ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА НА СКОРОСТЬ ОСТЫВАНИЯ ДВС

STUDY OF THE EFFECT OF DIFFERENT METHODS OF HEAT TRANSFER ON THE RATE OF COOLING OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Ivan Zaloznov

candidate of Science, assistant professor of Omsk State Technical University,

Russia, Omsk

Dmitry Solodov

undergraduate of Omsk State Technical University,

Russia, Omsk

АННОТАЦИЯ

В статье приведены основные причины остывания двигателя, дана качественная оценка влияния различных способов теплопереноса на скорость остывания двигателя внутреннего сгорания, описана методика эксперимента по остыванию двигателя в условиях ограничения конвекционного теплопереноса. Определен экономический эффект от применения метода ограничения конвекционного теплопереноса.

ABSTRACT

The article presents the main reasons for the cooling of the engine, given a qualitative assessment of the impact of different ways of heat transfer on the rate of cooling of the internal combustion engine, describes the methodology of the experiment on the cooling of the engine in conditions of limited convection heat transfer. Identifies an economic effect from application of the method of limiting convection heat transfer.

Ключевые слова: теплоперенос; конвекция; двигатель внутреннего сгорания.

Keywords: heat transfer; convection; internal combustion engine.

Эксплуатация большей части автомобильного парка нашей страны в зимний период происходит в условиях низких отрицательных температур, что отрицательно сказывается на ресурсе двигателя и других эксплуатационных параметрах автомобиля.

Основными факторами отрицательного воздействия являются низкая температура масла, поступление холодного воздуха и топлива, понижение общего теплового режима двигателя. В результате возрастают пусковые износы и износы в процессе дальнейшей эксплуатации. Рассматривая повышенные пусковые износы, следует отметить, что существенная их доля приходится не только на период пуска, но и на послепусковой прогрев. В период пуска на сопрягаемых поверхностях деталей двигателя имеется холодная, достаточно прочная остаточная пленка масла. После нескольких секунд работы двигателя эта пленка разогревается и под одновременным воздействием температуры, механических нагрузок и химически агрессивной среды начинает разрушаться, а новые порции масла поступают в недостаточном количестве, что увеличивает интенсивность изнашивания. При температуре окружающего воздуха от -15 до -30°С холодный пуск и работа двигателя в период прогрева дают износ, эквивалентный получаемому при 18–26 км пробега [4].

Уменьшить отрицательное влияние, и соответственно сократить период службы двигателя до наступления текущего или капитального ремонта, позволит сокращение циклов: прогрев–остывание в сутки. Добиться такого эффекта возможно за счет ограничения теплопереноса между двигателем автомобиля и окружающей средой.

Процесс теплопереноса при остывании двигателя имеет сложный характер. Явления теплового излучения, теплопроводности и конвекции протекают одновременно и оказывают влияние друг на друга. Схематично этот процесс показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Процесс теплообмена двигателя с окружающей средой

Интенсивность теплопереноса и соотношение тепловых потоков, связанных с теплопроводностью, теплоизлучением и конвекцией имеют весьма большое значение. За счет теплового излучения тепло передается капоту и деталям ограждения, а от них вследствие теплопроводности и конвекции – в окружающую среду. Тепло из подкапотного пространства также многократно теряется в связи со свободным обменом воздуха, обуславливающим конвекцию [3].

Работами по определению влияния теплообмена на процесс остывания двигателя занимались Крамаренко Г.В., Кузнецов Е.С., Эртман С.А. и другие. С физической точки зрения было предложено с достаточной для практических целей точностью исключить теплоперенос в результате излучения [3]. Что можно подтвердить теоретическими расчетами, согласно которым остывание двигателя в экспериментальных условиях за счет только теплоизлучения составит более 2500 часов [2].

Согласно проведенным исследованиям, локальное применение только утеплителя капота, ограничивающего теплоперенос теплопроводностью, считается с точки зрения сохранения тепла двигателя неэффективным [1; 3; 5].

Нами предлагается гипотеза о том, что при эксплуатации автомобиля, наибольшие потери теплоты двигателем внутреннего сгорания обусловлены конвекцией.

Для проверки данной гипотезы был проведен эксперимент, целью которого являлось определение времени остывания и прогрева двигателя автомобиля Chevrolet Lacetti 1.4 с использованием материала изолирующего конвекцию и без изоляции. В данном экспериментальном исследовании изолятором выступает полиэтиленовая плёнка толщиной 0,225 мм и креппированная лента шириной 50 мм. Во время проведения эксперимента определены следующие параметры:

• температура двигателя через заданные интервалы измерения;
• время остывания двигателя до конечной температуры;
• температура двигателя через заданные интервалы прогрева;
• время прогрева.

Зависимость температуры двигателя от времени остывания, без изоляции и с её использованием приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Зависимость температуры ДВС от времени остывания

Экспериментальные исследования показали, что при одинаковых внешних условиях, время, затраченное на цикл (прогрев–остывание) c использованием теплоизоляционного материала на 206 минут дольше, чем на необорудованном автомобиле. Следовательно, количество таких циклов может быть сокращено в 1,5 раза в сутки, что существенно позволит уменьшить износы на пуск и послепусковой прогрев для автовладельцев, использующих в качестве поддержания работоспособности двигателя в зимний период сигнализации, оборудованные системой «автозапуск».

В связи с уменьшением необходимости количества запусков автомобиля, также сократится расход топлива на прогрев в сутки. Для экспериментального автомобиля, в условиях прогрева часовой расход топлива – G_T составит:

= 7,71 *266,08 * 0,001 = 2,7 л/ч; (1)

Следовательно, при сокращении времени прогрева в сутки, соответственно уменьшиться расход топлива. В рассмотренном случае расход топлива на прогрев сократится в 2,2 раза.

Сравнительные данные экспериментальных и расчетных показателей автомобиля со штатной изоляцией, и дополнительным изоляционным материалом приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Значения параметров теплообмена двигателя с окружающей средой

Экспериментальные исследования показали, что использование изоляционного материала из тонкой полиэтиленовой пленки существенно позволяет увеличить время остывания двигателя. Это позволяет считать конвекцию наиболее весомым фактором теплопереноса от двигателя в окружающую среду. Внедрение способа ограничение конвективных воздушных потоков позволяет значительно увеличить время остывания двигателя, что окажет положительное влияние на эффективность эксплуатации автомобиля. Полученные данные также позволяют оценить эффективность использования изоляции в зимних условиях, при использовании автомобильных охранных сигнализаций, оборудованных системой «автозапуск». Стоимость топлива на прогрев в сутки сократится на 44 %, всего за зимний календарный период экономия может составить порядка 7000 рублей на один автомобиль (при использовании АИ-95, с учетом цен на март 2016, в течение 90 суток).

Список литературы:

1. Залознов И.П., Лисин В.А. Анализ применимости методов утепления и использования систем автоматического пуска-прогрева двигателя при эксплуатации автомобиля в условиях низких температур // Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования – основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России: сб. ст. Всероссийской научно-технической конференции. – Омск, 2011. – С. 197–203.
2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии – 7-е изд., перераб. и доп. – М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1961. – 830 с.
3. Крамаренко Г.В., Николаев В.А., Шаталов А.И. Безгаражное хранение автомобилей при низких температурах. – М.: Транспорт, 1984. – 136 с.
4. Кузнецов Е.С., Болдин А.П., Власов В.М. Техническая эксплуатация автомобилей. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Наука, 2001. – 535 с.
5. Эртман С.А. Приспособленность автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму двигателей: Автореф. дис. канд. техн. наук. – Тюмень. 2004. – 19 с.