Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

FEATURES SYSTEMS PERFORMANCE AUTOMOTIVE ENGINE COOLING AT HIGH TEMPERATURES

Korchazhkin M.G. 1 Pachurin G.V. 1 Belyaev D.V. 1
1 FGBOU VPO «Nizhny Novgorod State Technical University R.E. Alekseev»
В настоящее время важным направлением современного производства автомобилей и служб их эксплуатации является улучшение эксплуатационных характеристик и эффективности работы двигателей внутреннего сгорания. Улучшение экономичности эксплуатации теплообменных агрегатов представляет собой важную задачу современной науки и производства. На эффективность работы двигателей и их отдельные показатели существенно влияют условия эксплуатации. Условия эксплуатации двигателей оказывают комплексное влияние на их различные показатели. Установлено, что с повышением температуры жидкости в системе охлаждения возрастает температура основных деталей двигателя и изменяются параметры его рабочего процесса. Анализ способов повышения эффективности системы охлаждения двигателя позволяет предложить для практической реализации при эксплуатации двигателя в условиях жаркого климата следующее: замену воды (антифриза) в системе охлаждения двигателя на дизельное топливо; увеличение частоты вращения вентилятора; повышение интенсивности циркуляции охлаждающей жидкости. Данные материалы могут быть полезными для специалистов, занимающихся эксплуатацией автомобильного транспорта, преподавателей и студентов вузов соответствующего профиля.
Currently, an important area of modern production cars and their service operation is to improve the performance and efficiency of the internal combustion engine. Improving the efficiency of operation of heat exchange units is an important task of modern science and industry. On the efficiency of the engines and their individual performance significantly it affects operating conditions. Engine operating conditions have a complex effect on their various figures. It is found that with increasing temperature of the liquid in the cooling system increases the temperature of main parts of the engine and its operating parameters change process. Analysis of ways to enhance the efficiency of the engine cooling system allows us to offer to the practical implementation of the operation of the engine in hot climates the following: replacement of water (antifreeze) in the cooling system of the engine on diesel fuel; increase the fan speed; increase the intensity of the circulation of the coolant. These materials may be useful for professionals engaged in the operation of road transport, teachers and students of higher educational institutions corresponding profile.
technical maintenance of vehicles
piston engines
the cooling system of internal combustion engine
the thermal stability of the engine condition
the intensity of the coolant
1. Borisov G.V., Leliovskij K.Ja., Pachurin G.V. K voprosu o normirovanii rashoda zhidkih topliv na avtomobilnom transporte // Fundamentalnye issledovanija.2015. no. 3. рр. 28–35.
2. Gorshkova T.A., Shevchenko S.M., Barabashin I.A., Pachurin G.V., Kuzmin N.A. Povyshenie jekspluatacionnyh harakteristik dvigatelja vnutrennego sgoranija VAZ-21124 // Fundamentalnye issledovanija. 2015. no. 5–2. рр. 274–278.
3. Korchazhkin M.G. Povyshenie jekspluatacionnoj nadezhnosti dvigatelej gorodskih avtobusov, rabotajushhih na rezhimah vysokih teplovyh nagruzok: dissertacija na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tehnicheskih nauk. 2005. 185 р.
4. Korchazhkin M.G., Kuzmin N.A., Kustikov A.D. Sovershenstvovanie normativov tehnicheskoj jekspluatacii gorodskih avtobusov: Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva. 2012. no. 4 (97). рр. 168–174.
5. Kuzmin N.A. Tehnicheskaja jekspluatacija avtomobilej: zakonomernosti izmenenija rabotosposobnosti: uchebnoe posobie. M.: Forum, 2011. 207 р.
6. Kuzmin N.A., Kustikov A.D. Problemy nadezhnosti transmissij gorodskih avtobusov: Avtotransportnoe predprijatie. 2013. no. 8. рр. 39–42.
7. Kuzmin N.A., Kustikov A.D., Jasenov V.V. Osobennosti raboty mehanicheskih korobok peredach gorodskih avtobusov pri jekspluatacii na marshrutah s podemami: Avtotransportnoe predprijatie. 2014. no. 4. рр. 37–39.
8. Mindrin V.I., Pachurin G.V., Rebrushkin M.N. Vihrevaja truba v sisteme konservacii i rasholazhivanija parovyh turbin // Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. 2014. no. 2.
9. Mindrin V.I., Pachurin G.V., Kuzmin N.A. Gidropnevmaticheskij sposob ochistki trubok kondensatorov parovyh turbin. Zabytyj jeksperiment // Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyh i fundamentalnyh issledovanij. 2015. no. 6. рр. 42–47.
10. Pachurin G.V. Korrozionnaja dolgovechnost izdelij iz deformacionno-uprochnennyh metallov i splavov: Uchebnoe posobie.2-e izd., dop.SPb.: Izdatelstvo «Lan», 2014. 160 р.: il.(Uchebniki dlja vuzov. Specialnaja literatura).

Повышению надежности и безопасности машин и агрегатов в различных условиях эксплуатации посвящены работы многих исследователей [10]. Важным направлением современного производства автомобилей и служб их эксплуатации является улучшение эксплуатационных характеристик и эффективности работы двигателей внутреннего сгорания [2]. Эффективность и надежность функционирования поршневых двигателей во многом определяется работой их отдельных систем и агрегатов. К числу таких важнейших систем двигателя относятся системы охлаждения, топливоподачи, смазки, воздухоочистки.

Улучшение экономичности эксплуатации теплообменных агрегатов представляет собой важную задачу современного производства [8], одним из направлений которой является решение вопросов интенсификации теплообмена в системах охлаждения автомобильных двигателей.

Оценка условий эксплуатации на показатели системы охлаждения двигателя

Опыт свидетельствует, что на эффективность работы двигателей и их отдельные показатели существенно влияют условия эксплуатации [1, 3]. Ряд климатических зон характеризуется высокими температурами [4]. При этом условия эксплуатации осложняются значительной запыленностью окружающей атмосферы.

korchag1.tif

Влияние температуры охлаждающей жидкости на различные параметры и температуру деталей двигателя: 1, 2, 3 – температуры гильзы, поршня и головки цилиндров соответственно; ηv – коэффициент наполнения; tв – температура охлаждающей жидкости; Fр – необходимая площадь радиатора; Qв и Qv – количество тепла, переданное соответственно в воду и масло

 Пыль является определяющей причиной износа поршневых двигателей, поэтому ее количество в воздухе значительно влияет на их надежность. Например, количество пыли при песчаных бурях в пустыне увеличивается до 5–10 г/м3, т.е. на несколько порядков превышает запыленность воздуха в безветренные дни. Нельзя не отметить высокую проникающую способность мелкой пыли, которая в большинстве случаев приникает через серийные системы воздухо-, масло- и топливоочистки, через уплотнения воздушного, масляного и топливного трактов, нарушая при этом работу соответствующих систем двигателя.

Условия эксплуатации двигателей оказывают комплексное влияние на их различные показатели [5]. Так, наличие подъемов на маршруте движения автомобиля вызывает повышение температуры его агрегатов [6, 7]. Нормальное тепловое состояние двигателя в целом – это состояние стабилизации всех параметров рабочего процесса и температуры деталей в соответствующих пределах. Важнейшим показателем теплового состояния двигателя является температура наиболее нагретых и наиболее ответственных деталей двигателя – поршня, поршневых колец, гильзы цилиндров, головки, клапанов, вкладышей подшипников скольжения и др.

Установлено, что с повышением температуры жидкости в системе охлаждения возрастает температура основных деталей двигателя и изменяются параметры его рабочего процесса (рисунок). С ростом температуры деталей двигателя закономерно уменьшается коэффициент наполнения ηv, т.к. начинает сказываться влияние подогрева воздуха от деталей двигателя (каналов головки, впускного трубопровода и др.). Соответственно падает эффективная мощность двигателя и увеличивается минимальный эффективный расход топлива ge min. При повышенных температурах окружающей среды причиной падения мощности двигателя также служит уменьшение плотности воздуха на впуске и, следовательно, снижение массового наполнения цилиндров двигателя [3].

Следует отметить, что температура жидкости в системе охлаждения лишь приближенно отражает тепловое состояние основных деталей двигателя, т.к. при различных режимах работы двигателя имеется различное несоответствие температур охладителя и стенок цилиндров. Установлено, например, что у двигателя ЗМЗ 406.10 при температуре охлаждающей жидкости + 90 °С рабочая температура верхней зоны гильз цилиндров при полной нагрузке и частоте вращения 1500 мин-1 достигает значений + 160 °С, а при этой же нагрузке и увеличении частоты вращения до 4000 мин-1 она возрастает до + 230 °С [3].

Также установлено, что при нормальном тепловом состоянии разница температур охлаждающей жидкости на входе и выходе из двигателя ∆tж на различных режимах работы составляет 5–10 °С. Температура масла при нормальном тепловом состоянии двигателя изменяется пропорционально температуре жидкости. При этом считается нормой, если температура масла превышает температуру охлаждающей жидкости не более чем на 10 °С.

При повышении температуры охлаждающей жидкости до + 120 °С (высокотемпературные системы), температура деталей ЦПГ возрастает всего лишь на 10–12 °С.

Несмотря на различие типов и моделей автомобильных бензиновых двигателей, предельно допустимые температуры их наиболее нагретых деталей имеют примерно одинаковые значения.

Можно ввести параметр kor01.wmf температурной напряженности деталей двигателя исходя из значений максимальной рабочей температуры kor02.wmf деталей и из максимально допустимой температуры kor03.wmf детали по условиям прочности материала:

kor04.wmf.

Для двигателей семейства ЗМЗ значения kor05.wmf, kor06.wmf и kor07.wmf приведены в таблице.

Таким образом, параметр kor08.wmf определяет величину температурного запаса конкретных деталей. Как следует из данных таблице, для двигателей ЗМЗ наименьший температурный запас имеют вкладыши подшипников (около 13 %), а наибольший – верхнее поршневое кольцо (около 73 %).

Следует отметить, что с повышением рабочих температур деталей сокращается срок их службы. Например, увеличение температур силуминовых поршней с + 300 до + 350 °С снижает их долговечность в 2–3 раза, а возрастание температуры вкладышей со + 100 до + 160 °С ускоряет появление трещин на их поверхности в 5–7 раз. С приближением температуры охлаждающей жидкости к точке кипения эффективность циркуляционных систем охлаждения снижается из-за падения КПД водяного насоса. При повышенных температурах может возникнуть также кавитация в насосе и нарушиться циркуляция жидкости.

В экстремальных условиях эксплуатации эффективность работы системы охлаждения может резко снижаться из-за образования накипи в радиаторе и рубашке охлаждения двигателя. Это может происходить при заправке системы охлаждения водой из данного региона, которая может содержать до 20 % различных солей [7]. Часто работа двигателя в жарком климате осложняется также высокой запыленностью воздуха. Пыль и песок могут забивать воздуховоды, ребра радиатора и т.п., ухудшая условия охлаждения двигателя.

Выводы

Анализ способов повышения эффективности системы охлаждения двигателя позволяет предложить для практической реализации при эксплуатации двигателя в условиях жаркого климата следующее:

● замену воды (антифриза) в системе охлаждения двигателя на дизельное топливо;

● увеличение частоты вращения вентилятора;

● повышение интенсивности циркуляции охлаждающей жидкости.

Если первый способ наиболее применим для тяжело нагруженных двигателей коммерческой техники, то второй реализуем на всем спектре автомобилей. Так, на легковых автомобилях возможно изменение схем управления цепями питания электромоторов вентиляторов системы охлаждения, а на грузовых и автобусах – подбором параметров вискомуфт привода вентилятора. Для реализации повышения интенсивности циркуляции охлаждающей жидкости на ряде автомобильных двигателей используются муфты различного типа в приводе насоса охлаждения, также возможно применение привода насоса системы охлаждения с изменяемым передаточным отношением.

Температуры различных деталей двигателей ЗМЗ

Значения температур

Деталь (материал)

Поршень (алюм. сплав)

Верхнее поршн. кольцо (чугун)

Вкладыш подшипника (сталеалюминий)

Стержень вып. клапана (ЭП-303)

kor09.wmf, °С

300

260

150

800

kor10.wmf, °С

350

450

170

950

kor11.wmf

1,17

1,73

1,13

1,19

 

Таким образом, стабильность температурного состояния автомобильных двигателей является залогом долговечности их элементов. Для обеспечения стабильности температурного состояния автомобильных двигателей возможно применение как конструкционных, так и эксплуатационных мероприятий.

Рецензенты:

Панов А.Ю., д.т.н., профессор, директор ИПТМ, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород;

Кузьмин Н.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Автомобильный транспорт», Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.