The temperature state of the engine warmed up in freezing conditions in cold climates

Full Text

Введение Температурное состояние двигателя можно охарактеризовать с помощью температурного поля, под которым понимается совокупность мгновенных значений температур во всех точках изучаемого пространства или системы. Изменение температуры двигателя во всех точках происходит неодинаково. Эксплуатация сельскохозяйственной техники в северной полосе России обусловлена специфическими особенностями проблемного характера. Низкие температуры окружающего воздуха, большая продолжительность зимнего периода, значительные перепады температур порождают такие проблемы, как затрудненный пуск двигателя, слабая прокачиваемость моторного масла по масляным магистралям, продолжительное временя прогрева, активный теплообмен с окружающей средой, повышенный расход картерных газов, повышенный расход эксплуатационных материалов. Как известно, топлива, применяемые для работы поршневых двигателей, имеют углеводородный состав. В условиях низкотемпературного режима снижается полнота сгорания топлива. Подвергшиеся термической деструкции и частично окисленные топливные фракции повышают токсичность и концерогенность выхлопных газов [1]. При окислении водорода происходит образование паров воды в камере сгорания. Прорыв газов в холодную среду картерного пространства сопровождается конденсационными процессами, накоплением продуктов неполного сгорания топлива и воды в масле. Накопление воды в условиях прогрева продолжается до достижения температуры точки росы картерных газов (плюс 44 °С) [2]. Вода, в свою очередь, инициирует усиление взаимодействий продуктов с низкой агрегатной устойчивостью. Итогом многократной и (или) продолжительной работы двигателя на низкотемпературном режиме является образование в смазочной системе отложений, имеющих название «низкотемпературные» [3]. Температурное состояние двигателя способно оказывать влияние не только на состав газов, но и на активность движения картерных газов. Чем ниже общетемпературное состояние двигателя, тем больше зазоры в сопряжениях деталей цилиндропоршневой группы. Работа двигателей на низкотемпературном режиме является частым явлением, особенно для холодных природно-климатических условий. В инструкциях по эксплуатации сельскохозяйственной техники излагаются рекомендации по прогреву двигателей, эксплуатируемых в таких условиях. Максимальная концентрация высоких температур находится в камере сгорания, которая конструктивно приближена к головке цилиндра. Охлаждающая жидкость системы охлаждения является теплоносителем, нагревается и разносит тепло в периферийные области, рассеивает в атмосферу через радиатор [4]. Однако следует учитывать и другие обстоятельства прогрева. Изменение температурного состояния происходит не только по причине сгорания топлива, но и в результате сил трения между поверхностями сопряженных деталей и слоями жидкостей систем двигателя. Кроме охлаждающей жидкости роль теплоносителя выполняет моторное масло. Моторное масло находится в движении и имеет неодинаковую температуру в разных областях смазочной системы. В то же время движение по каналам и перемешивание способствуют выравниванию температур. Активному перемешиванию способствуют импульсные движения газовых слоев, возвратно-поступательные движения поршней подобно режимам всасывания и нагнетания поршневых компрессоров, а также вращение коленчатого вала и сложные плоскопараллельные движения шатунов. Форма картера достаточно сложная, движение газов и масла по картерному пространству трудно описать какими-либо законами. Изучение температурного состояния во всех точках двигателя в период прогрева является не прострой задачей; при этом рационально ввести следующее допущение: температурное состояние определять по температурам жидкостей двух систем. Цель исследований Анализ активности изменения температур охлаждающей жидкости системы охлаждения и масла смазочной системы, выявление преобладающей динамики и определение максимальной разницы температур в период прогрева двигателя. Материалы и методы Для решения поставленных задач провели эксперимент. Поскольку эксперимент проводился на реальных двигателях в естественных условиях, то в соответствии с классификацией экспериментов, его можно отнести к разряду натурных. Исследования осуществлялись на предварительно подготовленных автомобилях КАМАЗ-5350. Такие автомобили находят широкое применение для перевозки сельскохозяйственной продукции в отдаленных районах Крайнего севера. Автомобили оснащены двигателями КАМАЗ-740.30-260. Для сравнимости результатов и идентичности условий эксперимента в подконтрольную группу машин вошли пять автомобилей из числа находящиеся на гарантии производителя. Пробег автомобилей находился в диапазоне от 13569 до 16639 км. С целью реализации поставленных задач была разработана программа натурных исследований. Суть эксперимента заключалась в пуске холодных двигателей без применения средств подогрева/разогрева и прогреве на холостых оборотах до температуры охлаждающей жидкости плюс 70 °С, регистрации температур охлаждающей жидкости и масла через заданные промежутки времени. Применение дополнительного оборудования обеспечивало надежность пуска. Параметры проводимого эксперимента делились на фиксированные и варьированные. К фиксированным параметрам относились частота вращения коленчатого вала и нагрузка, к варьированным - температура охлаждающей жидкости системы охлаждения (°С) и температура масла смазочной системы (°С). Для регистрации температур охлаждающей жидкости на жидкостные коллекторы устанавливались датчики температур накладного типа, как показано на рис. 1. Датчики температур устанавливались также в поддон картера на место сливной пробки, как показано на рис. 2. Все установленные датчики имели связь с многоканальным измерителем температуры МИТ-12. Через каждые 5 секунд измеритель температуры по очереди «опрашивал» датчики температур, а полученные значения заносились в память ЭВМ. Результаты и обсуждение Эксперимент проводился в городе Омске Российской Федерации. Показатели, характеризующие условия эксплуатации автомобилей, приведены в табл. Таблица Условия проведения эксперимента Климатический показатель, размерность Значение Температура воздуха, °С Атмосферное давление, мм рт. ст. Влажность воздуха, % Скорость ветра, м/с минус 32 774 98 1 Настоящей программой предусматривалось: - организация наблюдения за тепловым состоянием двигателя в процессе прогрева без использования предпускового подогревателя; - определение активности изменения температуры охлаждающей жидкости и температуры масла смазочной системы; - построение графических зависимостей, выявление преобладающей динамики, определение максимальной разницы температур, констатация и анализ полученных результатов. Описанная система контроля расхода температур приводилась в действие непосредственно перед пуском двигателей и выполняла требуемые функции до достижения температуры охлаждающей жидкости плюс 70 °С. Частота вращения коленчатых валов двигателей составляла 1400 мин-1 и оставалась неизменной на весь период эксперимента. По значениям температур, зарегистрированным считывающим устройством, были определены среднеарифметические значения по пяти подконтрольным автомобилям. По среднеарифметическим значениям в декартовой системе координат построены графические зависимости изменения температуры охлаждающей жидкости и температуры масла от времени прогрева двигателя (представлены на рис. 3). Рис. 3. Зависимости изменения температур масла и охлаждающей жидкости при прогреве двигателя Кривые зависимости аппроксимированы в программе Origin. Полином пятой степени представляет сумму знакопеременных констант с различными показателями степени, умноженных на переменные значения и описывается следующими уравнениями регрессии: - для температуры масла: y = -4,84 · 10-5 · х4 + 0,007х3 - 0,38х2 + + 9,395х - 29,26; (1) коэффициент детерминации при этом составил R2 = 0,95; - для температуры охлаждающей жидкости: y = -4,15 · 10-5 · х4 + 0,006х3 - 0,335х2 + + 8,273х - 26,756; (2) коэффициент детерминации при этом составил R2 = 0,95. Выводы Процесс нарастания температур жидкостей двух систем можно разделить на 3 части. 1. Период максимальной активности. Наиболее активно нарастание температур жидкостей двух систем наблюдается на начальном этапе прогрева, в диапазоне от минус 32 ° до плюс 5 °С, что соответствует продолжительности времени 4 минуты, когда средняя активность соответствует 9,25 °С в минуту. 2. Период средней активности. Находится в диапазоне от плюс 5 до плюс 55 °С по температуре масла и плюс 45 °С по температуре охлаждающей жидкости. Средняя активность нарастания температуры составляет 2,6 °С в минуту. Продолжительность времени средней активности соответствует 19 минутам и завершается на отметке 25 минут. 3. Период минимальной активности, когда активность нарастания температур значительно снижается и стремится к нулю. Этот период является самым продолжительным по времени. Таким образом, оправдываются предписания инструкции по эксплуатации о необходимости окончательного вывода двигателя на оптимальный температурный режим не на холостых оборотах, а в условиях нагружения. Изменение температур жидкостей смазочной системы и системы охлаждения при прогреве двигателя происходит неодинаково. Преобладающая динамика изменения температуры масла объясняется воздействием газов, прорвавшихся из камеры сгорания и имеющих высокую температуру, а также высоким коэффициентом трения между слоями масла, имеющего изначально высокую вязкость. Максимальная разница между значениями температур масла и охлаждающей жидкости составляет 18 °С. Температура точки росы картерных газов составляет плюс 44 °С [2]. Сопоставляя материалы работы [2] и полученную в результате эксперимента зависимость, можно констатировать, что для описанных условий эксплуатации конденсационный процесс в объеме картерного пространства прекратится через 18 минут после пуска двигателя. Активность изменения температуры масла смазочной системы преобладает над активностью изменения температуры охлаждающей жидкости системы охлаждения в условиях прогрева. Однако в условиях покоящегося двигателя непосредственно после остановки, конвективный поток способствует более активному теплообмену в нижней части двигателя, т.е. картера и масла, менее активному в верхней части, в области головок блока. Это обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации сельскохозяйственной техники в условиях отрицательных температур холодного климата. Рис. 1. Датчик температуры охлаждающей жидкости накладного типа, установленный на жидкостной коллектор Рис. 2. Датчик температуры масла, установленный на место сливной пробки

About the authors

A. V Kolunin

Branch of Federal State-Owned «Khrulev Military Educational Institution of Logistics» of the Ministry of Defense of the Russian Federation in Omsk (OABII)

Email: kolunin2003@mail.ru
PhD in Engineering Omsk, Russia

I. A Bur'yan

Branch of Federal State-Owned «Khrulev Military Educational Institution of Logistics» of the Ministry of Defense of the Russian Federation in Omsk (OABII)

Email: kolunin2003@mail.ru
Omsk, Russia

O. V Novikov

Branch of Federal State-Owned «Khrulev Military Educational Institution of Logistics» of the Ministry of Defense of the Russian Federation in Omsk (OABII)

Email: kolunin2003@mail.ru
Omsk, Russia

References

Supplementary files