Содержание к диссертации
Введение
1. Эксплуатация лесозштовителъшх машин в условиях отрицательных температур окружающей среды 6
1.1. Особенности пуска холодного двигателя 7
1.2. Способы и средства облегчения пуска двигателей при низких температурах 10
1.2.1. Способы теплового обеспечения двигателей перед пуском при низких температурах 13
1.2.2. Средства облегчения пуска двигателей при низких температурах 18
1.3. Пусковые износы дизельных двигателей 28
1.4. Выводы и задачи исследований 29
2. Теоретические исследования процессов теплообмена в двигателе при его подготовке к пуску 31
2.1. Аналитическое исследование теплового баланса двигателя при подготовке к пуску 31
2".2. Аналитическое исследование теплообмена излучением в системе двигатель-окружающая среда 41
2.3. Обоснование использования газовых горелок инфракрасного излучения в индивидуальных средствах теплового обеспечения двигателей перед пуском 46
2.4. Аналитическое исследование теплового состояния подшипников коленчатого вала при межсменном тепловом обеспечении двигателя 49
2.5. Методика исследований энергетических парамет ров индивидуальных подогревателей на базе горелок инфракрасного излучения 54
2.6. Выводы 58
3. Программа и методика экспершуентальных исследований 60
3.1. Экспериментальная установка и условия провед ния опытов 60
3;2. Методика подготовки и пуска экспериментальной установки 66
3.3. Точность измерения и обработка данных 69
3.4. Выбор переменных и точность результатов экспериментальных исследований 77
3.5. Методика эксплуатационных испытаний 79
3.6. Выводы 82
4. Результаты исследований и их анализ 83
4.1. Анализ теплового баланса двигателя при межсменном тепловом обеспечении 83
4.2. Анализ влияния энергетических параметров и режимов работы подогревателей на теплонапряженность деталей двигателя 85
4.3. Анализ энергетических показателей подготовки и пуска дизельного двигателя 98
5. Экономическая эффективность использования индивидуальных газовых подогревателей дія предцусковой подготовки дагателей лесосечных машин в межженный период 101
6. Заключение и вьвдщ по результатам исследований 106
Список использованных источников
- Способы и средства облегчения пуска двигателей при низких температурах
- Аналитическое исследование теплообмена излучением в системе двигатель-окружающая среда
- Методика подготовки и пуска экспериментальной установки
- Анализ влияния энергетических параметров и режимов работы подогревателей на теплонапряженность деталей двигателя
Введение к работе
Современное направление в развитии лесозаготовительной промышленности характерно динамичным ростом машинизации трудоемких процессов производства. В связи с этим, повышение производительности труда - главного фактора экономического роста - предопределяют высокие эксплуатационные качества технических средств в сочетании с сокращением непроизводительных затрат машинного времени на подготовительные работы.
В докладе /І/ ХХУІ съезду КПСС отмечалось, что "... одна из ключевых задач одиннадцатой пятилетки - более полное и эффективное использование основных производственных фондов".
Основными мобильными/средствами лесозаготовительного производства являются тракторы и созданные на их базе операционные машины. Эксплуатация лесосечных машин имеет специфические особенности, связанные с преобладанием объема работ в зимний период, а также их безгаражным содержанием на удалении от постоянных источников энергии..
Организация подготовки лесосечных машин к ежедневной работе в зимний период до настоящего времени не имеет эффективных форм и средств, заслуживающих широкого распространения. Между тем эффективность использования лесосечной техники в указанных условиях, в значительной мере, определяется затратами времени и материальных средств на подготовительно-заключительные работы /60/. В этой связи большое значение приобретает вопрос теплового обеспечения силовых, установок лесосечных машин перед пуском. Чтобы оценить значимость данного мероприятия, достаточно сказать, что на тепловую подготовку и пуск дизельных. двигателей при низких температурах окружающей среды затрачивается до 20$ сменного времени /60/, а порой, пуск двигателей становится вообще невозможным. Серийные средства предпусковой подготовки не находят широкого применения в промышленности по причине низкой приспособленности для использования в лесосечных машинах. Они пожароопасны и не обеспечивают должного теплового состояния коренных подшипников коленчатого вала. Кроме того, не исключают затрат сменного времени на подготовку двигателей к пуску. По современным представлениям, такие подогреватели не могут обеспечить эффективную эксплуатацию лесосечных машин в зимний период.
Следовательно, совершенствование методов и средств теплового обеспечения силовых установок лесосечных машин перед пуском, в условиях зимней эксплуатации, с целью минимизации материально--труцовых ресурсов и повышения сменной выработки, а также улучшения социально-экономических факторов является актуальной задачей. Поэтому настоящие исследования направлены на повышение эффективности тепловой подготовки двигателей лесосечных машин перед пуском в зимний период.
Способы и средства облегчения пуска двигателей при низких температурах
Современные тракторные двигатели имеют пусковые устройства, обеспечивающие их надежный пуск без применения вспомогательных средств до температур окружающей среды не ниже минус ЮС.
На рис.1.2 представлены основные способы обеспечения надежного пуска двигателя.
Пуск двигателя от внешних источников энергии протекает в жестком режиме, когда для прокручивания коленчатого вала и обеспечения пусковой частоты его вращения, расходуется повышенное количество энергии, необходимой для преодоления внутренних сил сопротивления и достижения высоких параметров такта сжатия (ft . Тс ). обеспечивающих условия самовоспламенения топлива. К числу известных средств указанного типа относятся системы пневматического пуска с подачей сжатого воздуха в цилиндры двигателя. Известны также способы стартерного пуска холодного двигателя с применением трансформаторов тока большой величины. Стартер, запитанный от установки "Пуск", обеспечивает пусковые частоты вращения коленчатого - вала, любого двигателя. Эта установка, при силе тока до 900 А, позволяет стартеру развить большой крутящий момент и длительное время прокручивать коленчатый вал в режиме пусковых частот.
Недостатком этого метода являются высокая энергоемкость процесса пуска двигателя, нагруженность деталей кривошипно-шатунного механизма, возможность проворачивания вкладышей подшипников коленчатого вала и разрушения деталей кривошипно-шатунного механизма.
К числу- способов облегчения пуска двигателей при помощи внутренних источников энергии, следует отнести применение легковоспламеняющихся жидкостей. Использование легковоспламеняющихся пус- ковых жидкостей на основе диэтилового эфира целесообразно в сочетании с загущенными моторными маслами с пологой температурно-вязкостной характеристикой. Обладая низкой температурой самовоспламенения, 130С 140С, при атмосферном давлении, диэтиловый эфир способствует самовоспламенению топливо-воздушного.заряда при более низких температурах такта сжатия, а следовательно, и пониженных частотах вращения коленчатого вала.
Использование легковоспламеняющихся жидкостей позволяет осу-т ществить самовоспламенение топливо-воздушного заряда на 50С ниже, чем на основном топливе /38/. Яо опытным данным /66/ использование легковоспламеняющихся жидкостей снижает энергоемкость пуска почти в 3 раза, а в сочетании с разбавлением масла М-8Ваде-сятью процентами дизельного топлива марки 3 энергоемкость .шуска снижается в 9 раз. Очевидно, что использование пусковых жидкостей значительно расширяет температурный предел пуска дизельных двигателей. Так, в работе /48/ отмечается, что пуск тракторных дизелей с неразделенными камерами сгорания при использовании пусковой жидкости "Холод Д-40" возможен до температуры минус 40С. В последнее время отечественной промышленностью осваивается выпуск легковоспламеняющихся жидкостей в аэрозольной упаковке, обладающей простотой конструкции и высокой эффективностью в эксплуатации.
Однако, эффективность пуска холодного двигателя с применением легковоспламеняющихся жидкостей зависит от температурно-вязко-стных характеристик моторного масла. Кроме того, при пуске холодного двигателя с применением пусковых жидкостей наблюдается высокая скорость нарастания давления в цилиндрах двигателя, что создает условия его жесткой работы и интенсифицирует износ цилиндро--поршневой группы, увеличивается период послепускового прогрева двигателя.
Способы теплового обеспечения двигателей перед пуском при низких температурах
Существующие способы теплового обеспечения двигателей перед пуском классифицируются согласно рис.І.2 по виду применяемого источника энергии и роду тешюпередающей среды.
Наибольшее применение в лесозаготовительных предприятиях имеют место способы разогрева двигателей горячей водой, газовоздушной смесью, водяным паром, горячим маслом. Разогрев горячей водой до настоящего времени является основным и применяется повсеместно.
Количество горячей воды,-необходимой для подогрева цилиндров и головок блока до температур, обеспечивающих надежный пуск двигателя при температуре окружающей среды минус ЮС, равно объему его системы охлаждения. При более низких температурах окружающей среды количество горячей воды с температурой 80С 86С определяется выражением /85/ :
Аналитическое исследование теплообмена излучением в системе двигатель-окружающая среда
Исследуя теплообмен между поверхностью двигателя и окружающей средой, величину лучистого теплового потока от поверхности двигателя в пространство можно определить согласно (2.10). Однако, в конструкциях лесозаготовительных машин предусмотрено ограждение двигателя капотом (оболочкой), которая оказывает влияние на условия теплообмена. Рассматривая два тела, одно из которых находится в полости другого, рис.2.3, т.е. систему тела с оболочкой, выражение результирующего потока излучением согласно /25/ примет вид:
Угловой коэффициент излучения в рассматриваемой системе тела с оболочкой превращается в геометрическую характеристику и характеризует часть потока эффективного излучения, падающего на поверхность объекта, по отношению к полному потоку эффективного излучения поверхности источника. В частном случае, когда F, F , рис.2.4, угловой коэффициент излучения if& t — - { . Это значит, что почти вся энергия с поверхности излучения попадает на поверхность поглощения.
Если поверхность излучения мала по сравнению с поверхностью поглощения, т.е. F[ « Га , рис.2.5, то і а i — { Принимая, во внимание положение о том, что двигатель является аккумулятором тепла, сохранение энергии которого в .течение медсменного периода является важной задачей, преследующей цель сокращения расхода топливо-энергетических ресурсов при подготовке двигателя к пуску, рассмотрим возможность снижения лучистого теплообмена между поверхностью двигателя и капотом. Из анализа излучательной способности твердых тел следует, что она зависит от природы излучающего тела, его температуры, состояния поверхности, а для металлов - от степени окисления.
Коэффициент поглощения зависит от тех же факторов, что и коэффициент теплового излучения. В большинстве практических случаев коэффициент теплового излучения определяет величину коэффициента поглощения, в зависимости от величины которого материалы срособны в различной степени поглощать или отражать лучистый тепловой поток. Установка отражательных экранов из материалов с низким коэффициентом поглощения существенно влияет на темп изменения теплово Система выпуклого тела с оболочкой
Эффективность лучистого теплообмена при наличии отражательных экранов между излучателем и средой поглощения зависит от расположения экранов относительно поверхности излучения. Экранирование оказывается наиболее эффективным, если экран расположен вблизи тела, имеющего более высокую температуру. Применительно к системам поверхность излучения - экран и экран - поверхность поглощения (рис.2.6) можно выразить потоки результирующего излучения согласно /25/ при условии, что коэффициенты поглощения участвующих в теплообмене поверхностей не равны между собой, J}i Ф J3 Ф jz , где приведенный коэффициент поглощения системы выразится уравнением:
Значение J(i.z)3 будет меньше, когда F3 F{ и зна чение . На практике при устройстве защитных капотов для двигателей и обработке поверхностей первых эти условия не принимаются во внимание. Так, на трелевочных тракторах поверхность двигателя окрашивается краской, коэффициент теплового излучения, которой очень высок и составляет 0,92 0,96 при Ю0С (табл.1.2). Внутренние поверхности защитных стенок капота двигателя также покрыты красителем, коэффициент поглощения которого при.тех же условиях 0,92 0,96. Это значит, что лучистый тепловой по.ток, отведенный от поверхности двигателя, почти полностью поглощается поверхностью капота и передается в окружающее пространство.
Методика подготовки и пуска экспериментальной установки
Для оценки качества предпусковой подготовки дищельного двигателя, пусковым устройством которого является двухтактный двигатель с регулятором числа оборотов, приншлаем мощность пуска, которая определяется согласно /66/: Л/„ = Мчй , зл ) где М - мощность пускового приспособления, Вт; - момент сопротивления прокручиванию коленчатого вала пускового двигателя, кг.м; [$ - пусковая частота вращения коленчатого вала двигателя, с"1.
Момент сопротивления на прокручивание коленчатого вала представляет собой сумму моментов: М а Мт + Мр м , где Мт - момент, затрачиваемый на преодоление сопротивления трения в сопряженных узлах двигателя, привод вспомогательных механизмов, в том числе и на преодоление сопротивления трения в пусковом .устройстве; уЬ - момент, затрачиваемый на сообщение кинетической энергии вращающимся деталям двигателя от статического . состояния до пусковой частоты вращения; М - момент, затрачиваемый на преодоление сопротивления компрессии в начальный период пуска. Каждая из составляющих может быть определена с некоторым приближением аналитическим путем. При пуске двигателей в холодное время года составляющая колеблется в широком диапазоне и зависит от вязкости масла. Аналитически данная зависимость выражается согласно /21/: мт=.гУі » (3.2) где рг - условное среднее давление трения, кг/см2; г - литраж двигателя, л; К - число тактов рабочего процесса. Определяющей величиной в (3.2) является рс , величина ко- 1, торого на основании экспериментальных данных представлена в виде j T = 0.2 1.31 (йГ рв,М (3.3) где ь - динамическая вязкость масла при данной температура, Па с, Очевидно, что величину мощности пуска предопределяет вязкость масла :в сопряжениях движущихся масс двигателя. Поскольку h -(т) следовательно, и Mn sf»(T) » 0 другой стороны: Ми = С 3.4 ) где л - расход топлива, кг/ч; - удельный расход топлива, г. л. е.; «. - время работы на данном режиме, ч.
Из (3.4) следует, что мощность пуска Л„ изменяется пропорционально расходу топлива Q , а учитывая (3.3), можно заключить, что при пуске дизельного двигателя расход топлива является функцией вязкости масла в сопряжениях движущихся масс. С учетом (3.2) можно представить (3.1) в виде: aas K N. = ЙТІЄ.2 (з-5) Учитывая (3.3), преобразуем (3.5): Wn -u)[nW г зП? 1 ( 3.6 ) Приравняв правые части (3.4) и (3.6), выразим Q : п = 1.43 4-І.51 (ЮРУ / чЫЛ
Анализируя (3.7), заметим,что для двигателей известного литража .»% , при прокручившши коленчатого вала с заданной частотой U) , расход топлива Q пускового устройства зависит от вязкости масла р . Однако, вязкость масла является функцией температуры, следовательно, изменение расхода топлива косвенно зависит от изменения теплового состояния масляной пленки в сопряжениях движущихся деталей. . .
Очевидно, что минимальный расход топлива пускового устройства, равно как и минимум затрат мощности, следует ожидать при пуске прогретого до эксплуатационных температур двигателя: Q,-Qr-4Q 3-8 ) где Q - действительный расход топлива пускового устройства при пуске дизельного двигателя после тепловой подго-. товки испытуемым подогревателем, л; Qr - расход топлива пускового устройства при пуске горячего двигателя, л. Подготовка и методика пуска экспериментальной установки пред 69 ставлена в табл.3.1.
Нижеприведенный комплекс операций повторяется для различных значений температур окружающей среды и режимов подогрева двигателя. Значения.контролируемых факторов заносились в журнал наблюдений табл.П.1.2.
В процессе экспериментальных исследований измерения организуются таким образом, чтобы погрешность результата определялась систематической ошибкой, которая обычно задается погрешностью измерительного . прибора /13/. Если случайные ошибки измерений меньше класса точности прибора, то последний определяет расхождение между измеренным и истинным значениями определяемой величины. Это значит, что класс точности прибора определяет максимальную ошибку.
Если вистематическая ошибка является определяющей, то есть ее величина существенно больше величины случайной ошибки, присущей данному методу, то достаточно выполнить измерение.один раз /13/.
При натурных экспериментальных исследованиях, когда фактором является независимая переменная, становится практически невозможным выполнить последовательную и многократную цепь замеров при неизменных условиях.
Однако, в течение одного экспериментального цикла производилось значительное количество единичных замеров.
Используемый для контроля и регистрации значений температур автоматический.потенциометр КСЇЇ4 имеет класс точности 0,5.
Известно /12/, что для приборов класса точности 0,25 и 0,5, основная погрешность записи допускается равной основной погрешности следующего класса точности.
Анализ влияния энергетических параметров и режимов работы подогревателей на теплонапряженность деталей двигателя
Совершенствование современных средств тепловой подготовки двигателей внутреннего сгорания,как в нашей стране, так и за рубежом, осуществляется прежде всего в направлениях улучшения их энергетических параметров, режимов работы, а также социально-экономических показателей. Отечественной промышленностью выпускаются подогреватели высокой теплопроизводительности для форсированного разогрева двигателей с жидкостной;, и воздушной системами охлаждения. Как уже отмечалось выше, такой метод теплового обеспечения не исключает .затрат сменного времени на подготовку мобильных машин к эксплуатации, что естественно снижает эффективность их использования на технологической работе. Стремление к сокращению времени на подготовку двигателей к пуску определило направление развития подогревателей большой мощности. Между тем, с увеличением мощности подогревателя увеличивается неравномерность нагрева отдельных деталей двигателя. В разделах 1,2 дан анализ неблагоприятных последствий локальных перегревов.
Применение же маломощных подогревателей позволяет, воздействуя на двигатель длительное время, без опасений перегрева достигнуть в нем относительно равномерного теплового поля. Об этом свидетельствуют результаты стендовых испытаний индивидуальных подогревателей. На рис.4.2 представлена динамика, изменения теплового состояния двигателя A-0IM при подготовке и пуске с использованием индивидуального подогревателя ІОД-30.
. Из графика следует, что основные системы.и детали двигателя, тепловое состояние которых лимитирует его пуск, разогреваются неравномерно. Наблюдается интенсивный рост температуры моторного масла в нижнем слое объема картера. Источником его нагрева являются продукты сгорания, направленные от подогревателя под поддон картера. О неравномерности разогрева моторного масла І в картере свидетельствует тот факт, что с первыми оборотами коленчатого вала, в результате перемешивания верхних и нижних слоев, наблюдается снижение температуры масла в зоне маслоприемника от 75С до I5C. .
Жидкость системы охлаждения 2 ровным темпом разогревается до момента прокрутки коленчатого вала пусковым двигателем, при работе которого дополнительный, тепловой потенциал от стенки и головки цилиндра передается в общую систему, в результате чего температура жидкостной системы охлаждения дизельного двигателя повышается.
Момент пуска основного двигателя характеризуется точкой экстремума кривой 2. .С этого момента наблюдается резкое снижение температуры охлаждающей жидкости в блоке двигателя с 65С 70С до 35С, что объясняется перемешиванием холодного объема жидкости в радиаторе и теплого в блоке.
При форсированном разогреве коренные подшипники 4 и главная масляная магистраль 3 малоактивны к воздействию источника тепла в силу того, что распространение тепла к ним осуществляется теплопроводностью через корпус и внутренние перемычки блок-картера. Согласно закону теплопроводности количество распространенного через тело тепла прямо пропорционально времени. Поэтому при таком способе разогрева за короткий период невозможно сколь-либо существенно повлиять на изменение теплонапряженности коренных подшипников.
На рис.4.3 представлен процесс естественного охлаждения двигателя. Период охлаждения узлов и систем не защищенного капотом двигателя до температур, близких к окружающей, составляет 124-14 часов. Как отмечалось выше, на снижение темпа охлаждения двигателя можно повлиять.действием дополнительного источника тепловой энергии. Анализ (2.24) влияния внешних условий и температуры теплоносителя на коренные подшипники коленчатого вала при стационарном процессе теплообмена, которым можно считать межсменный подогрев, указывает на возможность стабилизации теплового состояния подшипников путем подогрева жидкости системы охлаждения с использованием маломощного индивидуального подогревателя, рис.4.4,.конструкция которого, определилась в результате инженерного поиска. Топливом для подогревателя может служить природный или сжиженный газ. Состоит подогреватель из.источника тепла, которым является ГИИ, жидкостного теплообменника, смонтированного над ІИИ и соединенного с системой охлаждения двигателя посредством резино-тканевых рукавов. В качестве устройства контроля и регулирования температуры теплоносителя служит дилатометрический терморегулятор, который позволяет поддерживать температуру жидкости в системе на заданном уровне в течение межсменного периода, независимо от изменения температуры окружающей среды.
