Development of the design of an internal combustion engine cooling system with a pre-starting heating function

Full Text

Введение При эксплуатации транспортно-технологических машин в условиях низких температур окружающей среды в последнее время получают распространение различные системы предпускового подогрева двигателя. Разработкой систем предпускового разогрева автомобильного двигателя и исследованием их эффективного применения занимаются такие ВУЗы, как МАДИ, РВАИ, СибАДИ, СГТУ, ТюмГНГУ и др. [1]. В Тихоокеанском государственном университете под руководством профессора Иванова Н.А. ведется работа по совершенствованию конструкции легких колесных вездеходов (ЛКВ) на пневматиках низкого давления. Проводятся исследования тяговых свойств, совершенствуется конструкция рамы вездехода, модернизируется трансмиссия. Уникальные параметры движителя вездехода на шинах сверхнизкого давления позволяют сочетать такие необходимые для машины, эксплуатируемой по бездорожью в непосредственном контакте с природой, свойства, как высокая проходимость и экологическая безопасность по отношению к почве [2]. В настоящее время опытные образцы ЛКВ используются в основном в сельском хозяйстве и для лесопродукционного производства. Однако существуют все предпосылки для их применения на нефте- и газопромыслах в условиях тундры и вечной мерзлоты, в качестве экспедиционного транспорта в условиях Крайнего Севера, вплоть до обслуживания метеостанций в Арктике и т.д. Данная техника эксплуатируется круглый год, поэтому проблема запуска холодного двигателя стоит достаточно остро. Техника используется в дали от «цивилизации», в условиях полного отсутствия энергоснабжения, хранится под открытым небом, или в лучшем случае в неотапливаемом помещении. В настоящее время для решения этой проблемы - затрудненного пуска двигателей - разработаны самые разнообразные устройства. При всех достоинствах автономных предпусковых подогревателей установка их на подобную технику, вследствие, высокой стоимости, не всегда приемлема для владельцев. Применение электрообогревателей вообще не представляется возможным, из-за отсутствия энергоснабжения в условиях эксплуатации ЛКВ, поэтому тема создания конструкции системы предпускового разогрева ДВС в условиях ограниченного, либо полного отсутствия энергоснабжения является актуальной. Цель исследований Целью данной работы являлось разработка и исследование эффективности работы системы предпускового разогрева двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением для условий ограниченного энергоснабжения. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: разработана и смонтирована на опытный образец вездехода система для предпускового разогрева двигателя в условиях ограниченного энергоснабжения; проведены исследования эффективности работы системы разогрева при отрицательных температурах окружающей среды. Материалы и методы В настоящее время известен целый ряд конструкций систем предпускового разогрева двигателей внутреннего сгорания, которые характерны для двух основных направлений деятельности в данной области. Одно направление - это разработка устройств, сберегающих тепло, полученное при работе двигателя, для дальнейшего его запуска после непродолжительных остановок [3-5]. Недостатком этих конструкций, по мнению авторов, является ограниченное время простоя транспортного средства, в течение которого сохраняется тепло в сберегающих тепло устройствах и необходимость питания от сети 220 В для подогрева теплоносителя в случае его остывания. Кроме того, разогрев смазочной системы двигателя предполагает дополнительные затраты на установку теплообменника в масляный поддон двигателя. Второе направление - это работы, связанные с применением внешнего источника тепла [6, 7]. В условиях ограниченного или полного отсутствия энергоснабжения применение бензиновых горелок в качестве источника тепловой энергии, на наш взгляд, является достаточно актуальным решением. Технической задачей, на решение которой была направлена работа, является расширение возможности предпускового разогрева двигателя в условиях отсутствия энергоснабжения 220 В в зимнее время. Для ее реализации достаточно иметь аккумуляторную батарею на 12 В. На рис. 1 показана разработанная схема системы охлаждения двигателя. Здесь представлены как традиционные элементы системы жидкостного охлаждения двигателя такие, как расширительный бачок 1, радиатор 2, вентилятор 3, насос охлаждающей жидкости 4, термостат 7, так и установленные дополнительно - подводящие и отводящие шланги 5 и 6, бензиновая горелка 8, теплообменник 9, электрический насос 10 с питанием от 12 В, шланг от насоса к рубашке двигателя 11, подводящий к теплообменнику и отводящий патрубки 12 и 13. Рис. 1. Схема системы охлаждения ДВС с функцией предпускового разогрева Fig. 1. ICE cooling system diagram with pre-starting heating function На рис. 1 обозначено: 1 - расширительный бачок, 2 - радиатор, 3 - вентилятор, 4 - насос охлаждающей жидкости, 5 и 6 - подводящие и отводящие к рубашке охлаждения шланги, 7 - термостат, 8 - бензиновая горелка, 9 - теплообменник, 10 - электрический насос с питанием от 12 В, 11 - подводящий шланг от насоса к рубашке охлаждения двигателя, 12 - шланг отвода охлаждающей жидкости из рубашки охлаждения к теплообменнику, 13 - шланг отвода охлаждающей жидкости от теплообменника к электрическому насосу, 14 - двигатель внутреннего сгорания Работает конструкция следующим образом. На транспортное средство устанавливается бензиновая горелка 8 таким образом, чтобы факел пламени согревал теплообменник 9. Тумблером включается питание электрического насоса 10. С помощью насоса охлаждающая жидкость циркулирует по замкнутому кругу: от насоса10 по патрубкам 11 и 6 к рубашке охлаждающей жидкости ДВС, от нее по патрубку 5 к теплообменнику 13, далее к насосу 10 и вновь по замкнутому кругу в течение 10-15 минут, разогревая двигатель 14. Для проведения экспериментальных исследований процесса разогрева двигателя схема была собрана на легком колесном вездеходе, имеющем в качестве энергетической установки двигатель от автомобиля ВАЗ - 1111 (ОКА). Дополнительно было приобретено недостающее оборудование: электронасос дополнительного отопителя и теплообменник. Для отвода и подвода охлаждающей жидкости использовались гибкие шланги. Насос дополнительного отопителя, как показано на рис. 2, устанавливается ниже теплообменника 3 в самом низком месте жидкостной системы охлаждения. К раме вездехода 4 насос 2 крепился болтами с помощью держателя 1. Установка запорных клапанов в тосольном шланге, по которому осуществляется приток жидкости к насосу, недопустима. Рис.2. Установка электронасоса на раме вездехода: 1 - держатель электронасоса, 2 - электронасос, 3 - теплообменник, 4 - рама вездехода Fig. 2. Installation of the electric pump on the frame of the all-terrain vehicle: 1 - electric pump holder, 2 - electric pump, 3 - heat exchanger, 4 - all-terrain vehicle frame Крепление теплообменника к раме вездехода показано на рис. 3. Теплообменник устанавливается выше электронасоса. Такое расположение обеспечивает свободный переток охлаждающей жидкости от теплообменника 2 к насосу 1. Теплообменник крепится к раме вездехода приливами на корпусе с помощью двух болтов 3. Рис. 3. Установка теплообменника на раме вездехода: 1 - электронасос дополнительного подогрева, 2 - теплообменник, 3 - крепежные болты Fig. 3. Installation of the heat exchanger on the ATV frame: 1 - electric pump for additional heating, 2 - heat exchanger, 3 - fastening bolts На рис. 4 показан общий вид ЛКВ с установленной на него системой разогрева двигателя. После закрепления теплообменника 7 и электронасоса 2 на раме вездехода 1 их соединили шлангами 3, 4 и 8 с системой охлаждения блока цилиндров двигателя. По окончании монтажа система была проверена на предмет утечек и были закреплены электрические провода. Рис. 4. Монтаж системы разогрева двигателя на вездеходе: 1 - рама легкого колесного вездехода, 2 - электронасос дополнительного отопителя, 3 - подводящий шланг от насоса к рубашке охлаждения двигателя, 4 - шланг отвода охлаждающей жидкости из рубашки охлаждения к теплообменнику, 5 - двигатель, 6 - аккумуляторная батарея, 7 - теплообменник, 8 - шланг отвода охлаждающей жидкости от теплообменника к электрическому насосу Fig. 4. Installation of the engine heating system on the all-terrain vehicle: 1 - frame of a light wheeled ATV, 2 - electric pump of an additional heater, 3 - supply hose from the pump to the engine cooling jacket, 4 - coolant outlet hose from the cooling jacket to the heat exchanger, 5 - engine, 6 - battery, 7 - heat exchanger, 8 - coolant drain hose from the heat exchanger to the electric pump Предложенная система охлаждения двигателя с функцией предпускового подогрева, была опробирована в условиях отрицательных температур. В процессе экспериментальных исследований устанавливались закономерности изменения температуры охлаждающей жидкости двигателя в ходе предпускового разогрева при различных температурах окружающей среды. Регистрация температуры охлаждающей жидкости в блоке двигателя осуществлялась с помощью бесконтактного термометра. В качестве греющего модуля применяли бензиновую горелку. Бензиновая горелка является отдельным модулем системы, что позволяет осуществлять ее розжиг на безопасном удалении от вездехода, с последующим вводом в рабочую зону системы разогрева. Результаты и обсуждение Исследования эффективности разогрева проводились в дневное время после продолжительного простоя вездехода, в том числе и при более низких ночных температурах. Розожженная паяльная лампа устанавливалась в рабочую зону системы разогрева таким образом, чтобы ее пламя было направлено на теплообменник. Далее включался тумблер управления электронасосом дополнительного разогрева и начиналась циркуляция охлаждающей жидкости через теплообменник к насосу и далее в рубашку охлаждения двигателя, а оттуда в теплообменник. Замеры температуры охлаждающей жидкости двигателя проводились в течение 20 мин с интервалом в две минуты. После разогрева в течение 20 мин паяльная лампа выводилась из рабочей зоны. Результаты эксперимента представлены на рис. 5. Рис. 5. Интенсивность разогрева охлаждающей жидкости в блоке двигателя: 1 - температура окружающей среды Т1 = -8 оС, 2 - температура окружающей среды Т2 = -16 оС, 3 - температура окружающей среды Т3 = -23 оС Fig. 5. The intensity of heating the coolant in the engine block: 1 - ambient temperature Т1 = -8 оС, 2 - ambient temperature Т2 = -16 оС, 3 - ambient temperature Т3 = -23 оС Экспериментальные исследования проводились при трех разных температурах окружающей среды: Т1 = -8 оС; Т2 = -16 оС; Т3 = -23 оС, как показано на рис. 4. Температура жидкости в блоке двигателя за 20 минут поднялась на 57 оС, при температуре окружающей среды Т1 = -8 оС, и на 43 оС, при температуре окружающей среды Т3 = -23 оС. Результаты проведенного эксперимента показывают высокую эффективность предложенного предпускового разогрева двигателя на базе бензиновой горелки. Средняя скорость нагрева охлаждающей жидкости двигателя составила 2,1 - 2,8 оС в минуту, что говорит об интенсивном темпе предпускового разогрева. Заключение Разработана собственная конструкция системы охлаждения с функцией предпускового разогрева двигателя внутреннего сгорания в условиях ограниченного энергоснабжения. Система была установлена на опытный образец легкого колесного вездехода и проведены испытания ее работоспособности. Результаты проведенного эксперимента свидетельствуют о высокой эффективности разработанной системы на базе бензиновой горелки, которая позволяет с минимальными затратами в условиях пониженных температур произвести предпусковой разогрев двигателя и осуществить его запуск. Средняя скорость нагрева охлаждающей жидкости двигателя в процессе разогрева составила 2,1 - 2,8 оС в минуту, что говорит об интенсивном темпе предпускового разогрева.

About the authors

N. A Ivanov

Pacific National University

Dsc in Engineering Khabarovsk, Russia

D. V Otmakhov

Pacific National University

Email: 003290@pnu.edu.ru
PhD in Engineering Khabarovsk, Russia

S. P Zakharychev

Pacific National University

PhD in Engineering Khabarovsk, Russia

O. V Kazannikov

Pacific National University

PhD in Engineering Khabarovsk, Russia

References

Supplementary files