Development and testing of a mathematical model of the engine pre-start operation at low ambient temperatures

Abstract

Starting a cold diesel engine, in the Arctic, with minimum temperatures below -60 ° C, presents significant difficulties due to: low temperature of the air charge; increased resistance to cranking the crankshaft and moving other kinematically related parts (pistons, parts of the gas distribution mechanism; etc.) due to the increased viscosity of the oil, deterioration of fuel atomization conditions, enhanced heat transfer to the cylinder wall, loss of part of the air charge. This article is devoted to solving the urgent problem associated with the development of a theoretical framework that provides comprehensive simulation of the starting mode of a diesel engine at low ambient temperatures when using start-up facilitators. The article proposes a mathematical model of a diesel engine, based on thermal mechanics (thermodynamics of open systems), which reflects the main features of an internal combustion engine (ICE) as a system that converts energy over time. The system of equations of the mathematical model is based on the laws of conservation of energy, mass, equations of motion of solid links and includes differential equations of the rate of change of temperature and density of the working fluid in the cylinder and in the engine crankcase, ideal gas equation of state, as well as differential equations of change of angular velocity and angle of rotation of engine shaft. The mathematical model is tested on the example of a 1CH9.5 / 8.0 diesel engine. The article presents graphs of changes in the angular velocity, pressure and temperature in the cylinder, as well as the results of calculating the engine pre-start operation at various low ambient temperatures in comparison with the results of full-scale experiments conducted in the refrigerating chamber.

Keywords

diesel / low temperatures / prestart mode / mathematical modeling

References

[1] Шапран В.Н., Стрелков Д.Н. К проблеме обеспечения надежного пуска дизеля в условиях низких температур и возможности использования СВЧ нагрева топлива и моторного масла // Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ». М.: МГТУ «МАМИ». С. 208-215.

[2] Белов М.П., Бурячко В.Р., Акатов Е.И. Двигатели армейских машин. Часть первая. Теория [Текст]. М.: Воениздат, 1971.

[3] Павлов Д.В., Хмелев Р.Н. Особенности эксплуатации малоразмерных дизельных двигателей в условиях Арктики // Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования. 2016. Т. 3. № 3(6). С. 241-247.

[4] Чижков Ю.П., Квайт С.М., Сметнев Н.Н. Электростартерный пуск автотракторных двигателей. М.: Машиностроение, 1985. 160 с.

[5] Оберемок В.З., Юрковский И.М. Пуск автомобильных двигателей. М.: Транспорт, 1979. 118 с.

[6] Карташевич А.Н., Кухаренок Г.М., Гордеенко А.В., Разинкевич Д.С. Улучшение пусковых качеств автотракторных дизелей в зимний период эксплуатации. Монография. Белорусская государственная сельскохозяйственная академия. Минск.: Изд. ООО «Красико-Принт», 2005, 180 с.

[7] Квайт С.М., Менделевич Я.А., Чижков Ю.П. Пусковые качества и системы пуска автотракторных двигателей. М.: Машиностроение, 1990. 256 с.

[8] Мараховский В.П. Низкотемпературный пуск форсированных дизельных двигателей // Двигатели внутреннего сгорания. Всеукраинский научно-технический журнал, 2004. № 2. C. 135-137.

[9] Камалтдинов В.Г., Марков В.А. Холодный пуск двигателя. Результаты исследования процессов подачи и распыливания топлива // Автомобильная промышленность. 2010. № 9. С. 9-11.

[10] Харитонов В.В. Повышение эффективности пуска автотракторного дизеля в условиях низких температур окружающего воздуха. Автореф. дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук, Москва, 2005. 19 с.

[11] Шавлов А.В. Улучшение пусковых характеристик дизелей типа В-2 с комбинированной системой подготовки запуска совершенствованием системы термостатирования масла. Автореф. дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук, Барнаул, 2012. 19 с.

[12] Козлов А.А. К вопросу о повышении эффективности пуска дизеля // Вестник СиБАДИ. 2018. Т. 15. № 5. С. 650-659.

[13] Карноухова И.В. Определение оптимальной температуры воздуха во впускном коллекторе двигателя // Вестник СибАДИ. 2014. № 3(37). С. 7-12.

[14] Park J.K. Simulation of starting process of diesel engine under cold condition // International Journal of Automotive Technology. 2007. № 3. Vol. 8. pp. 289-298.

[15] Елагин М.Ю. Математическое моделирование нестационарных процессов в открытых термодинамических системах. Тула: Изд-во ТулГУ, 1999. 112 с.

[16] Елагин М.Ю. Термодинамика открытых систем. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 400 с.

[17] Хмелев Р.Н. Математическое и программное обеспечение системного подхода к исследованию и расчету поршневых двигателей внутреннего сгорания. Монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 229 с.

[18] Малиованов М.В., Хмелев Р.Н. Разработка методики проектировочных расчетов поршневых двигателей внутреннего сгорания // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. 2012. Т. 1. С. 290-293.

RIGHTS & PERMISSIONS

Yelagin M.Y., Pavlov D.V., Khmelev R.N.