Министерство сельского хозяйства
Российской Федерации
Федеральное государственное
бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального
образования
Казанский государственный
аграрный университет
Институт механизации и технического
сервиса
Кафедра «Трактора, автомобили
и энергетические установки»
«Насос системы охлаждения
с переменной производительностью
на примере двигателя Д-260.9»
Выполнил студент ИМиТС
Мухаметшин Р.Р.
5 курса 393 группы
Научный руководитель: к.т.н,
доцент
Халиуллин Ф.Х.
Казань 2014
Содержание
Введение
Обоснование необходимости
разработки..………………………..…..….…..3
- Техническое требования…..…………………………………………….5
1.1 Режим холодного
запуска двигателя.................................................6
1.2 Режим постоянной
и переменной нагрузки на двигатель…………6
1.3 Режим максимальной
мощности двигателя…..……………………7
1.4 Режим резкого
сброса оборотов двигателя…………………………8
1.5 Режим эксплуатации
двигателя
при низких
температурах окружающей среды……………………….8
1.6 Режим предпускового
подогрева……………………………...…….9
- Принципиальная схема насоса……………..……………………………9
- Методика расчета………………………..………………….…………...10
- Выводы……………………………………………………………………20
- Список использованной
литературы………………………..………..…21
Введение
В данной научно исследовательской разработке
речь пойдет о насосе с изменяемой производительностью.
В мировом моторостроении есть тенденция
к увеличению мощности двигателей, повышение
требований к классу токсичности и т.д.
Однако, введя значительные изменения
в конструкции системы питания, системы
смазки, выпуска отработавших газов,
системы газораспределительного механизма.
Система охлаждения двигателя остается
по прежнему тривиальной. На блоке находится
насос, который имеет привод от коленчатого
вала, и нагнетает охлаждающую жидкость
в блок, которая перераспределяется термостатом
в зависимости от температуры либо в радиатор,
( на радиаторе устанавливают также электрический
вентилятор для принудительного охлаждения)
либо обратно в блок. И производительность
насоса перекачивающего рабочую жидкость
зависит от оборотов коленчатого вала,
что не всегда актуально.
Обоснование необходимости
разработки
Cледует отметить, что в мировом
двигателестроении уже используются управляемые
системы охлаждения, привод насосов которых
осуществляется не от коленчатого вала,
а от отдельного электромотора, управляемого
с центрального контроллера ЭСУД. В качестве
примера можно привести автомобили фирм
«BMW» и наддувные модификации «Фольскваген-Гольф».
Актуальность новой разработки
диктуется следующими соображениями.
Современные требования к автомобильным
двигателям выдвигают жесткие требования
по всему комплексу технико-экономических
параметров, таких как мощность, экономичность,
надежность и долговечность. Особо жесткие
требования выдвигаются к экологическим
показателям ДВС. В то же время очевидно
влияние выбора оптимального температурного
состояния двигателя для каждого эксплуатационного
режима для достижения требуемых параметров.
При этом, очевидно, что режим работы системы
охлаждения для каждого из режимов должен
быть свой.
В настоящее время, при использовании
типовых систем охлаждения с механическим
приводом насоса системы охлаждения (в
дальнейшем – помпы), возможности регулирования
ограничены. Расходная характеристика
помпы определяется геометрией ее крыльчатки
и жестко привязана к частоте вращения
коленчатого вала. Температура в системе
охлаждения на рабочих режимах, за исключением
пусковых, может изменяться в достаточно
узких пределах и частично регулируется
только вентилятором радиатора. Алгоритм
управления вентилятором при принципу
«включен-выключен» при постоянной частоте
вращения его крыльчатки, дает весьма
ограниченные возможности регулирования
температуры. В частности, такой вариант
системы охлаждения только в ограниченных
пределах способен противостоять резкому
увеличению тепловой нагрузки на определенных
режимах работы двигателя, при повышенной
температуре в подкапотном пространстве
и т.д.
На пусковых режимах обычная
система охлаждения также не способствует
увеличению скорости прогрева двигателя,
даже при наличии малого контура охлаждения.
Причина этого – сравнительно высокие
обороты двигателя на режимах прогрева,
которые обеспечивают достаточно большой
расход охлаждающей жидкости по контуру.
Низкие температуры охлаждающей жидкости
при достаточно высокой интенсивности
конвективного теплообмена в контуре
тормозят рост температур деталей камеры
сгорания и головки блока цилиндров. Поскольку
современные нормы токсичности «Евро-4»
и выше резко лимитируют содержание токсичных
компонент на режимах холодного пуска,
очевидна общая тенденция к ускорению
темпа прогрева. Система охлаждения с
механическим приводом практически не
имеет резервов для решения этой задачи.
Кроме того, стандартная схема
охлаждения с двумя контурами, достаточно
сложна с гидравлической точки зрения,
требует введения в нее дополнительных
патрубков, термостата в качестве управляющего
элемента. При этом создается гидродинамическое
сопротивление, на преодоление которого
расходуется часть мощности двигателя.
Любое дополнительное количество гидравлических
соединений увеличивает вероятность протечек
охлаждающей жидкости и в целом – снижает
надежность как системы охлаждения, так
и двигателя в целом.
Все эти задачи позволяет решить
интеллектуальная управляемая система
охлаждения двигателя, включающая в себя
электрическую помпу с электронным управлением,
электрический вентилятор радиатора с
переменной скоростью вращения крыльчатки.
Управление системой охлаждения
осуществляется самостоятельным блоком
управления, интегрированным по интерфейсу
в единую ЭСУД, и использующей для выработки
управляющих сигналов нформацию штатных
датчиков системы управления двигателем.
Техническое требование
к насосу с переменной производительностью.
Основные
принципы управления системой охлаждения
базируются на следующих положениях. Температура
эксплуатации насоса должна быть в пределах
температуры двигателя т.е -30 + 45 С. Давление
выдерживаемое насосом должно быть от
0,1 до 0.2 МПа. Среда: этиленгликоль и гликоль
содержащие жидкости с рН не менее 7.
1.1 Режимы
холодного пуска
Так, на режимах холодного пуска, система
должны обеспечивать максимально быстрый
темп выхода деталей камеры сгорания и
катализатора на рабочие температуры.
Для этого требуется минимизация интенсивности
теплообмена в полостях охлаждения двигателя,
возможно, уменьшенная до уровня свободной
конвекции. Такой режим может быть обеспечен
путем выключения помпы вплоть до достижения
заданной температуры, охлаждающей жидкости.
Кроме того, режимы прогрева при начатом
движении требуют минимизации теплоотвода
с ребер радиатора системы охлаждения.
Реализация подобного алгоритма
прогрева позволяет полностью отказаться
от малого контура охлаждения, следовательно,
полностью исключается необходимость
использования термостата. Уменьшения
количества гидравлических звеньев в
системе охлаждения повышает ее надежность
и снижает массогабаритные показатели
двигателя.
1.2 Режим
постоянной и переменной нагрузки на двигатель.
При работе двигателя в области
постоянной и переменной нагрузки требуется
обеспечение минимальных параметров содержания
токсических компонент в отработавших
газах при сохранении заданных показателей
экономичности, надежности и ресурса двигателя.
Достаточно широкий диапазон изменения
частоты вращения коленчатого вала двигателя
в этих условиях обуславливает большие
изменения тепловых потоков, нагружающих
систему охлаждения. При этом в спектре
режимов преобладают самые неблагоприятные
с точки зрения тепло напряжённости двигателя
с малой частотой вращения коленчатого
вала при высокой нагрузке на него. В этой
зоне большие тепловые потоки от камеры
сгорания накладываются на сравнительно
низкую интенсивность теплообмена в полостях
охлаждения (из-за малой частоты вращения
крыльчатки помпы).
Повышенные тепловые нагрузки
следует компенсировать регулированием
температуры охлаждающей жидкости в радиаторе
путем дополнительного обдува ребер охлаждения
управляемым вентилятором, а также повышением
скорости вращения крыльчатки помпы.
Важной задачей является определение
оптимальной для данного режима уровня
температуры охлаждающей жидкости в контуре
охлаждения. Очевидно, что в этой зоне
режимов допустимо и даже желательно обеспечить
работу двигателя при максимально высоких
температурах, деталей камеры сгорания
с выполнением, ограничений по отсутствию
кипения в полостях системы охлаждения,
требований надежности работы деталей
поршневой группы и головки блока цилиндров,
при сохранении допустимого расхода масла
на угар, а также с учетом возможного быстрого
выхода на режимы внешней скоростной характеристики
и обеспечения без детонационной работы
двигателя на ней.
Повышение температур деталей
на этих режимах позволяет существенно
повысить качество сгорания топливовоздушной
смеси в цилиндрах двигателя из-за уменьшения
размера зоны пристеночного (медленного)
сгорания. Это, в свою очередь, способствует
резкому уменьшению выхода остаточных
углеводородов (СН) при некотором росте
выхода оксидов азота . Кроме того, умеренное
повышение температуры рабочей зоны цилиндров,
поршней и поршневых колец способствует
снижению мощности механических потерь,
что, в совокупности с ростом индикаторного
к.п.д. из-за ограничения потерь тепла в
систему охлаждения и повышения полноты
сгорания, обеспечивает снижение эксплуатационных
расходов топлива. Наиболее эффективным алгоритмом
с точки зрения надежности работы деталей
ЦПГ было бы поддержание одинаковой температуры
цилиндров вне зависимости от режима работы
двигателя. Очевидно, что важнейшей задачей,
решаемой на стадии реализации вышеуказанного
алгоритма, является определение пороговых
значений температур с учетом требований
надежности, расхода масла на угар и ресурса
работы двигателя.
1.3 Режимы максимальной мощности
Особенностями работы двигателя на этих
режимах является высокая степень как
механической, так и тепловой загруженности.
Для обеспечения надежной работы узлов
трения (подшипников коленчатого вала
и поршневых колец) на этих режимах требуется
снижение температур деталей, в первую
очередь – поршневой группы и цилиндров,
ниже уровня температур, заданных для
режимов городского цикла. Однако особенности
расходных характеристик помп с механическим
приводом показывают, что при частотах
вращения выше 4000 об/мин, наблюдается стабилизация
расхода охлаждающей жидкости, то есть
при дальнейшем росте оборотов двигателя
не наблюдается аналогичного роста расхода
в системе охлаждения следовательно,
в зоне режимов максимальной мощности
требуется увеличение производительности
помпы свыше той, которая обеспечивается
помпой с механическим приводом, и, кроме
того, снижение температуры за счет повышения
эффективности работы радиатора. Это может
быть обеспечено как соответствующей
регулировкой работы вентилятора радиатора
.
1.4 Режимы резкого сброса оборотов двигателя
Эти режимы характеризуются пиковой тепловой
нагрузкой на двигатель, когда, за счет
тепловой инерции, тепловой поток в систему
охлаждения резко увеличивается, а прокачка
жидкости через систему охлаждения в случае
использования помпы с механическим приводом
становится минимальной . Большая часть помп с механическим
приводом не справляется с подобным увеличением
тепловой нагрузки, что может приводить
к перегревам двигателя вплоть до его
«закипания».
В управляемой системе охлаждения
это обстоятельство легко компенсируется
повышением расхода охлаждающей жидкости
электрической помпой при обнаружении
факта опасного роста температуры охлаждающей
жидкости в контуре. Тем самым существенно
повышается степень надежности двигателя
в целом, а также минимизируются износы,
связанные с работой двигателя в условиях
повышенных температур.
1.5 Режимы эксплуатации двигателя при
низких температурах окружающей среды
При эксплуатации автомобиля в условиях
отрицательных температур окружающей
среды, особенно при малых пробегах между
периодами пуска-остановки, характерных
для городского цикла эксплуатации, температура
охлаждающей жидкости может быть существенно
ниже оптимальной. Это влечет за собой
существенный рост токсичности отработавших
газов и расхода топлива. Помпа с механическим приводом
в данном случае не обеспечивает адаптации
системы охлаждения под условия холодного
климата. Предлагаемый вариант позволяет
минимизировать ухудшение показателей
двигателя, вызванное его эксплуатацией
в условиях низких температур, путем оптимизации
расходной характеристики помпы, а также
снижением интенсивности обдува радиатора
с использованием электронных жалюзи.
1.6 Режим предпускового подогрева
Для ускорения пускового прогрева двигателя
предусматривается режим предпускового
подогрева, который обеспечивается встроенным
нагревателем и возможностью прокачки
охлаждающей жидкости через контур охлаждения
электрической помпой при выключенном
двигателе. Вышеперечисленные алгоритмы
оптимального управления системой охлаждения
двигателя возможно реализовать только
путем разработки и серийного внедрения
предлагаемой системы.
Рисунок 1 – Принципиальная
схема насоса с изменяемой производительностью
Регулирование производительности насоса
будет осуществляться с помощью электродвигателя
постоянного тока. Прямая зависимость
частоты вращения двигателя от производительности
. Конструктивно ротор двигателя имеет
соединение с крыльчаткой посредством
магнитного поля создаваемое ведомым
и ведущим магнитом. При запуске электродвигателя
ведущий магнит начинает вращаться, захватывает
за собой ведомый магнит через стакан-отделитель,
который изготовлен из сплава алюминия
и не создает препятствия для магнитного
поля с добавлением элементов предотвращающих
коррозию. Уплотнение происходит с помощью
резинового кольца по периметру корпуса.
Преимуществом можно считать, без сальниковое
соединение вращающихся элементов. При
заклинивании крыльчатки электро двигатель
остается не поврежденным.
Процесс регулирования производительности.
Для изменения производительности
насоса выбран метод изменения частоты
вращения крыльчатки. Электродвигатель
постоянного тока марки
MY 1020 K9 производства USA, соответствует
ГОСТ 183-74
Рабочее напряжение 12-18
В. Максимальная частота вращения ротора
2800 об/мин. Сила тока потребляемая 25
А. Номинальный крутящий момент 1,9 Н·м.
КПД 79%. В корпусе предусмотрена внутренняя
циркуляция воздуха, система защиты
от перегрева, короткого замыкания. Классы изоляции (классы
нагревостойкости) и предельное увеличение
температуры (ΔТ) в стандарте IEС 62114. Максимально
допустимое увеличение температуры при номинальной нагрузке
и напряжении соответствует классу нагревостойкости
электродвигателя: класс H равен 180° С.
Указанные данные соответствуют номинальному
режиму эксплуатации электродвигателя.
Ниже приведена схема реализации.
- график насоса
с изменяемой производительостью
- график штатного
насоса.
Рисунок 2 – График
зависимости производительности от температуры,
оборотов коленчатого вала.
Как видно на графике производительности
штатного насоса изменяется в
узком диапазоне оборотов коленчатого
вала. И не каким образом
не связана с температурой охлаждающей
жидкости. Работа насоса с переменной
производительностью основывается на
датчике температуры охлаждающей жидкости.
Отталкиваясь от этих параметров и выбирается
интенсивность перекачивания охлаждающей
жидкости. Вне зависимости от оборотов.
Для более быстрого прогрева двигателя
при отрицательных температурах, происходит
постепенное смешивание охлаждающей жидкости.
При работе двигателя при температурах
близких к «закипанию» производительность
достигает максимального значения.