Тема: Методы повышения эффективности холодного пуска двигателя внутреннего сгорания

Роль двигателя внутреннего сгорания в автомобиле заключается в передачи крутящего момента на ведомые колеса через трансмиссию. Для того чтобы эта задача была выполнена, двигатель должен быть оснащен как системой смазки, так и системой охлаждения. Система смазки предотвращает контакт металла с материалом между движущимися компонентами (тем самым снижая трение и износ), а система охлаждения поддерживает смазочные материалы и материалы компонентов в пределах допустимых рабочих температур. Принято считать, что эффективность сгорания современного двигателя (ДВС) хорошо приспособлена к процессам происходящим во время сжигания топлива, а это, как известно составляет 97% энергии, которая концентрируется в топливе и выделяется при сгорании в ДВС с воспламенением от сжатия. А в двигателях с искровым зажиганием этот процент доходит до 98% [4]. Однако вся полезная полезная энергия, которую вырабатывает силовой агрегат, обычно варьируется от 30 до 40% энергии топлива [4,5]. Энергия, затраченная на привод колес всегда меньше, чем работа тормоза, т.к. большая часть ее расходуется на привод всех вспомогательных агрегатов, таких как масляные и водяные насосы. «Указанная полная тепловая эффективность» такое носит название термин определяющий неспособность преобразовать всю химическую энергию в работу.
Эффективность переработки топлива = Эффективность сгорания х Полная указанная
тепловая эффективность
Эксплуатация автомобильной техники от обычных пассажирских автомобилей до автотракторной техники навлекает на себя различные воздействия вредных и неблагоприятных климатических факторов. Результат такого воздействия — это ухудшение эксплуатационных материалов и конструкционных свойств. Это ведет к уменьшению надежности автомобиля и снижению эффективного использования.
П.И. Кох ввел термин «техническая жесткость». «Техническая жесткость» - это комплекс различных атмосферных и климатических факторов влияющих на надежность машин и свойств материалов.
П.И. Кох предложил формулу, по которой можно определить техническую жёсткость в баллах:
Nk= ( 0,6 5 tml пср. + 0,3 5 tmtnaec)( 1 + 0,0 1 5 6) (2 + 0,0 6 14)(2 + 0,274х)(2 + 0,1 3 tm)(2 + 0,1 1 цх)
где Nk- техническая жесткость, баллы;
tmin.cp- усредненный параметр минимальных температур воздуха
t„,,n;„.y - усредненное значение температур воздуха
Рх - средняя непереодическая температура суточных колебаний
температуры воздуха
Vx- усредненная скорость ветра
px-относительная влажности воздуха (средняя), в долях единицы
tm-значение относительной влажности воздуха (среднее), в долях единиц
Диапазон данного термина варьируется от 0 до 170 баллов, в зависимости от 6 групп климатических зон:
1. Холодный полюс 160 -180 баллов.
2. Наиболее холодные климатические условия - 120 - 159 баллов
3. Очень жесткие климатические условия - 90 -158 баллов
4. Жесткие климатические условия - 60 - 89 баллов
5. Удовлетворительно жесткие климатические условия - 30 - 59 баллов
6. Нежесткие климатические условия - 0 - 29 баллов 
Как видно из рассматриваемо рисунка, наиболее холодной зоной является Сибирь, поэтому данное исследование носит особую актуальность для российских транспортных средств, используемых в Сибири и за полярным кругом. Если использовать многолетние наблюдения, то перепад среднемесячной температуры варьируется от - 24,2 С в декабре до +25С в середине июля. Если брать усредненно, то общее количество дней в году, когда температура воздуха минус 30 С - 22.
Что касается атмосферного давления, то в среднем оно составляет 153 мм.рт.ст., а среднемесячное находится в пределах 743,9 до 758, 3 мм.рт.ст.
Если говорить о показателях влажности воздуха, то они изменяются в больших пределах.
В среднем, в году она составляет 74%.
Для оценки влияния различных климатических показателей требуется большое количество ресурсов так как это трудноразрешаемая задача т.к. пригодность автотранспортного средства определяется различными организационными и техническими причинами.
Большая часть автомобилей просто не предназначена и не приспособлена к работе при низких температурах окружающей среды.
При встрече железа с холодным климатом происходит выход из строя многих узлов как двигателя, так и автомобиля в целом.
Происходит понижение экономичности, производительности и остальных потребительских свойств машины.
Рассматривая рисунок Х, можно наблюдать, что из всех климатических и природных факторов Сибирского округа, самое большое влияние для использования транспорта несет влажность воздуха, скорость ветра и конечно температура воздуха.
Эти три фактора в наибольшей степени несут машине негативное воздействие.
Это связано с тем, что влажность воздуха и скорость ветра препятствуют нормальной интенсивности теплообмена между узлами автомобиля и окружающей средой, и первое что происходит это резкое уменьшение температурного режима двигателя.
В зависимости от содержания влаги в воздухе меняется и характер отрицательного эффекта на автомобильные компоненты двигателя.
При концентрации влаги более 80% понижаются эксплуатационные свойства материалов. Оказываясь внутри материала, влага образует на поверхности жидкостные пленки.
И наоборот, при малом содержании около 50%, влага начинает испаряться в воздух, что так же ведет к изменению свойств материала (возникновение трещин, появление высокой хрупкости.
Когда влага начинает взаимодействовать с маслами в системе смазки или картерной системе, понижаются антикоррозионные и смазывающее свойства всех видов масел.
Однако можно пренебречь данным показателем для расчета работы системы питания ДВС т.к. в условиях пониженных температур максимальное количество влаги мало влияет на работу двигателя автомобиля.
Как ранее отмечалось, самым неблагоприятным воздействием на ДВС и автомобиль в целом обладает пониженная температура. При возникновении пониженных температур меняются физический свойства топлива, масла, ОЖ, ухудшается работа всех установок в автомобиле.
Свойства смазочных материалов сильно зависят от температуры, и без исключения смазочные материалы для двигателей рассчитаны на то, чтобы быть наиболее эффективными при установившихся рабочих температурах в диапазоне от 100 до 110 ° С [6,7 ]. Высокая вязкость смазочного материала при более низких температурах приводит к более высоким потерям на трение, что дополнительно снижает указанный тепловой КПД двигателя. Уилл С. [5] составил статистику потерь на трение в ДВС. Конкретно, на начальных стадиях прогрева (когда температура силового агрегата составляет 20 ° C) потери на трение в 2,5 раза выше, чем те, которые возникают при прогретой смазочной жидкости. При холодном пуске, когда температура ДВС равна 0 °С расход топлива увеличивается на 13,5%. Такая тенденция не только критична в ходе «Нового европейского ездового цикла», но и оказывает значительное влияние на владельца транспортного средства. Были проведены исследования, по которым составили статистику [10] на основе большинства тенденций стиля вождения, используемых в реальных условиях [10]. Выяснили, что большой процент путешествий на автомобиле, достаточно кратковременны, как с точки зрения расстояния, так и времени. В ходе составления статистики были изучены тенденции вождения 55 автомобильных средств и описано 1840 часов работы транспортного средства. Определено, что 1/3 совершаемых поездок не давала охл. жидкости прогреться больше 70 °C или смазке ДВС превышать 60 °C. На этапе прогрева ДВС есть только 3 тепловые массы, которые взаимодействуют друг с другом: блок цилиндров, охлаждающая жидкость (ОЖ) и смазочный материал. ОЖ нагревается быстрее всего т.к. ее температура тесно связана с газами сгорания [12]. Температуры блока цилиндров и смазки реагируют намного медленнее из-за того, что смазка менее тесно связана с процессом сгорания, а блок имеет большую тепловую инерцию [14]. На ранних этапах прогрева, когда стенки цилиндров холодные, большая часть энергии от сгорания передается стенкам из-за высокой разницы температур между ними и газами сгорания. Имея это в виду, термодинамика указывает на то, что максимальная изоляция процесса сгорания от блока (и, следовательно, повышение температуры газа) повысит эффективность преобразования энергии сгорания в работу механического тормоза [3,15]. Желаемое повышение температуры смазочного материала во время фазы прогрева является результатом некоторой прямой передачи тепла от стенок цилиндра, но в первую очередь является результатом рассеяния трения в системах двигателя, таких как главные подшипники [7,16,17]. На этапе холодного запуска желательна высокая скорость нагрева смазочного материала до его оптимальной рабочей температуры, что, в свою очередь, указывает на то, что все, что ограничивает скорость нагрева смазочного материала, является нежелательным. Одним из путей достижения этого может быть изоляция смазочного контура от блока цилиндров в областях, где блок цилиндров холоднее, чем смазочный материал. В качестве альтернативы можно попытаться восстановить энергию из других систем, чтобы увеличить скорость разогрева смазки. Однако необходимо обеспечить, чтобы ни одна из этих стратегий не препятствовала поддержанию смазочного материала при оптимальной рабочей температуре после ее достижения (то есть следует избегать перегрева смазочного материала).
Прослеживается сложная зависимость вязкости от давления и температуры окружающей среды. Если увеличивается нагрузка на подшипник начинает расти и давление в слоях масла и растет его вязкость. Увеличение вязкости влечет повышение гидродинамических потерь, выделение тепла из-за трения в подшипниках.
В обратном случае, при понижении температуры масла, вязкость начинает уменьшаться пока и вовсе не теряется подвижность слоев масла.
Необходимо оговорить, что наименьшая температура, при которой можно производить пуск двигателя и совершать нагрузку, не принимая во внимание, что можно использовать дополнительные способы тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания, описывается в инструкции по эксплуатации для различных марок автомобилей. Однако и различные виды масел также могут обеспечивать гарантированную работу при более низких температурах, чем заявлено в инструкции.
Согласно последнему ГОСТ Р 54120-2010, ГОСТ Р 53833-2010, номинальная температура охлаждающей жидкости в системе силового агрегата автомобиля, при которой разрешается движение транспортного средства равна 40 °C.
При 65 °C можно наблюдать начало резкого падения механических потерь движущихся частей ДВС.
Г.Р. Рикардо обозначил, что потери на трение увеличиваются на 33%, если температура ОЖ понижается с 60 °C до 30 °C [109].
Цель данной работы - рассмотреть подходы, принятые для улучшения характеристик холодного запуска двигателя, оценить полученные результаты и обсудить вероятную эффективность стратегий, основанных на производительности системы и оптимизации материалов.
Объектами исследований являются дизельные и бензиновые двигатели, каталитические нейтрализаторы отработавших газов, материалы с фазовым переходом, термохимический конвертер.
Предмет исследования: предметом исследования является характеристики ДВС такие как выбросы, ресурс и эффективность при различных климатических факторах и с применением различных методов по улучшения холодно пуска.
Актуальность и научная значимость настоящего исследования:
Автомобильные и транспортные средства на территории Российской федерации эксплуатируются в разных климатических округах. Все факторы присущие этим округам сказываются на работе и эффективности двигателя внутреннего сгорания. Многие ученые из разных стран проводили исследования и показали, что выбросы CO и NOx совместно с отработавшими газами (ОГ) при работе транспортного средства в условиях пониженных температур увеличивается в 6-10 раз. Уменьшается эффективность работы двигателя, а также уменьшается его ресурсоспособность. Кроме того, согласно правилам ЕЭК ООН № 83.05 было разработано новое испытания
автомобильного средства при -7С° во время первой фазы цикла езды. Так же к этому правилу были применены новые формы на выброс вредных эмиссий.
Все эти изменения потребовали от производителей автомобилей введение новых технических решений, которые смогли бы обеспечивать необходимую эффективность работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Из всех рассмотренных решений, наиболее удовлетворительной по всем параметрам является добавка к топливовоздушной смеси реактивных веществ
Вышеперечисленные доводы указывают актуальность выбранной темы, которая концентрируется на исследовании всех известных методов повышения эффективности холодного пуска ДВС и предложения собственной концепции.
Научная новизна: в процессе написания работы, была предложена концепция ускоренного метода прогрева двигателя внутреннего сгорания под влияниям отрицательных температур по средству использования системы создания и подачи на впуск реактивных веществ, содержащих водород, которые используются для ускоренного нагрева заряда и для активации (химической) процесса сгорания.
Гипотеза исследования состоит в том, что если применять различные методы по улучшению холодного пуска, будет возможность увеличить такие параметры как:
-количество вредны выбросов;
-ресурс двигателя
-эффективность работы систем ДВС.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- выявить резервы и потенциалы энергии двигателя при холодном пуске;
12
- провести оценку энергоэкономических показателей;
- определить наилучшую стратегию по устранению проблем холодного пуска ДВС.
- представить концепцию новой установки для улучшения холодного пуска основываясь на патентном поиске.
Методы исследования: были использованы теоретические методы, основанные на экспериментальных данных, представленных в научной литературе. По окончанию изучения теории, был использован метод сравнения, для выявлений положительных и отрицательны сторон каждого способа улучшения холодного пуска ДВС.
Личное участие автора в организации и проведении исследовании состоит в исследовании литературных источников на предмет достоверных и признанных наукой данных, анализ этих данных и заключении результата. Предложение концепции по мероприятиям улучшения холодного пуска
Структура магистерской диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 19 рисунков, 2 таблицы, список использованной литературы состоит из 61 источника. Основной текст работы изложен на 70 страницах.
Купить

Развитие методов проектирования, моделирования и технологий машиностроения значительно уменьшают широкий спектр проблем связанных с решением проблем холодного пуска двигателя внутреннего сгорания. Но данный вопрос остается не закрытым и поэтому носит актуальный характер в современном мире.
С помощью анализа всех входных данных выполнено подробное исследование и описание поднятой проблемы.
В данной работе проведен обзор и оценка различных вариантов решения проблем, связанных с холодным пуском, а именно количеством вредных эмиссий, плохая смазываемость трущихся деталей и повышенным расходом топлива.
Приняты во внимания все достоинства и недостатки рассматриваемых методов для предложения собственного решения возникающих проблем.
Представлены основные результат поставленных задач перед данной исследовательской работы и сделаны следующие выводы:
- не все методы по улучшению холодного пуска являются значимыми для рассмотрения и дальнейшего их изучения. Существует экономическая нецелесообразность и неэффективность применения разработанных технологий. Не многие люди выберут экономичность в ущерб мощности двигателю.;
- выявлены перспективные направления, которые требуют дальнейшей модернизации как со стороны техники, так и со стороны инвестиций;
- представлена концепция, которая вбирает в себя все достоинства рассматриваемых методов.
- выявлены резервы и потенциалы энергии двигателя при холодном пуске.
- проведена оценка энергоэкономических показателей.

Купить