Коэффициент климатической адаптации автомобиля
Люблю ходить по современным автосалонам и знакомиться с новыми автомобилями. Как правило, сразу походит молодой менеджер и пытается выудить вопросы по конкретному автомобилю, аргументируя, что всё по нему расскажет. Чтобы избавиться от излишней назойливости задаю один единственный вопрос: «А какой коэффициент климатической адаптации автомобиля?» На лице менеджера испуг, затем он бежит за справочной литературой или зовет на подмогу старшего менеджера. В общем, это не розыгрыш, меня действительно интересует адаптация конкретного авто к суровой зиме, в частности, как долго будет остывать его двигатель на морозе. Но, к сожалению, ещё ни в одном салоне я не получил ответа на свой достаточно простой вопрос, касающийся практики эксплуатации авто.
По темпам роста объема продаж легковых автомобилей в России первые 3 места занимают Ханты-Мансийский АО, Красноярский край и Новосибирская область. Все регионы с достаточно суровым климатом и низкими температурами зимой. А сколько из 100 тыс. проданных автомобилей за прошлый год были подготовлены к местным климатическим условиям? Ответ: ноль!
Время идет – современный автомобиль меняется. Применяются новые технологии, позволяющие эксплуатировать автомобиль при низких температурах, но, к сожалению, в методике оценки степени теплоизоляции автомобиля мы не продвинулись вперед, как и не выработали потребительских требований.
В Европе потребитель требует от производителя соблюдения экологических норм, в северных скандинавских странах – антикоррозионной подготовки, в тропических – хорошей системы охлаждения. А какие требования у российского покупателя автомобиля применительно к климатической адаптации? Да, собственно, никаких!
Наш социум их не выдвинул, хотя в народе всегда находились умельцы, которые различными доступными способами утепляли моторный отсек (МО) зачастую на интуитивном уровне.
Это не праздный и не новый интерес к измерению климатической адаптации автомобиля. Впервые по-научному к данной проблеме подошли сотрудники кафедры эксплуатации автомобильного транспорта Тюменского государственного нефтегазового университета. Они же и вывели коэффициент приспособленности автомобиля к зимним условиям эксплуатации. Но, как это зачастую бывает, сложные математические формулы не нашли отклика в массах.
В общем-то, понятно, что с 2000 года – года последней научной работы – климат в России теплее не стал, а раз не стал, значит, нужно было разгребать накопленный опыт, систематизировать и делать выводы. Исследования были направлены на увеличение времени остывания МО. Что это дает?
Для человека:
1. Более комфортное пребывание в салоне: в холодное время салон теплый, т.к. ДВС за 2-3 часа стоянки не остывает, и печка работает сразу и эффективно. Особенно актуально, если спутница легко одета и авто стояло на морозе (кино, ресторан, шопинг).
2. Лучшая обзорность вследствие незамерзания стекол.
Для машины:
1. Продление моторесурса ДВС, т.к. запуск осуществляется как минимум при температуре выше на 10 °С от наружной; сглаженность температурных колебаний – более равномерный процесс остывания, и как следствие более пологий нагрев. Дело в том, что при нагревании ДВС от (-20 °С) до +50 °С скорость прогрева максимальна и равна примерно 8гр/мин, а интервале от +50 °С до +80 °С равна 4гр/мин, т.е. в два раза меньше. Если не давать ему остывать и последующий запуск осуществлять в периоде меньшей скорости прогревания, то тем самым снижается тепловая деформация и термическая усталость .
2. Увеличение динамики автомобиля за счет очищения от нагара и увеличения компрессии. «Образование низкотемпературного шлама и превращение его в нагар особенно интенсивно идет при пониженных температурах, когда водяной пар, содержащийся в картерных газах, конденсируется в картере и, смешиваясь с маслом, поступает из системы вентиляции двигателя во впускную систему».
3. Продление службы аккумулятора: теплый аккумулятор – большая ЭДС.
В финансовом эквиваленте стоимость зимней эксплуатации авто приближается к стоимости летней. Во всяком случае, автору этой статьи удалось при утеплении моторного отсека (МО) универсала Сhevrolet Lacetti зимний расход топлива снизить с 9,4 л/100км до 8,2л/100 км и приблизить к летнему расходу в 8,0 л/100км.
А теперь по порядку ознакомимся с теоретическим основами и практическими результатами утепления МО. Для понимания основ напомним классификацию терморежима ДВС, приведенную в журнале «АБС» № за 2011год. (табл. №1)
На практике нас интересуют 3 периода фазы остывания. Это период С5. , ибо чем выше температура ДВС, тем дольше остывает «движок». С3. – период достартового остывания от 50 °С до 30 °С, т.е. в этом периоде возможен старт автомобиля без предварительного прогрева. С2. – период остывания от +30 °С до 0 °С – требует предварительного прогрева на холостом ходу. Период С1. – низкотемпературное остывание – от 0 °С и ниже до температуры окружающей среды.
Отдельную важную позицию в фазе остывания занимает период индексного остывания С4. от +80 °С до +50 °С. По указанному периоду можно определять ККА – климатический коэффициент адаптации автомобиля. Он же CFA – climatic factor adjustment.
Выбор температурного диапазона охлаждающей жидкости (ОЖ) для определения ККА от +80 °С до +50 °С неслучаен, ибо: 1) 99% автомобилей имеют температуру +80 °С, что обусловлено температурой открытия подавляющего большинства термостатов; 2) 99% автомобилей остывают до +50 °С. Если взять диапазон ниже, то часть авто может выпасть из статистики, т.к. в жару ДВС может и не остыть при температуре воздуха +47 °С. Сужение диапазона к примеру с +70 °С до +60 °С, приводит к увеличению погрешности замера. Поэтому для сравнительного анализа степени утепления различных автомобилей как стандарт был взят период остывания ОЖ от +80 °С до +50 °С.
ККА – это время в минутах периода С4., т.е. время остывание от +80 °С до +50 °С, при определенной температуре воздуха без учета влияния ветра (до 5 м/сек).
Строго говоря, утеплением МО можно решить две задачи. Задача №1 – термоизоляция МО во время стоянки для увеличения времени остывания. Задача №2 – утепление для движения с целью максимального подъема температуры рабочего диапазона, более стабильной температуры ОЖ без падений (до 15С) во время каждого открытия термостата и поддержание в салоне комфортной температуры. Задача может быть и комплексная, тогда требуется утепление и для стоянки, и для поездки. Решение первой задачи – это герметизация капота и его термоизоляция. Решение второй – перекрытие части поступающего спереди в МО воздушного потока, лучше, конечно, регулируемым способом через установку жалюзи.
В этой статье я не описываю саму методику утепления МО. Изложу лишь полученный результат 6-ти летних экспериментов и различных вариантов утепления. Для начала немного критики в адрес английского аналога утепления, выполненной в лаборатории BMW. Её даже нельзя отнести к утеплению МО, т.к. сам МО оказался доступен морозу со всем навесным оборудованием, дополнительными устройствами и электроникой.
В нашем же варианте утепления МО ставились следующие задачи:
1. Доступность ДВС и всех агрегатов МО для обслуживания.
2. Максимальное сохранение тепла для увеличения времени остывания всех элементов вплоть до бачка омывателя.
3. Использование на стоянке только тепла горячего двигателя, выделенного при движении без применения дополнительных внешних источников энергии, в т.ч. дополнительного прогрева авто на холостом ходу.
Все поставленные задачи были успешно реализованы. С учетом полученных данных, стало понятно, что методика утепления МО актуальна для подавляющего большинства современного легкового автомобильного транспорта, эксплуатируемого зимой хотя бы раз в сутки. Так даже по данным всё тех же британцев 88% автолюбителей оставляют свой авто на стоянке не более чем на 16 часов.
Начнем с результатов зимней стоянки на открытой площадке (график №1).
Здесь «энергопоглощающими» факторами являются ветер и низкая температура. Было установлено, что значение ветра и температуры на скорость остывания соотносятся примерно как 1:9. дело в том, что даже штатный МО удовлетворительно ветро- защищен. Средняя скорость ветра в городе около 5 м/с и ещё меньше во внутриквартальных территориях и его влияние минимально (график №1). Максимальная скорость ветра, которая исследовалась, достигала 10 м/с, но даже при этом ветре на открытой площадке время остывания МО уменьшилось всего на 20%.
Теперь про основные теплопотери (график №2).
На стоянке их всего 2 вида: конвекция и излучение. Для борьбы с ними использовалась методика герметизации капота для предотвращения выхода теплого воздуха из МО. Это были термоотражающие и термоизолирующие материалы, в основном двусторонний фольгированный пенополиэтилен. В практике удалось достичь практически полного перекрытия канала потери энергии вверх через капот и довести до рекордного времени остывания МО до температуры окружающей среды в (-20) °С до 22 часов при ветре в 5 м/с (график №2) и до 24 часов при ветре в 2 м/с.
При движении автомобиля, в отличие от стоянки, картина теплопотерь совсем иная.
Соотношение значение ветра (воздушного потока) и тепла здесь меняется на обратное: 9:1, т.е. борьба с набегающим потоком воздуха в МО выходит в данном случае на I место. Особенно это важно при движении на трассе, где скорость значительно выше средней по городу, и воздушный поток резко опускает температуру в МО, доводя её значение до окружающей (график №3). К тому же может снизить температуру и ОЖ ниже открытия термостата.
При движении хорошо помогает герметизация воздухозаборных щелей над и под бампером, периметра фар и ПТФ, установка экранов, перекрывающих встречный поток. Единственное условия, нельзя ставить экран (картонку) вплотную к радиатору охлаждения, т.к. это чревато перегревом ДВС. Лучше поместить картонку перед конденсором (радиатор кондиционера). Да, и обязательно перед любым утеплением МО нужно установить бортовой компьютер (БК) со звуковым сигналом, к примеру, на +99С ОЖ. Дело в том, что шум включения вентилятора радиатора, сигнализирующего о верхнем пределе нагрева ДВС, можно не услышать с включенной музыкой в салоне. На сегодня, лучшей «картонкой» все-таки является жалюзи с автоматической регулировкой положения створок в зависимости от температуры ОЖ и МО (жалюзи "Мистраль") .
Хотя защита МО термоизоляцией при движении не очень эффективна, но все же она позволяет в сильные морозы увеличить температуру ОЖ на 10-15 °С от температуры срабатывания термостата (график №4).
Для большинства жителей городов суточный цикл использования автомобиля достаточно типичен (табл. №2) и начинается он с утреннего запуска ДВС на морозе. Суточный мониторинг штатного МО и утепленного представлен на графике №5.
На нем хорошо видно, что ДВС штатного варианта в основном работает не в периоде рабочей температуры, а жаль! А ведь этого можно добиться утеплением МО, что видно в представленной таблице № 3.
Утепленный МО при (-20)С воздуха не позволяет остыть ДВС до минусовых значений, тратит на прогрев только 14% от всего времени работы, тогда как штатный 39% (табл. №3). В термопериодах очищения от нагара (Н5.2. и Н5.3.) утепленный ДВС находится 69% времени, неутепленный – всего лишь 25%.
Самое главное, заявленные производителем экологические свойства автомобиля в периоде Н5.1. (выделено зеленым) выполняются всего на 17,5%, а утепленный ДВС работает на экологию в 2 раза дольше (36,3%), когда концентрация NOx в выхлопных газах минимальна. Также нужно иметь ввиду, что при пробеге меньше 30 минут, двигатель совсем не выходит на температуру самоочищения камеры сгорания.
Теперь посмотрим, что дает утепление при ежедневной эксплуатации в течение зимнего месяца (табл. №4). В течение всего декабря 2012 года проводилась фиксация температуры ДВС (ОЖ) и МО в момент утреннего запуска на морозе после ночной стоянки на открытой площадке.
Средняя температура ОЖ при запуске была на 13С выше окружающего воздуха и это после почти 9 часовой ночевки на морозе!
Является ли это пределом утепления МО? Конечно же, нет! Есть перспективы довести время остывания ОЖ автомобиля при (-20 °С) до 24 часов и более.
С введением экологических норм для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по некоторым параметрам, особо актуальным становиться их соблюдение при низких температурах. Резник Л.Г. и Эртман С.А. научно доказали отрицательную роль низких температур, скорости ветра и отсутствие тепло- и ветрозащиты на эффективность работы двигателя, его ресурс и экологические показатели. С 2007 по 2012 гг. я провел ряд экспериментов для регуляции оптимального терморежима двигателя и его термоизоляции от внешней холодной среды.
Эти усовершенствования привели к значительным позитивным эксплуатационным изменениям: к ликвидации ошибки P0300, позволили сократить время прогрева ДВС, время его остывания зимой и увеличить компрессию во всех цилиндрах до 15,0 кг/с. Таким образом, была достигнута более комфортная эксплуатация автомобиля по температурному режиму, снижено потребление топлива, увеличен ресурс двигателя и, что особенно важно, снижены концентрации выброса вредных веществ за счет повышения среднеэксплуатационной температуры ДВС.
Меня часто спрашивают: а жарким летом как? Возвращаться к заводскому варианту? И «да» и «нет». Слой утеплителя, который находиться над ДВС, естественно убирается на лето. Жалюзи, если есть, открываются в зависимости от температуры в МО. Утеплитель капота, который закреплен к самому капоту и герметизирующие трубки по периметру капота остаются на местах все лето, при этом перегрева ДВС нет даже в пробках – проверено летней эксплуатацией при +47С. На автомобилях с кондиционером перегрев ещё маловероятен, ибо при включении кондиционера усиливается воздушный поток через радиатор и температура ОЖ падает до температуры открытия термостата и ниже.
Приходя в магазин, покупая бытовую технику, мы почему-то интересуемся классом энергопотребления, классом энергосбережения стиральной машины, холодильника и прочего. Никто и никогда не спрашивает у продавца коэффициент климатической приспособленности очень дорогого автомобиля! Хочется верить, что это время наступит, время соответствия конкретного автомобиля конкретной климатической зоне, когда уровень комфорта системы человек-автомобиль станет ещё выше.
Литература:
Хрулев А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей, 2000г. стр.14
Горелик П.С.. Бюро моторной экспертизы "СМЦ "АБ-Инжиниринг", http://www.ab-engine.ru/expertise/expertise_toyota.pdf
Мельников С.М. Интеллектуальные жалюзи "Мистраль", http://silich.ru/zhal.html
Резник Л.Г., Бахмат В.Г. Влияние силы и направления ветра на приспособленность автомобиля к зимним условиям эксплуатации. Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень, 2007.
Эртман С.А. Приспособленность автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму двигателя, автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Тюмень, 2004.
Богданов Ю.В. Чек, клапаны и демократия, журнал «Автомобиль и сервис», стр.58, №9, 2009.
