1462

УДК 629.113

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ САЛОНА АВТОМОБИЛЯ

В.В. Харин1, Д.Н. Парышев2, В.А. Воронкин1

1Курганский институт железнодорожного транспорта, Россия

2ЗАО «Курганстальмост», Россия

Рассматривается возможность численного моделирования тепловых процессов, протекающих в салоне автомобиля. Для моделирования динамики тепловых процессов салон разбивается на три элемента: воздух в салоне, внутреннее оборудование, ограждающие конструкции салона. Для каждого элемента предложены теплофизические модели, совместно описывающие термодинамику салона.

Ключевые слова: температура, теплоемкость, граничные условия, дифференциальные уравнения, стенка, воздух, внутреннее оборудование.

Обеспечение требуемого уровня комфортности среды в эргатической системе салон–пассажир на стадии проектирования системы отопления автомобиля предполагает использование математических методов расчета тепловых процессов. Своеобразие в описании математической модели салона заключается в том, что ее нельзя представить одним или несколькими универсальными уравнениями, так как салон включает в себя существенно отличные (с точки зрения динамики температуры теплопередачи) составные части. К ним следует отнести воздух в салоне, внутреннее оборудование и ограждающие конструкции (стенки) салона.

Воздух в салоне. Во время работы системы отопления внутри салона происходят сложные процессы тепломассопереноса. Точный их расчет не представляется возможным. Допущения, принимаемые в большинстве существующих методов, приводят к дифференциальным уравнениям вида

	dtdτi = ∑i	qi, j (i, j =		),
Ci			1,u

где Сi, qi – удельная теплоемкость и удельный тепловой поток соответственно.

151

При этом температура воздуха оказывается усредненной по объему салона. Существенным недостатком такой модели является невозможность прогнозирования изменения температуры воздуха в отдельной точке объема салона, чтобы выявить уровень возможного локального дискомфорта для пассажиров, размещающихся в различных местах салона. Необходимая оценка изменения температуры воздуха в разных местах возникает при решении задач, связанных с синтезом автоматических систем поддержания теплового комфорта в салоне. Одной из задач этой проблемы является размещение датчика (датчиков) температуры в салоне в такой точке, чтобы система терморегулирования адекватно реагировала на изменения температуры, воспринимаемой пассажирами.

Из анализа тепловых процессов, происходящих при нагреве воздуха в салоне, модель нагревающегося (остывающего) воздуха можно представить следующим образом. Весь воздух внутри салона разбивается на три объема: объем «горячего» воздуха; объем «холодного» воздуха и «точечный» объем. В модели принимается, что отопителями непосредственно нагревается только «горячий объем» воздуха, который, взаимодействуя через тепломассоперенос с «холодным объемом», нагревает его. Положение «точечного объема» определяется степенью взаимодействия его с «горячим объемом», «холодным объемом» и стенками салона. Из численного моделирования процессов нагрева воздуха следуют рекомендации по выбору численных значений параметров математической модели воздуха в салоне вагона.

Внутреннее оборудование. Несложные расчеты показывают, что доля от 10 до 20 % тепла, выделяемого отопителями, расходуется на нагрев внутреннего оборудования салона, причем в начале разогрева эта доля значительно больше. Поэтому пренебрегать этим процессом нельзя.

Анализ конструкций салонов автомобилей показывает, что внутреннее оборудование салона включает в себя различного рода перегородки, подушки сидений и каркасы сидений. Используя свойство стабильности тепловых потоков, расчет тепловых процессов во внутреннем оборудовании можно свести к расчету тел классических форм, для которых имеются хорошо разработанные методы расчета.

Внутреннее оборудование автомобиля можно представить в виде сочетания тел классических форм: однослойной плоской пластины; длинного круглого полого цилиндра и полого шара. При этом необхо-

152

димо выполнение следующих условий: площади поверхности заменяемого и классического тела, а также их массы должны быть равны.

Металлические перегородки и экраны в салоне заменяются одномерной пластиной толщиной, найденной из условия равенства площадей и масс пластины и перегородок, трубчатые каркасы сидений круглым полым цилиндром, длина которого равна сумме длине всех каркасных трубок. Подушки сидений имитируются полым шаром, наружный радиус которого находится из условий равенства масс шара сидений.

Для определения поверхности температур необходимо рассмотреть процессы теплопроводности в этих телах. Граничные условия на наружной поверхности запишутся как граничные условия третьего рода, а граничные условия для внутренних поверхностей тел записываются из условий симметрии.

Количеством теплоты, необходимого на нагрев воздуха внутри трубок и шара, можно пренебречь ввиду малости его величины. Но такая математическая модель малоэффективна при комплексном моделировании всей системы отопления. Её следует использовать при обособлении выбора более простой модели на основе обыкновенных дифференциальных уравнений.

Ограждающие конструкции салона. Тепловое состояние салона во многом определяется теплофизическими свойствами ограждающих конструкций или стенок. Температура внутренних поверхностей стенок салона определяет тепловой поток от воздуха в салоне в окружающую среду и непосредственно определяет тепловой комфорт пассажиров. А это требует необходимости рассчитывать эти температуры. Для определения температур рассматривается процесс передачи тепла через стенку салона. В общем случае стенка салона является многослойной, причем одним из слоев может быть воздух.

Допущения: стенка считается плоской; каждый слой однороден; слои идеально соприкасаются; процесс передачи тепла происходит только по толщине; коэффициенты теплоемкости и теплопроводности слоев при изменении температуры меняются незначительно.

Система дифференциальных уравнений в частных производных совместно с начальными и граничными условиями исчерпывающе определяет процесс теплопередачи через многослойные стенки салона вагона. Начальные условия представляют собой распределение температур по толщине стенки.

153

Граничные условия для многослойной стенки представляют собой совокупность граничных условий третьего и четвертого рода. Граничные условия третьего рода характеризуют закономерность теплообмена между поверхностью и окружающей средой. Граничные условия четвертого рода характеризуют условия теплообмена системы тел по закону теплопроводности.

Чтобы определить граничные условия для слоев, соприкасающихся с воздушной прослойкой, расположенной внутри многослойной стенки, рассматривается процесс передачи тепла через эту прослойку. В автомобилях, как правило, воздушную прослойку в многослойной стенке всегда делают невентилируемой. Теплоемкость воздуха в прослойке незначительна и ей можно пренебречь. Поэтому допустимо принять, что процесс передачи тепла через прослойку является безынерционным, т.е. тепловые потоки через поверхности, соприкасающиеся с воздушной прослойкой, будут равны, но не будут равными температуре этих поверхностей.

Тепло в невентилируемой воздушной прослойке передается излучением, теплопроводностью и конвекцией. Коэффициент лучистого теплообмена определяется исходя из законов лучистого теплообмена и зависит от разности четвертых степеней абсолютных температур поверхностей. Передачу тепла конвекций и теплопроводностью в невентилируемой воздушной прослойке обычно учитывают эквивалентным коэффициентом теплопередачи.

Как и в случае с внутренним оборудованием, точную модель теплопередачи через многослойную стенку рекомендуется использовать для выбора типа математической модели, базирующейся на обыкновенных дифференциальных уравнениях.

Численное моделирование показывает, что наименьшее расхождение с точным описанием имеет модель, построенная по следующему принципу. Уравнение баланса тепла записывается для каждого слоя многослойной стенки салона относительно средней температуры слоя. При этом масса материала слоя сосредоточена в его середине.

Модель стенки в таком виде обеспечивает снижение трудоемкости в определении параметров и численном моделировании, при этом сохраняется достаточно высокая точность при моделировании исследований тепловых процессов в системе «салон-пассажир».

154

Список литературы

1.Термодинамика салона автомобиля / А.С. Терехов, В.В. Харин, М.А Камнев., В.Ф. Ажмегов // Вестник Российской Академии транспорта. Уральское межрегиональное отделение. – Курган: Изд-во Кур-

ган. гос. ун-та, 1999. – № 2. – С. 23–27.

2.Исаченко В.Г. Теплопередача. – М.: Энергоиздат, 1981. – 417 с.

3.Лыков А.В. Тепломассообмен: справ. – М.: Энергия, 1978. – 430 с.

Об авторах

Харин Валерий Васильевич (Курган, Россия) – кандидат технических наук, доцент, зам. директора по научной работе и инновационному развитию, действительный член РАТ, Курганский институт железнодорожного транспорта (64000, г. Курган, ул. К. Мяготина, 147; e-mail: [e-mail]).

Парышев Дмитрий Николаевич (Курган, Россия) – действитель-

ный член РАТ, генеральный директор, ЗАО «Курганстальмост»

(640023, г. Курган, ул. Загородная, 3; e-mail: [e-mail]).

Воронкин Владимир Александрович (Курган, Россия) – заведую-

щий лабораторией, Курганский институт железнодорожного транспорта

(64000, г. Курган, ул. К. Мяготина, 147; e-mail: [e-mail]).

155

УДК 621.43

ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ И МЕХАНИЧЕСКИЙ КПД ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

НА РЕЖИМЕ ХОЛОСТОГО ХОДА

Р.А. Хлопотов

Тюменский государственный нефтегазовый университет, Россия

Рассмотрены основные эффективные показатели работы ДВС при работе на холостом ходу, выделены составляющие механических потерь двигателя, перечислены основные подходы к снижению механических потерь двигателя.

Ключевые слова: эффективные показатели работы двигателя, механические потери, холостой ход, гидромеханическая коробка передач.

Согласно классической теории ДВС к основным эффективным показателям работы двигателя внутреннего сгорания относятся [1]:

1) эффективная работа на выходном валу двигателя за цикл

Lв = Li −(Lм.п ),

(1)

где Li – индикаторная работа газов за цикл; Lм.п – механические потери в двигателе за цикл;

2) эффективный КПД (доля теплоты топлива, преобразованная в полезную работу)

	η =	Le		,	(2)
		В Q
	е
		ц	н

где Вц – цикловая подача топлива; Qн – низшая теплота сгорания топлива;

3) механический КПД двигателя

η =

Ne

,

(3)

м Ni

где Ne – эффективная мощность, развиваемая двигателем на выходном валу, кВт; Ni – индикаторная мощность двигателя.

156

Механический КПД напрямую зависит от значения механических потерь, которые можно разделить:

–на потери на преодоление сил трения в подвижных сопряжениях двигателя;

–привод вспомогательных агрегатов;

–преодоление аэродинамического сопротивления воздуха вращению или перемещению деталей двигателя;

–осуществление в четырехтактном двигателе процессов газообмена (насосные потери – потери на удаление из надпоршневой полости продуктов сгорания и создание в ней разрежения для ее заполнения свежим зарядом);

–привод нагнетателя (в двигателе с механическим нагнетателем). В общем виде все потери, кроме потерь на привод вспомогательно-

го оборудования, напрямую зависят от частоты вращения коленчатого вала. Потери на привод вспомогательного оборудования являются произведением определенного постоянного значения на квадрат частоты вращения коленчатого вала, но, так как частота вращения на режиме холостого хода не велика относительно её величины на режиме номинальной мощности, в первом приближении можно считать, что потери на привод вспомогательных механизмов не зависят от нагрузки [1].

По разным источникам, значения потерь на привод вспомогательного оборудования могут разниться в диапазоне 5–40 % [2]. Однако наиболее вероятной является следующая градация механических потерь: «на долю потерь в поршневой группе (поршень – цилиндр, поршневые кольца – цилиндр) приходится 60–70 %, на трение в подшипниках – 1–5 %, на привод вспомогательных агрегатов, включая и механизм газораспределения – 25–35 %, на преодоление аэродинамического сопротивления воздуха движению деталей – 1–2 % [1].

К навесному оборудованию современных бензиновых двигателей внутреннего сгорания легковых автомобилей относятся: масляный насос, водяная помпа, генератор, компрессор кондиционера, гидравлический насос ГУР, АКПП. В свою очередь, навесное оборудование можно разделить на то оборудование, которым можно управлять во время эксплуатации авто, и то, которым управлять нельзя. К первому можно отнести масляный насос, водяную помпу и насос ГУР, ко второму – генератор, компрессор кондиционера и АКПП. Так как КПД привода навесного оборудования изменять нельзя, снижение механических потерь за счет снижения потерь на привод навесного оборудования сводится

157

к снижению нагрузки на двигатель, передаваемой через генератор, компрессор кондиционера и АКПП. Под последним подразумевается нагрузка, создаваемая вращением насосного колеса гидротрансформатора

вАКПП, которое приводится в движение от коленчатого вала двигателя, и сопротивление гидравлической жидкости гидромеханической коробки передач. Особый случай – работа двигателя на холостом ходу

врежимах гидромеханической коробки передач, когда не происходит блокировка турбинного колеса или реактора гидротрансформатора.

Классический подход к определению технико-экономических показателей ДВС сводится к определению этих показателей на режиме номинальных оборотов [3], однако в настоящее время при движении

внаселенных пунктах время работы на холостом ходу может составлять 15–20 % от всего времени работы ДВС. Согласно вышеприведенным формулам можно сделать вывод о том, что на режиме холостого

хода Ne = 0 и ηм = 0 индикаторная работа газов полностью расходуется на собственные нужды. Очевидной является необходимость снижения механических потерь двигателя, что приведет к увеличению эффективных показателей его работы. В общем виде подходы к снижению механических потерь в ДВС автомобиля условно можно разделить на три группы [4]: конструкционные, технологические, эксплуатационные. Конструкционный подход предполагает значительные воздействия, направленные непосредственно на конструкцию двигателя внутреннего сгорания. Второй подход к снижению механических потерь практически полностью рассматривает снижение потерь на трение и связан с подбором материалов и параметрами поверхности деталей, участвующих в паре трения, а также свойств смазочного материала, работающего совместно с поверхностями трущихся деталей. Эксплуатационный подход охватывает управление режимами работы двигателя в целом и его отдельных узлов, в том числе трансмиссии, с целью минимизации потерь механической энергии.

Первые два метода применимы только на этапе конструкторской и технологической проработки двигателя, т.е. в случае проектирования нового ДВС. В случае использования уже существующего двигателя без каких-либо серьезных изменений в его конструкции оправданно применение только эксплуатационных мер. Таким образом, в настоящее время наиболее актуально изучение именно эксплуатационных мер по снижению механических потерь ДВС, особенно ввиду недостаточной изученности вопроса, а также снижению механических потерь от привода гидротрансформатора гидромеханической АКПП.

158

Список литературы

1.Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания: учебник / Харьк. нац. автомоб.-дорож. ун-т. – Харьков, 2009. – 500 с.

2.Луканин В.Н. Двигатели внутреннего сгорания: в 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов. – М.: Высшая школа, 1994. – 368 с.

3.Шароглазов Б.А., Фарафонтов М.Ф., Клементьев В.В. Двигатели внутреннего сгорания: теория, моделирование и расчёт процессов. – Челябинск: Изд-во Юж.-Урал. гос. ун-та, 2004. – 344 с.

4.Путинцев С.В. Механические потери в поршневых двигателях: Специальные главы конструирования, расчета и испытаний. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. – 288 с.

Об авторе

Хлопотов Роман Андреевич (Тюмень, Россия) – аспирант, Тю-

менский государственный университет (625001, г. Тюмень, ул. Воло-

дарского, 38; e-mail: [e-mail]).

159

УДК 621.6

К ВОПРОСУ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОЦЕНКИ И ОТБОРА КОМПЛЕКТУЮЩИХ В ПРОИЗВОДСТВЕННОМ ПРОЦЕССЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Д.М. Цимберов

Пермский военный институт внутренних войск МВД России, Россия

Представлена комплексная методика, позволяющая на основе анализа конструкторской документации с учетом мероприятий по подготовке к освоению производства, обеспечивающих организацию производства, с использованием матрицы попарных сравнений, определить технические условия узлов, применение которых будет максимально эффективно для поддержания сборочной единицы в исправном техническом состоянии на всех стадиях эксплуатации.

Ключевые слова: ротор, валопровод, входной контроль, компрессор, перекачивающий агрегат.

В настоящее время при общей тенденции импортозамещания остро стоит задача выбора качественных комплектующих [1, 2, 4, 5]. Оценка комплектующих должна иметь системный характер.

Работа с показателями комплектующих проводится на трех стадиях1:

1)разработка технического проекта;

2)проведение мероприятий по подготовке к освоению производства, обеспечивающих организацию производства разработанных (модернизированных) образцов продукции;

3)изготовление образцов продукции (входной и оперативный контроль качества).

Требования должны выдерживаться на всех этих стадиях с помощью разработанного методического аппарата.

Комплектующие характеризуют по нескольким показателям, которые могут быть обусловленными (предопределенными), вероятностными. Показатели должны рассматриваться совместно, и их оценка

1 ВРД 39.1.10-069–2002 от 2.03.2003 г. Положение по технической эксплуатации газораспределительных станций магистральных газопроводов.

160