Повышение эффективности систем воздушного охлаждения дизелей

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ____________________________________2009, том 52, №7________________________________

ТЕХНИКА

УДК 621.3:621.945.001.1.24

А.А.Саибов, М.А.Эркинов ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДИЗЕЛЕЙ

Анализ состояния вопроса и теоретические основы процессов теплообмена в дизелях определили два взаимосвязанных, но самостоятельных направления по повышению эффективности систем воздушного охлаждения:

1 - обеспечение предельных возможностей форсирования базовой модели дизеля посредством повышения эффективности теплопередачи;

2 - определение путей совершенствования системы охлаждения для создания нового типоразмерного ряда или семейства дизелей с воздушным охлаждением.

Первое направление относится к разряду тактических задач, ориентированных на повышение эффективности систем охлаждения в период перевода производства на выпуск двигателей с кардинально измененной конструкцией базовой модели, а также для переоснащения двигателей, находящихся в эксплуатации.

Второе направление является стратегическим и решает задачи проектирования и производства перспективных базовых моделей, на основе которых строится семейство двигателей.

1. Реализация задач первого направления

Реализация этой задачи осуществлялась на примере дизелей Д144 ПО «Владимирский тракторный завод»(ВТЗ). Многолетняя их эксплуатация позволила выявить ряд недостатков системы охлаждения, отрицательно сказывающихся на их эффективности и, в частности, на надежности. Причем большинство этих недостатков проявляются в виде подтеков топлива и масла, а также в наличии посторонних предметов, приводящих к ухудшению пропускной способности воздушного тракта. Очевидно, что устранение причин появления подтеков является одним из важнейших мероприятий, обеспечивающих необходимый технический уровень дизелей.

Анализ причин и характера замасливания наружных поверхностей показал, что наиболее распространены подтеки моторного масла под соединительными патрубками масляных радиаторов, под уплотнениями кожухов штанг толкателей в блок-картере и головке цилиндров, под уплотнительные кольца валиков декомпрессионного механизма.

Распространенной неисправностью воздушного тракта системы охлаждения является накопление в нем посторонних предметов растительного происхождения, порой довольно

крупных размеров. Вероятность их появления достаточно высока - 0.67, что не дает оснований для игнорирования факта. Анализ причин их проявления показал, что в основном этот мусор затягивается в тракт ремнями вентилятора, зажимающими растительную массу в ручьях шкива перед защитной сеткой и высвобождающими их перед выходом. В процессе работы ремни совершают колебательные движения в вертикальной плоскости, что вынудило конструкторов увеличить прорезь в кожухе защитной сетки, тем самым увеличив вероятность затягивания растений в тракт. Невероятная сложность подбора пары ремней в комплект привода вынуждает увеличивать их натяжение, что приводит к избыточной нагрузке подшипников вентилятора и повышению вероятности их отказа. К тому же, как показали результаты экспериментальных исследований системы воздушного охлаждения дизеля Д144, нередки случаи нарушения координатного расположения шкивов в одной плоскости, приводящее к выворачиванию ремней, и как следствие, к сокращению их ресурса.

Необходимо либо отказаться от ременного привода, либо найти способ устранения процесса захвата растения.

Применение шестеренного привода вентилятора, как это сделано в шестицилиндровом дизеле Д160, вполне удовлетворило бы пользователя, но значительно усложнило бы конструкцию. Поэтому, помня, что это задача тактического плана, было принято решение не вносить существенных изменений в конструкцию базовой модели дизеля Д144.

Базовая конструкция вентилятора (рис. 1а) была улучшена за счет повышения напорных характеристик и установки пылезащищенных подшипников (рис. 1б). При этом наработка на отказ повысилась с 2400...3200 мото-ч до 5000...6000 мото-ч. Однако этих мероприятий оказалось недостаточно для устранения причин засорения воздушного тракта.

Рис. 1. Изменение конструкции осевого вентилятора дизеля Д144: а) базовая серийная; б) улучшенная серийная; в) рекомендуемая.

Поэтому нами был спроектирован вентилятор, представленный на рис. 2в, обладающий следующими преимуществами:

- уменьшены габариты при сохранении производительности и напорных характеристик за счет выполнения его в форме сопла, у которого диффузором является направляющий аппарат, а ротор вентилятора - конфузором;

- практически устранен втулочный характер движения потока воздуха под кожухом, за счет конусообразной формы ступицы ротора, что улучшило равномерность его распределения и повысило давление Pk;

- применен плоский зубчатый ремень привода вентилятора, армированный стальными тросами, позволяющий увеличить угол охвата шкива, минимизировать его натяжение (то есть разгрузить подшипники) и уменьшить щель в корпусе защитной сетки, через которую мусор затягивался в вентилятор.

2. Реализация задач второго направления

Ужесточающаяся конкуренция на фоне топливно-энергетического кризиса предъявляет требования к моторостроителям по улучшению удельных показателей при повышении уровня форсирования двигателей до Pe = 1.2 МПа и выше. Следовательно, доля плотности теплового потока через систему охлаждения будет возрастать, и в основном это будет касаться величины otj(коэффициент теплопередачи от стенки цилиндра в охлаждающую

среду). В таких условиях воздух как теплоноситель уже не может справляться с тепловым потоком без ущерба для габаритных размеров и затрат мощности на привод вентилятора. К тому же непосредственная передача теплоты от деталей в воздух сопряжена с неизбежной неравномерностью температурного поля по их периметру в силу причин, обоснованных ранее.

С целью рационального решения проблемы предлагается комбинированная система охлаждения для дизелей с условно сохраненной размерностью и основными габаритномассовыми показателями. Суть ее заключается в придании моторному маслу дополнительной функции теплоносителя. Такой принцип используется фирмой Harley Davidson в W-образных Отто-моторах.

В предлагаемой конструкции цилиндр составной; цилиндровая втулка выполняется из легированного чугуна, а оребрённая часть - из алюминиевого сплава. Полость между ними образует рубашку охлаждения, в которой циркулирует картерное масло. Схема циркуляции охлаждающего масла в системе смазки представлена на рис.2. Оригинальность конструкции заключается в том, что функцию масляного радиатора выполняют собственно цилиндры, их головки, а также кожухи штанг толкателей, через которые осуществляется слив жидкости в поддон картера. Выравнивание температурного поля цилиндровой втулки достигается оригинальной циркуляцией масла в полости рубашки.

Особенность заключается в том, что внутренняя полость алюминиевого кожуха имеет каналы, выполненные в виде двухзаходной резьбы (рис. 3.). Причем вход в канал расположен в кормовой части образующей цилиндра, а выход - в лобовой (фронтальной к потоку воздуха). Масло по этим каналам движется под давлением, а слив в полости кожухов штанг толкателей осуществляется самотеком. Кожухи штанг толкателей выполняются в виде радиаторных трубок. Масляным охлаждением обеспечены форсунки и теплоизоляция впускных и выпускных каналов головки, а также теплоизоляционные элементы (тронки) составных поршней.

Рис. 2. Рекомендуемая схема комбинированной системы смазки дизеля 4Ч10.5/12.0 с уровнем форсирования Ре = 1.6 Мпа.

Рис. 3. Развертка внутренней полости рубашки цилиндра.

На рис. 4. представлен поперечный разрез дизеля 4Ч10.5/12.0 с комбинированной системой охлаждения, в котором высота опорной части цилиндров уменьшена, а высота блок-картера увеличена на 60 мм. Теперь высота оребренной части цилиндров составляет 96 мм, а остальная часть утоплена в блок-картер.

Количество ребер сократилось до 12, зато высота канала увеличилась до 5.5 мм. Сечение канала приобрело форму прямоугольника, что в полной мере соответствует ранее изложенным теоретическим положениям.

Увеличение высоты блок-картера создает экран для топливоподающей аппаратуры, поэтому температура топлива в головке ТНВД понижается.

Рис. 4. Поперечный разрез дизеля 4Ч10.5/12.0 с комбинированной системой охлаждения.

Уменьшение охлаждаемой зоны цилиндра снижает сжимающие напряжения, приходящиеся на единицу его высоты, что должно обеспечить надежность уплотнения газового стыка и снизить деформацию. Но это создает необходимость уменьшения размеров вентилятора при увеличении его производительности, что можно реализовать применением конструкции, показанной на рис. 2в. Для снижения вероятности попадания в тракт посторонних предметов и повышения напорных характеристик вентилятора, приемник воздуха рекомендуется вывести за пределы капота трактора на гидравлически доступную высоту.

Таджикский аграрный университет Поступило 06.04.2009 г.

A.A.Cаибов, МА.Эркинов ЧGРAБИНИ^G ОИД БA БAЛAНД БAРДGШТAНИ CAМAРAНGKИИ CИCТЕМA^GИ БG ^ABG ХУНУKKУНAНДAИ ДИЗЕЛ^

Даp мак;ола ду самти баpтаpидоштаи баланд баpдоштани самаpанокии системахои хунуккунандаи хавой даp дизелхо пешниход гаpдидааст:

- бо рохи то худуди охиpин баланд баpдоштани таъмини имкониятхо даp модели базавии дизелхо тавассути бехтар гардонидани самараи гармидихй;

- муайян намудани роххои такмили системаи хунуккунии хавой барои сохти на-муди нави кдтори андозавй ва ё оилаи нави дизелхои бо хаво хунукшаванда.

A.A.Saibov, M.A.Erkinov ACTIVITIES TOWARDS THE EFFECTIVE ENHANCEMENT OF THE AIR COOLING SYSTEMS IN DIESEL

In this article there are two trends of the effective enhancement of air cooling systems in diesels suggested there:

- in the way of increasing the supply of possibilities to the possible extent at the basis model of diesels through making better and effective the air warming process;

- identifying the ways of enhancement of the air-cooling system for the development of new type of diesels that are cooling with air.

5l3