Результаты экспериментального исследования влияния температуры охлаждающей жидкости на экономические и энергетические показатели дизельного двигателя

В ходе экспериментальных исследований определялось влияние температуры охлаждающей жидкости на топливно-экономические и энергетические показатели дизеля 4Ч11/12,5 (рисунки 1 и 2), и на составляющие его теплового баланса [1] (рисунок 3).

Исследованиями установлено (рисунок 3.13), что индикаторная мощность с повышением температуры охлаждающей жидкости на дизеле 4Ч11/12,5 в испытуемом диапазоне температур увеличивается на 2,4%, причём в исследуемом диапазоне температур может быть достаточно точно описана линейной зависимостью [210]. Повышение индикаторной мощности обусловлено не только снижением потерь работоспособности рабочего тела, но и уменьшением зазоров в ЦПГ и как следствие снижением утечек рабочего тела через эти зазоры.

Мощность же механических потерь, как видно из рисунка 3.13 на номинальном режиме с повышением температуры охлаждающей жидкости вначале снижается, примерно до 115ºС градусов на 9%, а затем возрастает со 115ºС до 135ºС на 23%. Причём интенсивность дальнейшего нарастания значительно больше интенсивности предварительного спада. Такой характер данной кривой объясняется тем, что предварительный спад, как и его невысокая интенсивность обусловлены, прежде всего, изменением вязкостных свойств масла, применяемого для данного ДВС, которые зависят от температуры особенно сильно до 100ºС. Этим же объясняется и практическая неизменность мощности механических потерь в диапазоне температур от 110ºС до 120ºС. Дальнейшее возрастание мощности механических потерь на 23% в диапазоне со 115ºС до 135ºС с повышением температуры охлаждающей жидкости, как и значительную интенсивность возрастания объясняются следующими обстоятельствами:

Температура охлаждающей жидкости

Рисунок 1 – Зависимость индикаторной, эффективной мощности и мощности механических потерь от температуры охлаждающей жидкости

• a)    жидкое при высоких температурах масло выдувается газами из зазоров между поршнем, кольцами и гильзой, вызывая граничное трение в ЦПГ, тем самым, увеличивая мощность, расходуемую на трение [211, 212];

• b)    при повышенных температурах увеличивается натяг соединения ЦПГ, причём как со стороны поршня, так и со стороны гильзы.

Характер изменения эффективной мощности зависит от двух выше рассмотренных мощностей: индикаторной и механических потерь. Можно констатировать, что максимум эффективной мощности на номинальном режиме для дизеля 4Ч11/12,5 наблюдается при температуре охлаждающей жидкости равной 115ºС, или в диапазоне от 111 до 119ºС.

Наихудшими условиями работы дизеля являются режимы с малыми рабочими температурами, для исследуемого диапазона порядка 60ºС. С повышением температуры охлаждающей жидкости с 60 до 115ºС наблюдается рост топливно-экономических и энергетических показателей. Интенсивность этого роста с повышением температуры замедляется, достигая нуля при температуре охлаждающей жидкости равной 115–119ºС. Здесь же, при данной температуре для номинального режима наблюдается максимум эффективной мощности 61,537 кВт, эффективного КПД 0,3698 и минимум удельного эффективного расхода топлива 229,066 г/кВт·ч.

Зависимость эффективного КПД от температуры охлаждающей жидкости (рисунок 2), подобна зависимости эффективной мощности (рисунок 1), в то время как индикаторный КПД с ростом температуры постоянно поднимается, хотя и не значительно. Так при температуре охлаждающей жидкости 115ºС его увеличение составило всего 1%. Механический

КПД с увеличением температуры охлаждающей жидкости в начале возрастает на 3,6 % при 115ºС, а затем снижается на 2,9 % при 135ºС, обуславливая снижение и эффективного КПД.

Температура охлаждающей жидкости

Рисунок 2 – Зависимость индикаторного, эффективного и механического КПД от температуры охлаждающей жидкости

Температура охлаждающей жидкости

Рисунок 3 – Зависимость термического η_t, относительного η_o, индикаторного η_i КПД и температуры отработавших газов от температуры охлаждающей жидкости

Термический КПД (рисунок 3), в пределах всего исследуемого диапазона не изменяется. Более интенсивный рост индикаторного КПД обусловил увеличение относительного КПД во всём исследуемом диапазоне температур охлаждающей жидкости на 2,18 %. При температуре 115ºС абсолютное значение относительного КПД составило 0,879 %, а его увеличение 1,07 %.

Анализ теплового баланса дизеля 4Ч11/12,5 рисунок 4 показывает, что с повышением температуры охлаждающей жидкости до 115ºС количество теплоты отводимой через систему охлаждения снижается почти вдвое, что даёт возможность существенно снизить теплообменную поверхность радиатора, который выполнен из цветного металла. Однако такое значительное снижение теплоты, отводимой через систему охлаждения, не означает аналогичного по значению снижения потока теплоты от рабочего тела в стенки цилиндров. Дело в том, что при повышении температуры охлаждающей жидкости происходит перераспределение практически всех составляющих теплового баланса.

Температура стенки гильзы цилиндра

Рисунок 4 – Влияние температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения на тепловой баланс дизеля 4Ч11/12,5

Так, например, с ростом температуры охлаждающей жидкости увеличивается и температура смазочного масла, то есть часть теплоты, которая отводилась через систему охлаждения, начинает отводиться через систему смазки. Это положение подтверждает и увеличение члена невязки теплового баланса с ростом температуры, так как специального охладителя для масла испытуемый ДВС не имел. Также из рассмотрения теплового баланса (рисунок 3.15) следует, что при увеличении температуры до 119ºС на номинальном режиме количество теплоты отводимой через систему охлаждения снижается на 38 % и повышается количество теплоты отводимое отработавшими газами на 8,7 %, а также их температура на 17,5ºС (рисунок 3.14). При этом возрастает количество теплоты, рассеиваемое нагретыми частями дизеля на 29,6 %.

Установлено, что оптимальной рабочей температурой охлаждающей жидкости в системе охлаждения тракторного дизеля, при которой обеспечивается наилучшие топливноэкономические и энергетические показатели тракторного двигателя, является температура 115ºС. Это подтверждено регуляторными характеристиками (рисунок 5).

Из установленной взаимосвязи между тепловым состоянием и топливноэкономическими и энергетическими показателями автотракторного дизеля для совершенствования управления его тепловым состоянием на эксплуатационных режимах можно рекомендовать систему охлаждения, поддерживающую рабочую температуру охлаждающей жидкости 115ºС с допустимыми колебаниями ±4ºС. Эффективная мощность при этом на номинальном режиме возрастает на 4,3%, а удельный эффективный расход топлива снижается на 3,9%. На долевых нагрузках повышение температуры охлаждающей жидкости даёт ещё больший эффект по всем рассмотренным показателям. Так, например, при нагрузке 75% от номинальной, эффективная мощность возрастает на 4,6 %, при нагрузке 50% на 5,4 %, а при 25% на 7,4 %. Удельный эффективный расход топлива при нагрузке 75% снижается на 4,2% при нагрузке 50% на 4,9%, а при 25% на 6,7%.

Несмотря на ожидаемое снижение потерь эксергии в рабочем теле и как следствие увеличение индикаторной работы цикла, жёст-коть работы дизеля и максимальное давление цикла снижаются.

Рисунок 5 – Регуляторная характеристика дизеля 4Ч11/12,5 при различных температурах охлаждающей жидкости

Из представленных индикаторных диаграмм работы дизеля 4Ч11/12,5 (рисунки 3.17– 3.20) при различных температурах охлаждающей жидкости можно увидеть, что её повышение приводит к тому, что индикаторная диаграмма как бы смещается по оси ординат вправо, причём жёсткость работы dP/dφ и максимальное давление цикла Pz снижаются. Площадь же на индикаторной диаграмме соответствующая полезной работе при этом увеличивается. Всё выше сказанное справедливо для любого режима нагружения, но проявляется тем сильней, чем меньше нагрузка.

Угол поворота коленчатого вала, градус.

Рисунок 6 – Индикаторная диаграмма дизеля 4Ч11/12,5 при нагрузке 10 Нм и различных температурах охлаждающей жидкости

Рисунок 9 – Индикаторная диаграмма дизеля 4Ч11/12,5 при нагрузке 35 Нм и различных температурах охлаждающей жидкости

Рисунок 7 – Индикаторная диаграмма дизеля 4Ч11/12,5 при нагрузке 20 Нм и различных температурах охлаждающей жидкости

Рисунок 8 – Индикаторная диаграмма дизеля 4Ч11/12,5 при нагрузке 30 Нм и различных температурах охлаждающей жидкости

Рисунок 10 – Зависимость максимального давления цикла Pz от температуры охлаждающей

Температура охлаящаюшрй жидкости, градус.

Рисунок 11 – Зависимость жёсткости dP/dφ от температуры охлаждающей жидкости при различных нагрузках

Кроме того, с увеличением температуры охлаждающей жидкости снижается максималь- ное давление цикла Pz (рисунок 3.21) и жёсткость работы дизеля dP/dφ (рисунок 3.22). Снижения Pz и dP/dφ в диапазоне температур от 95 до 115ºС составляют соответственно на 2,5 и 11% при нагрузке 35 Нм, на 4,1 и 12,8% при нагрузке 30 Нм, на 7,8 и 16,9% при нагрузке 20 Нм, и на 12,3 и 22,4% при нагрузке 10 Нм.