температура поверхности охлаждения воздуха в межреберных каналах, К;

У_Ср\ - скорость воздуха на входе в межреберные каналы цилиндров с головками, м/с;

V_и - относительная скорость истечения воздуха из пары цилиндр-головка, м/с;

m - число ответвлений воздушного потока;

Фадеев Д.Ю.

Повышение эффективности теплоотвода двигателя воздушного охлаждения в отсеке с ограниченным воздухообменом

АР - аэродинамическое сопротивление воздушного тракта двигателя, кПа;

Р_н Лз - потери давления в воздушном тракте системы охлаждения от нагрева воздуха в трассе и от засорения межреберных каналов в процессе эксплуатации двигателя, кПа;

Z1 - гидравлические потери, кПа.

Согласно выбранной математической модели определяются аэродинамические потери в воздухораспределительном кожухе и в целом в воздушном тракте. Кроме того, решается вопрос обеспечения равномерной раздачи воздуха на цилиндры с головками. По данной математической модели можно построить аэродинамическую характеристику системы охлаждения (рис. 2).

Рис.

2. Аэродинамическая характеристика воздушного ботанному методу;

- по методу Д.Р. Поспелова;

тракта системы охлаждения двигателя: —__- по разра-

Решение линейной системы уравнений в общем виде с получением аналитических зависимостей между интересующими нас параметрами может быть выполнено с использованием универсальных пакетов MATCAD, MATLAB.

Сравнение разницы температур масла, цилиндров и головки цилиндров позволяет проследить динамику изменения теплового состояния цилиндропоршневой группы двигателя. Это позволяет в зависимости от режима работы двигателя поддерживать требуемую величину теплоотвода по всей поверхности цилиндропоршневой группы, тем самым обеспечивать оптимальное тепловое состояние двигателя и повышать его надежность и экономичность.

□ - экспериментальные данные

Полученная аэродинамическая характеристика позволяет проводить сравни- тельную оценку с величинами аэродинамических потерь деталей разных двигателей, а также количественно и качественно оценивать изменения скорости потока воздуха в межреберных каналах и уточнять геометрию межреберных каналов для вновь проектируемых двигателей.