Улучшение пусковых качеств автотракторных дизелей в зимний период эксплуатации

Рис. 1.7. Депрессия Т₃ при введении 0,1% ВЭС-238 во фракции углеводородов, выделенные из летних дизельных топлив, приготовленных из Сахалинской (а) и Урало-Волжской (б) нефтей:

1 - парфинонафтеновая фракция; 2 - ароматическая фракция (моноциклические углеводороды); 3 - фракция би- и трициклических ароматических углеводородов; 4 - фракция тетрациклических ароматических углеводородов; 5 - изопарафинонафтеновая фракция

Следует отметить, хорошая восприимчивость н-парафинов к депрессорам обусловлена механизмом действия этих присадок, которые должны взаимодействовать с кристаллизующимися парафинами. Имеются оптимальные содержания парафинов в топливе, при которых действие депрессоров проявляется лучше всего. Если парафинов слишком много, то эффективность присадок снижается. Влияние содержания парафиновых углеводородов на депрессию температуры застывания содержащих их модельных смесей при введении 0,1% присадки ПДП представлено на рис. 2.8 [49].

Рис. 2.8. Зависимость депрессии Т_з, модельных смесей от содержания н-парафинов при введении 0,1% присадки ПДП

Не менее важными являются характеристики парафинов: молекулярная масса, длина нормальной парафиновой цепи до разветвлении. молекулярно-массовое распределение. В общем случае действие депрессоров в дизельных топливах пробовали оценивать коэффициентом восприимчивости К_В [50]:

К_В = А_М•Н_Р/П_Н,

где П_Н и А_М - содержание соответственно н-парафиновых и моноциклических ароматических углеводородов в топливе;

Н_Р - величина угла наклона кривой разгонки топлива, подсчитываемая исходя из 10%-й (Т₁₀) и 90%-й (Т₉₀) точек разгонки: Н_Р = 0.0125(Т₉₀ - Т₁₀). Косвенно Нр характеризует молекулярно-массовое распределение н-парафинов.

Исходя из сказанного можно заключить, что наилучшей приемистостью к депрессорам обладают топлива широкого фракционного состава с высоким содержанием ароматических углеводородов.

Наличие воды в топливах, которая всегда содержится в условиях эксплуатации, также влияет на их приемистость к депрессорам. При этом растворенная вода (0,008%) на прокачиваемость топлива не влияет. Однако если в топливо попадает больше воды, то в присутствии депрессорной присадки образуется эмульсия, при отрицательных температурах эмульгированная вода замерзает, а образующиеся кристаллы льда сорбируют на себе часть присадок, снижая их эффективность. Ниже приведены данные о влиянии воды в топливе на эффективность депрессора [30]:

Как указывалось выше, депрессоры не препятствуют образованию микрокристаллов парафинов и расслоению топлива при длительном холодном хранении. В результате образуются два слоя: нижний, обогащенный кристаллами парафинов, и прозрачный верхний. Оба слоя подвижны, т. е. о застывании топлива речи не идет. Однако прокачиваемость нижнего слоя невысока. Это, в частности, свидетельствует о том, что показатель ПТФ на практике более важен, чем Т_з.

Решением проблемы является выработка топлив соответствующего группового состава или применение депрессоров в композиции с диспергаторами парафинов. За рубежом разработаны так называемые диспергаторы парафинов, которые рекомендуется применять в композициях с депрессорными присадками. Добавка диспергатора парафинов к депрессору позволяет снизить на порядок размер кристаллов. Исследования Н.Н. Хвостенко показали, что в присутствии 0,05% депрессора Кеroflux-5486 размер кристаллов парафинов, образовавшихся в топливе ДЗп-15/-25, составляет 50 мкм, а в присутствии композиции 0,025% Кеrоflux-5486 и диспергатора Кеroflux-3217 - 5 мкм. Поэтому весьма перспективным является использование депрессоров в композиции с диспергаторами парафинов.

Работы по разработке и исследование возможности использования такой композиции в странных СНГ и России пока только начаты. К сожалению состав многих диспергаторов парафинов держится в секрете, что не помогает научным исследованиям.

Установлено, что для каждого вида топлива существует своя оптимальная композиция депрессор - диспергатор парафинов, при которой наблюдается желаемый эффект. В других случаях эффект отсутствует или даже отрицателен. На рис. 2.9 представлены значения ПТФ нижнего слоя, образовавшегося при холодном хранении топлива ДЗп-15/-25 в присутствии депрессоров Кеroflux-3283 и Кеroflux-5486 и диспергатороз парафинов Кеroflux-3217 и Кеroflux-3480. Только в случае композиции Кеroflux-3283 + Кеroflux-3217 наблюдалось существенное улучшение ПТФ нижнего слоя. В случае композиции Кеroflux-5486 + Кеroflux-3217 эффект отсутствовал, а в композиции Кеroflux-3283 + Кеroflux-3480 наблюдался антагонизм. В данном примере соотношение компонентов в композициях присадок составляло 1:1, но его оптимальное значение в каждом случае также следует определять.

Рис. 2.9. Влияние депрессоров и диспергаторов парафинов на ПТФ нижнего слоя при холодном хранении топлива ДЗп-15/-25 (массовое соотношение компонентов в присадке - 1:1): 1 -- Кеroflux-5486; 2 -- Кеroflux-5486 + Кеroflux-3217; 3 -- Кеroflux-3283; 4 -- Кеroflux-3283 + Кеroflux-3217

В России исследованы и допущены к применению три присадки-диспергатора зарубежных фирм: Кеroflux-3502, Кеroflux-3520 и Dodiwax-4500.

Депрессоры и диспергаторы, а также их композиции рекомендуется вводить в топливо при 40-50 °С. Влияние температуры введения депрессорной присадки в топливо на ее эффективность может быть представлено данными табл.(2.18), характерными для депрессоров всех типов (Т.Н. Митусова) [51].

Таблица 2.18. Влияние температуры введения депрессорной присадки в топливо на ее эффективность

Оптимальным при введении депрессорной присадки в топливо на месте применения является нагревание. Улучшать помутневшее топливо бессмысленно. При необходимости следует подогревать и трубопроводы, по которым они перекачиваются [1, 52, 53 и др.].

Таким образом, снижение предельной температуры фильтруемости дизельных топлив при помощи депрессоров и диспергаторов в настоящее время весьма проблематично, так как:

1) эффективность присадок очень сильно зависит от состава, характеристик и качества улучшаемых топлив, что вынуждает фирмы, специализирующиеся на производстве и поставках депрессоров располагать очень широким ассортиментом, из которого рекомендуют ту или иную марку присадки, наилучшим образом подходящую к конкретному топливу.

2) мощности отечественной промышленности пока не в состоянии обеспечить требуемые объемы производства присадок, что естественным образом не снимает проблемы нехватки зимних сортов дизельных топлив.

3) существуют некоторые технологические трудности при использовании присадок непосредственно на предприятиях эксплуатирующих автотракторную технику; необходимо чтобы температура улучшаемого топлива была как минимум на 10 ⁰С выше температуры помутнения, а рекомендуемая температура присадки должна составлять 40…50 ⁰С. Все это приводит к дополнительным затратам.

Из приведенного выше обзора видно, что в настоящее время, несмотря на разнообразие предлагаемых методов по улучшению низкотемпературных свойств дизельных топлив, данная проблема остаётся до конца не решенной как в отечественной, так и в мировой практике эксплуатации дизельных двигателей. Проблема улучшения низкотемпературных свойств дизельного топлива как на стадии его производства, так и на стадии его потребления автотракторными двигателями требует всесторонних дальнейших исследований. Поэтому, по нашему мнению, в настоящее время необходимо сосредоточить усилия по созданию условий смягчающих негативное воздействие внешних факторов как на работу агрегатов топливной системы, так и на свойства дизельного топлива.

3. Работа топливной системы при низких температурах. Способы обеспечения работоспособности

3.1 Особенности работы топливной аппаратуры дизеля при низких температурах

Одной из причин снижения надежности дизелей, являющихся основным элементом силовых установок, работающих в условиях низких температур, является выпадение парафинов в дизельном топливе, забивание ими фильтрующих элементов, увеличение их сопротивления и, в конечном итоге, разрыв фильтрующих элементов. Работа дизеля на неочищенном топливе приводит к быстрому выходу из строя топливного насоса и форсунок, в основном определяющих работоспособность дизеля.

По этой причине при эксплуатации машин в зимний период в три-семь раз увеличивается число отказов по сравнению с летним периодом, повышается расход топлива, увеличиваются непроизводительные потери времени и эксплуатационные расходы [54].

При эксплуатации дизельных двигателей в зимних условиях температура топлива в баке, фильтрах грубой (ФГО) и тонкой (ФТО) очистки, в головке топливного насоса (ТНВД) изменяется в довольно широких пределах. Стендовыми испытаниями установлено, что с понижением температуры окружающего воздуха от 20 ⁰С до минус 37 ⁰С, температура в головке насоса двигателя Д-37 М снижается от 50...55 ⁰С до 0...минус 2 ⁰С. В условиях реальной эксплуатации тракторов, при температуре окружающего воздуха минус 26 ⁰С, температура топлива в головке насоса составляет 2 ⁰С (для трактора МТЗ-80), а при температуре 25 ⁰С -- достигает 75 ⁰С (трактор ДТ-75) [55]. Холодное топливо, поступая в фильтр тонкой очистки и головку топливного насоса высокого давления, нагревается в основном за счет тепла, излучаемого двигателем.

При эксплуатации тракторов в условиях отрицательных температур наиболее уязвимым местом системы питания двигателя является участок от топливного бака до фильтра грубой очистки. Здесь топливо подается самотеком или под влиянием разряжения, создаваемого подкачивающим насосом. Во многих литературных источниках [56, 57, 58 и др.] отмечается, что при эксплуатации дизелей в зимних условиях температура топлива в топливном баке практически такая же, как и температура окружающего воздуха. Установлено, что после стоянки трактора в теплом гараже, аккумулированном дизельным топливом, тепла хватает для нормальной работы двигателя при температуре воздуха минус 25 ⁰С только на 1…1.5 часа. В дальнейшем разность температур топлива и окружающего воздуха не превышает 3 ⁰С. В этом случае, если температура окружающей среды ниже температуры помутнения и застывания топлива, то его однородность нарушается вследствие образования кристаллов парафиновых углеводородов. Выделение из топлива кристаллов парафиновых углеводородов (Н-алканов) в виде твердой фазы приводит к появлению аномальной вязкости, усиливающейся с понижением температуры. Любые агрегаты на линии всасывания (топливозаборные штуцера, трубопроводы, краны, фильтр грубой очистки) могут нарушить подачу загустевшего топлива, снизить его прокачиваемость. Практикой эксплуатации тракторов в зимних условиях (температура воздуха минус 30 ⁰С) отмечены случаи неустойчивой работы и самопроизвольной остановки двигателей на режиме холостого хода из-за забивания фильтров грубой очистки и трубопроводов низкого давления кристаллами углеводородов. Поэтому перед пуском и на режиме холостого хода следует подогревать топливо на начальных участках системы питания -- в зоне топливного бака и топливных фильтров [59].

Эксплуатационные испытания показали, что машины с дизельным двигателем американского и западноевропейского производства перестают нормально функционировать при температуре окружающей среды на 5...10 ⁰С ниже температуры помутнения топлива; в 47% это происходит вследствие забивки топливных фильтров кристаллами твердых углеводородов, а в 53% из-за застывания топлива в топливопроводах [60].

Как в отечественном, так и в мировом двигателестроении проблема защиты топливной аппаратуры, особенно фильтров грубой и тонкой очистки от забивания парафинами в зимний период эксплуатации остается нерешенной.

Ограничением применения дизельного топлива при низких температурах окружающего воздуха является температура при которой начинается забивание фильтров с сеткой 45 мкм [61]. Для европейских стран эта температура даже для зимних сортов топлива невысока и составляет от -9⁰С (стандарт Великобритании) до -2О⁰С (стандарт Швеции). На рынке европейских стран дизельное топливо для автомобильных дизелей поставляется с температурой помутнения от +3 до -1⁰С и температурой выхода из строя топливного фильтра из-за заполнения парафином равной от -8 до -15⁰С. Следует отметить, что метод определения температуры предельной фильтруемости дизельных топлив стандартизирован в ряде стран [62]. При использовании дизелей в условиях низких температур в странах СНГ предусмотрено применение зимних и арктических дизельных топлив с температурой застывания соответственно -35⁰С и -55⁰С с массовой долей парафинов в топливе 53%. Однако температура выхода из строя топливного фильтра из-за заполнения его парафином для данных топлив не устанавливается в силу того, что отечественный ГОСТ не предусматривает определение этого показателя.

Актуальность проблемы улучшения низкотемпературных характеристик дизельного топлива возрастает в связи с наличием различных климатических зон, отличающихся изменением температуры как в течение года, месяца, так и в течение одних суток.

Температура окружающей среды является величиной случайной, изменяющейся в широком диапазоне во времени и пространстве. В связи с этим, для характеристики климата по температуре принимают среднее значение за сутки, месяц и год.

При решении вопросов, направленных на улучшение низкотемпера-турных свойств топлив, важно учитывать колебание температур в течение не только сезона или месяце, но и суток. Наиболее высокие температуры отмечаются в 14... 15 ч, а наиболее низкие - в 7...8 часов, то есть примерно в период предпусковой подготовки и пуска трактора. Суточная амплитуда в зависимости от местности изменяется в широких пределах: от 3 до 15° , в среднем составляя 6...7°.

Весьма важной характеристикой климата применительно к эксплу-атации машин является продолжительность холодного периода (количество дней в году с отрицательной температурой). Такой период на большей части территории стран СНГ составляет значительную часть года. На севере азиатской территорий количество дней с отрицательной температурой составляет 65...70% от времени года, на севере Европейкой части стран СНГ - 45...50%. По мере продвижения на юг длительность периода отрицательных температур сокращается и в отдельных районах средней Волги, юга Урала составляет 140...150 дней, а в отдельных районах среднеазиатских республик, Кавказа и побережья черного моря доходит до 10.. 12 дней и даже до нуля.

Наибольшую сложность при эксплуатации представляют процессы пуска и последующего прогрева двигателя. Так, при сильных морозах продолжительность тепловой подготовки увеличивается в 12 раз по сравнению с летним периодом, доходя до 20...25% времени смены, а эксплуатационные затраты возрастают в 16 раз.

Большинство зарубежных и отечественных подогревателей (газовые, электрические, жидкостные, свечи накаливания и др.), применяемых в зимний период эксплуатации, не обеспечивают пуск двигателей и выход их на режимы нагрузок в соответствий с ГОСТ 14892-69 более 45 мин при температуре воздуха -60°С [63]. В итоге время затрачиваемое на прогрев и пуск после длительной стоянки, составляет 1...1,5 ч [64], а в сильные морозы - до трех и более часов [65].

3.2 Обзор устройств для разрушения кристаллов н-парафинов в дизельном топливе

В настоящее время вопросы защиты топливоподающей системы дизелей от парафинов находятся на уровне патентов, заявок и авторских свидетельств.

В данной работе на основе литературного и патентного поиска предлагается классифицировать устройства защиты топливоподающей аппаратуры по способу воздействия их на дизельное топливо и месту установки (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Классификация устройств для защиты топливоподающей аппаратуры дизеля от парафинов

Улучшение условий прокачиваемости и фильтруемости дизельных топлив, при отрицательных температурах окружающей среды, возможно несколькими способами. Один из них, это установка нового элемента топливной аппаратуры -- подогревателя топлива, позволяющего обеспечить предварительный нагрев топлива перед его подачей к топливному насосу высокого давления [66]. Для этих целей используют различные нагревательные устройства; которые различающиеся по конструкции, виду теплоносителя и энергии -- пар, горячая вода, горячий воздух, электроэнергия, инфракрасное излучение, тепло отработавших газов и продуктов сгорания топлива, а также по месту установки. В настоящее время встречаются устройства, основанные на ультразвуковом, радиоактивном, электромагнитном, механическом и др. способах воздействия на дизельное топливо. Однако использование таких устройств требует специальной подготовки обслуживающего персонала, предъявляет дополнительные требования к технике безопасности как в период эксплуатации, так и во время ремонта двигателя.

Наиболее уязвимый участок топливной системы -- это топливный бак, топливопровод до фильтра грубой очистки и фильтр грубой очистки. Вероятность потери текучести топлива здесь самая большая [1, 57, 66, 67 и др.].

Самый простой, доступный и распространенный способ защиты -- утепление топливных баков, трубопроводов, топливных фильтров, установка последних в подкапотном пространстве двигателя как можно ближе к выпускному коллектору. Например, один из исследователей [1] предлагает для утепления топливного бака, обмотать его мягкой проволокой или сеткой. Затем покрыть обмазкой, состоящей из 35 % асбестовой крошки, 40 % древесных опилок, 20 % огнеупорной глины и

5 % жидкого стекла. Утеплительную обмазку наносят на бак слоем 15...20 мм, просушивают при температуре 30...35°С в течение 12...14 ч. После этого поверхность бака обматывают тканевыми лентами или помещают в плотно облегающий тканевый чехол и покрывают водомаслостойкой краской. Для утепления топливопроводов содержание жидкого стекла в обмазке увеличивают до 15 % за счет сокращения опилок. Вместо опилок иногда применяют крошки пенопласта. Корпуса топливных фильтров утепляют чехлами из парусины и ватина. В чехлах предусматривают отверстия для слива воды и конденсата. Преимущество этого способа в том, что не требуется дополнительных устройств, однако он имеет и существенный недостаток, такой как, низкая степень нагрева и невозможность разрушения кристаллов в период пуска и прогрева двигателя.

Повышенную степень нагрева получают применением специальных нагревательных устройств, таких как: теплообменники отработавших газов, охлаждающей жидкости, излишков топлива или электронагревательные устройства.

Теплообменники, основанные на использовании отработавших газов, расположены в основном внизу топливного бака. Однако существуют конструкции теплообменников использующих отработавшие газы в специальном корпусе, внутри которого расположены пучки труб. Суть этой конструкции в том, что выхлопные газы проходят по трубкам, которые обтекает дизельное топливо. Например, фирма "Любер-Файнер" США [68] предлагает подогреватель, использующий тепло отработавших газов. Здесь топливо подогревается в змеевике, погруженном в теплопроводящую жидкость. Избыток топлива, сливаемый от двигателя обратно в бак, предварительно подогревается еще раз в подобном теплообменнике. Аналогичную конструкцию разработала фирма "Kim Horstrat”, которая обеспечивает подъем температуры на 20 ⁰С. В ее состав входят циркуляционный топливный бак, спиральный алюминиевый теплообменник, для обеспечения автоматической работы применяют соленоидный клапан управления.

На рис.3.2 изображена конструкция подогревателя [1], использующего энергию отработанных газов, который выполнен так. Ко дну бака приваривают ребристый стакан в специальной рубашке с отверстиями вверху по числу промежутков между ребрами. Ребра служат для увеличения поверхности нагревания и образуют каналы, по которым направляется поток газов. Стакан с рубашкой размещают в наружном цилиндрическом кожухе, который служит для подвода и отвода газов, а также для крепления всей системы к раме трактора. Газы проходят по трубе, являющейся ответвлением основной выпускной трубы двигателя. Количество направляемого в подогреватель газа регулируют заслонкой. Температуру топлива в зоне подогревания контролируют по дистанционному термометру.

Рис. 3.2. Схема подогревания дизельного топлива:

1-- топливные баки; 1 -- сливной топливопровод; 3 -- топливопровод, подводящий топливо из бака к насосу; 4 -- теплоизоляция; 5--соединительный топливопровод с тепловой изоляцией; 6 -- глушитель

Иногда топливопроводы от бака пропускают через утепленную кабину, а в топливный бак вваривают цельнотянутую трубу, по которой проходит часть газов от выпускной трубы трактора. Применяют схему, в которой топливопровод от бака до фильтра грубой очистки помещают в трубу, и в нее подают часть выпускных газов. Для этого между выпускным коллектором и трубой устанавливают тройник. Количество газов, а, следовательно, и температуру топлива регулируют заслонкой. При этом надо помнить, что нагревать топливо выше 50 °С не следует.

Существенные недостатки таких теплообменников -- сильная зависимость температуры теплоносителя от режима работы двигателя и низкий потенциал тепла газов при работе двигателя на холостом ходу. Кроме того, они имеют довольно сложную конструкцию, не обеспечивают подогрев топлива перед пуском дизеля, имеют повышенную пожароопасность. Следует отметить и тот факт, что конструкции таких подогревателей значительно повышают сопротивление выхода отработавших газов, а это ведет к снижению мощности развиваемой двигателем.

Во избежание большого расхода электрической энергии для подогрева топлива можно использовать тепло охлаждающей жидкости. Теплообменники с использованием теплоты охлаждающейся жидкости выполняются в основном по традиционной схеме "труба в трубе". Конструкции таких теплообменных подогревателей выпускают фирмы "Даль", "Мидко", "Давко" (США) [68]. Однако существуют конструкции таких теплообменников, выполненных в виде змеевика, погруженного в топливный бак. Приспособление работает следующим образом. В отверстие ниже основного клапана в коробке термостата ввертывают штуцер. К нему присоединяют патрубок из газовой трубы, соединенный с подводящим резиновым шлангом. Другой конец резинового шланга присоединяют к входному штуцеру змеевика, изготовленного из четырех витков трубы. Патрубок, соединенный с коробкой термостата, имеет вентиль, которым можно регулировать количество горячей жидкости, поступающей к змеевику. К выходному штуцеру змеевика подсоединяют резиновый шланг. Перед пуском двигателя открывают вентили входного и выходного патрубков и заливают горячую воду в рубашку блока. Вода, прогревая блок двигателя, поступает также в змеевик. Подогревают топливо и при работе пускового двигателя, так как штуцер с отводящим патрубком подсоединен к коробке термостата ниже основного клапана.

Основными недостатками теплообменников с использованием тепла охлаждающей жидкости являются довольно сложная конструкция двойного штуцера и непригодность их при запуске холодного двигателя.

Теплообменники с использованием тепла излишков топлива могут быть выполнены по всей длине всасывающего трубопровода по типу "труба в трубе". Аналогом такого теплообменника является очень простое приспособление Алтайского СХИ (рис.3.3). Оно позволяет использовать тепло излишков топлива, поступающего из головки топливного насоса. Топливопровод от бака до фильтра грубой очистки заменяют двойной трубкой. Топливо из бака в фильтр поступает по внутренней трубке. Топливопровод для перепускания лишнего топлива к подкачивающему насосу снят, и оно через наружную трубку поступает непосредственно в бак [1]. Проще в конструктивном исполнении вариант, при котором подводящий и сливной топливопроводы размещают рядом и обматывают текстильной лентой или другой теплоизоляцией.

Рис. 3.3. Приспособление для подогревания топлива:

1 -- форсунка; 2 -- топливопровод высокого давления; 3 -- топливный насос высокого давления, 4 --топливопровод слива топлива от форсунки в бак; 5 -- бак; 6 -- заборный штуцер; 7 -- перепускной топливопровод; 8 и 10 -- фильтры грубой и тонкой очистки; 9 -- подкачивающий насос

Заслуживает внимания схема топливоподачи, представленная на рис. 3.4. Особенностью ее является организация непрерывного подогревания топлива в системе низкого давления.

Для этого топливо поступает по перепускному топливопроводу 5 к заборному штуцеру топливного бака и далее в цилиндр 4, установленный в нижней части бака. Топливо забирается через трубопровод 3, установленный внутри цилиндра 4 ниже уровня топлива. В верхней части цилиндра расположен конус 2, который способствует выделению из перепущенного топлива газовоздушых пузырьков и через центральное отверстие которого топливо поступает и трубопровод 3.

За счет смешивания подогретого и холодного топлива оно на участке от бака до фильтра грубой очистки 8 не теряет своей текучести. Топливо, двигаясь к подкачивающему насосу 9 и фильтрам тонкой очистки.

Рис. 3.4. Схема топливоподачи с автоматическим электроподогревом:

1 -- топливный бак; 2 -- конус; З -- трубопроводы; 4 -- цилиндр смесителя; 5 и 14 -- перепускные трубопровод и клапан; 7 -- электроподогреватель; 8 и 13 -- фильтры грубой и тонкой очистки; 9--подкачивающий насос; 10 -- датчик температуры; 11 -- топливный насос высокого давления; 12 -- форсунка

За счет смешивания подогретого и холодного топлива оно на участке от бака до фильтра грубой очистки 8 не теряет своей текучести. Топливо, двигаясь к подкачивающему насосу 9 и фильтрам тонкой очистки 13, нагревается за счет тепла двигателя и дросселирования в каналах системы. Если температура топлива ниже 30...40 °С, оно подогревается электронагревателем 7, который питается от бортовой электрической сети трактора. Электронагреватель, установленный в одном корпусе с фильтром грубой очистки. Температура топлива в фильтре грубой очистки контролируется датчиком 10. При такой схеме перепускания топлива подогревается только небольшая часть его около места забора. Этим предотвращается избыточное растворение воды в топливе и выпадение ее в осадок. Клапанный узел 14 оборудован жиклером, через который непрерывно проходят образовавшиеся паровоздушные пузырьки и небольшая часть топлива.

К недостаткам этого способа можно отнести то, что разрушение кристаллов парафинов будет происходить лишь при запущенном и хорошо прогретом двигателе, однако это не исключает возможности забивания пробками парафинов в двойном штуцере.

Все вышеотмеченные теплообменники создаются с целью обеспечения экономии энергоносителей, более полного использования тепловой энергии двигателя, утилизации продуктов сгорания. Однако, как и предпусковые подогреватели, они способны лишь частично разрушать кристаллы н-парафинов путем повышения общего теплового состояния двигателя. Поэтому наиболее перспективными для разрушения кристаллов н-парафинов в дизельном топливе перед пуском двигателя являются устройства с применением электронагревательных элементов, которые имеют меньшие массообъемные характеристики, чем теплообменники.

При использовании различных электронагревательных устройств к.п.д. повышается в несколько раз. Кроме того, использование таких устройств позволяет производить разогрев дизельного топлива перед пуском дизеля. Однако и эти системы не лишены недостатка, главный из которых - зависимость работоспособности подогревателя от надежности системы электроснабжения.

В настоящее время электронагревательные элементы устанавливаются в топливных фильтрах [Пат. 4512324 США; Пат. 2009358 РФ (рис.3.5); Пат. 2009359 РФ (рис.3.6) и др.], в специальный корпус перед фильтром [Пат. 4571431, США; Пат. Франции 03/025381 Al], на выходе из топливного бака [Пат. США 2635174; Пат. РФ 2007609 С1 и др.], в трубопроводах [Заявка 59-221451, Япония, М.кл. F-02 M 31/12, опубл. 1986, подогреватель Thermoline фирмы Raychem (рис. 3.7) и др ], штуцерах [Заявка 3537566, ФРГ, М.кл. F-02 M 31/12, опубл. 1986]. Для их изготовления используют свечи накаливания [Заявка 3537566, ФРГ, М.кл. F-02 M 31/12, опубл. 1986], разнообразные спирали, пластины, полупроводниковые материалы, органические и синтетически волокна, обладающие значительным электрическим сопротивлением [69, 70, 71, 72 и др.].

На рис. 3.5 представлена схема фильтра тонкой очистки с электронагревательным устройством, выполненным из углеродных тканей [69].

Подогреватель работает следующим образом. Перед пуском двигателя выключателем массы замыкается цепь, и электрический ток проходит через зажим 10, углеродную ткань 20, зажим 11, позистор 25.

Рис. 3.5. Фильтр тонкой очистки с электронагревательным элементом:

1 - корпус ФТО; 3 - ось; 4 - сливная пробка; 5 - крышка корпуса; 6 - пробка для стравливания воздуха; 7 - прокладка; 8 и 9 - основания фильтрующего элемента; 10, 11, 12 и 24 - зажимы; 13 и 14 - отверстия; 15 и 16 - гайки; 17, 18 и 23 - диэлектрические втулки; 19, 21 и 22 - пружины; 20 - углеродная ткань; 25 - позистор

Подогреватель работает следующим образом. Перед пуском двигателя выключателем массы замыкается цепь, и электрический ток проходит через зажим 10, углеродную ткань 20, зажим 11, позистор 25. В результате этого нагревается углеродная ткань, что приводит к разрушению кристаллов парафинов, находящихся на ее поверхности, за счет чего обеспечивается улучшение условий фильтруемости дизельного топлива. Позистор 25 предотвращает перегрев и разрушение углеродной ткани. Однако применение такого подогревателя не позволяет обеспечить нагрев дизельного топлива на линии всасывания, которая является наиболее критическим участком системы питания в условиях низких температур [11], кроме того, при эксплуатации трактора ФТО нагревается за счет тепла двигателя и данная конструкция большую часть своего времени работать не будет.

Примерно такую же конструкцию имеет трехфункциональный агрегат фирма Fram Corp. Fгеgаt, который выполняет следующие функции (рис. 3.6) [68]:

1)отделяет свободную и эмульгированную воду: первая ступень отделения происходит на фильтре 2, который коалесцирует воду в капли, скатывающиеся в водосборник; вторая ступень - на нейлоновой сетке 6 с кремнийорганическим покрытием, она задерживает мельчайшие капельки воды, прошедшие через первую, ступень;

2) задерживает содержащиеся в топливе твердые частицы размером до 1,5 мкм, фильтрующий элемент -- бумажный гармошковый;

3) подогревает топливо для облегчения холодного запуска

Рис. 3.6. Трехфункциональный агрегат фирмы Fram:

1 -- вход; 2 -- коалесцентный фильтр; 3 -- датчик уровня воды; 4 -- гибкая сливная трубка; 5 -- сливной вентиль; 6 -- сетка; 7 -- подогреватель; 8 -- выход; 9 -- ручная помпа

Встроенный полупроводниковый (титанат бария) подогреватель 7 обеспечивает нормальную работу двигателя при температуре воздуха до минус 30 °С. В конструкцию агрегата входит также ручная помпа 9, предназначенная для вытеснения топливом воды из водосборника, во избежание попадания воздуха в систему. Дополнительно может комплектоваться сигнализатором слива воды и индикатором к приборному щитку.

На рис. 3.7 представлена схема фильтра грубой очистки топлива с нагревательным элементом [70].

Рис. 3.7. Подогреватель дизельного топлива выполненный в ФГО:

1 - корпус; 2, 3 - каналы; 4 - стакан; 5 - успокоитель; 6 - пробка; 7 - воронка фильтрующего элемента; 8 - сетка; 9 - кольцо; 10 - углеродная ткань; 11 - источник тока; 12 - позистор.

Принцип работы такого устройства аналогичен предыдущему. К существенным недостаткам данной конструкции можно отнести невозможность подогрева топлива на начальном участке (“топливный бак -- вход в ФГО”), т.е. на участке, который менее всего зависит от температурного состояния двигателя, повышенный расход тепла в окружающую среду (большая поверхность теплоотдачи).

На рис. 3.8 представлен подогреватель дизельного топлива, устанавливаемый во всасывающем трубопроводе между топливным баком и ФГО [71].

Рис. 3.8. Подогреватель дизельного топлива:

1--входной штуцер, 2--выходной штуцер, 3--диалектический корпус, 4--электропроводящая втулка, 5--упорная втулка, 6--натяжная шайба, 7--токопроводящая шайба, 8--пружина, 9--нити нагревательного элемента, 10,11,12--металлические кольца, 13,15--токопровод, 14--позистор.

Поток дизельного топлива проходит через сквозные проточки электропроводящей втулки, омывая углеродные нити нагревательного элемента. При отрицательных температурах выпадающие кристаллы парафинов забивают узкие места топливопроводов, тем самым затрудняя прокачиваемость топлива. При подключении токопроводов к источнику электрической энергии происходит интенсивный разогрев углеродных нитей, выполненных в виде однополостного гиперболоида, что позволяет равномерно осуществить нагрев топлива и разрушить кристаллы парафинов, находящиеся в корпусе. Подогретое топливо, проходя через аналогичные проточки в упорной втулке и токопроводящей шайбе, поступает в корпус отводящего штуцера и по трубопроводу в фильтр грубой очистки. При увеличении температуры топлива на выходе из подогревателя сопротивление позистора увеличивается, тем самым уменьшая степень нагрева элемента.

Аналогично назначение имеет изображенный на рис. 3.9. [68] подогреватель фирмы Raychem, Start-Pilote. Он включает в себя гибкий пластиковый полупроводниковый нагревательный элемент, характер температурной зависимости сопротивления которого позволяет поддерживать постоянной температуру топлива на выходе.

Рис. 3.9. Подогреватель Thermoline фирмы Raychem:

1 - проводник; 2 - полупроводниковый нагреватель; 3 - полимерное покрытие; 4 - гибкий трубопровод.

Известен электрический нагреватель дизельного топлива рис.3.10 устанавливаемый в топливном баке и питающийся от электрической сети бортового источника питания автомобиля [73]. Электрический топливонагреватель содержит цилиндрический корпус 1, в котором помещен и закреплен в его нижней части нагревательный элемент 2, выполненный в виде металлической пластины с толстопленочным покрытием (состав которого и технология нанесения на пластину является ноу-хау заявителей), на противоположном конце пластины установлен сетчатый фильтр грубой очистки 3. В нижней части корпуса 1 выполнены впускные окна 4, равномерно расположенные по окружности, через которые топливо из бака поступает в полость топливного фильтра 3, контактирует с нагревательным элементом 2 и получает тепло непосредственно от него. Для удобства монтажа нагревательного элемента нижняя часть корпуса, на которой он закреплен, выполнена съемной. В верхней части корпуса 1 выполнен фланец 5, при помощи которого топливонагреватель устанавливается в топливный бак, а за ним - выпускной патрубок 6 с топливопроводом и разветвитель 7 для вывода электропровода.

Топливонагреватель помещен в бак 8, заполненный топливом, и закреплен на верхней стенке бака при помощи фланца 5. К выпускному патрубку 6 подсоединен топливопровод 9, а через разветвитель 7 пропущен электропровод 10, прикрепленный к пластине нагревательного элемента 2, питание которого осуществляется от аккумуляторной батареи автомобиля.

Рис 3.10. Топливонагреватель и его схема подключения:

1 - корпус; 2 - нагревательный элемент; 3 - сетчатый фильтр; 4 - впускные окна; 5 - фланец; 6 - выпускной патрубок; 7- разветвитель; 8 - бак; 9 - топливопровод; 10 - электропровод; 11 - ключ; 12 - резистор; 13 - световой индикатор; 14 - термодатчик; 15 - индикатор температуры

Известны конструкции электрических подогревателей (ТЭНов) питающихся от внешней электросети напряжением 220В. Эти подогреватели устанавливаются в топливных баках и работают в периодическом режиме во время межсменного хранения автотракторной техники при низких температурах. Один из таких подогревателей показан на рис. 3.11 [1]. Корпус 18 выполнен в виде пустотелой пробки и закрыт крышкой 19 с уплотнительным резиновым кольцом 20. В корпусе 18 смонтировано биметаллическое регулируемое устройство (термореле) на пластмассовом блоке 23 с фиксирующим винтом 22. В блоке выполнены две выточки и пять отверстий: два круглых отверстия -- для проводников 26, два прямоугольных -- для пластинчатых пружинных контактов 25 и 17 и одно с резьбой -- для винта 24. Термореле включают и выключают с помощью биметаллической пластины 15 с фарфоровым нажимным штырем 16.

Рис.3.11. Электрический подогреватель с биметаллическим термореле:

1 - корпус индикатора; 2 и 14 - индикаторный и нагревательный элементы; 3 и 5--корпус и крышка штепсельной вилки; 4 -- контрольная лампочка; 6 - хомут; 7 и 16 - штыри; 8 - винт-штырь; 9 - сопротивление; 10 - заземляющий провод; 11 - гайка; 12, 13, 22, 24, и 30 - винты; 15, 17, и 25 - детали термореле; 18 - корпус подогревателя; 19 - крышка; 20 - уплотнительное кольцо; 21 - гибкий провод (электрокабель); 23 - блок; 26 -- проводник; 27 - трубка; 28 -- нихромовая спираль; 29 -- наполнитель

При достижении необходимой температуры топлива биметаллическая пластина изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом расширения и размыкает пружинные контакты 25 и 17. В этот момент электрическая цепь разрывается. Когда подогретое топливо остывает, биметаллическая пластина возвращается в первоначальное положение, пружинные контакты реле замыкаются, и цикл подогревания и охлаждения повторяется.

Винты 30 скрепляют проводники 26 цепи с пружинными контактами реле 25 и 17. Квадратные прокладки под винтами ограничивают движение пружинных контактов в блоке 23. В дно корпуса впаян нагревательный элемент 14 (ТЭН). Он состоит из нихромовой спирали 28 и электроизоляционного наполнителя 29, заключенных в трубку 27.

Подогреватель соединяется электрокабелем 21 с вилкой, включаемой в переносную розетку. Это наиболее безопасно, так как розетка не имеет оголенных контактов.

Параллельно с цепью подключения нагревательного элемента соединена контрольная лампочка. Она загорается, когда устройство начинает работать, и гаснет, когда топливо нагревается до заданной температуры.

Индикатор, подключенный к массе трактора, показывает, что потребляемый устройством ток не проходит через трактор. Это дает возможность во время подогрева в полной безопасности заниматься ежесменным обслуживанием машины. Подогреватель снабжен заземляющим проводом.

Существенные недостатки такого типа подогревателей: необходимость больших дополнительных капитальных вложений на организацию сети электроснабжения, большое энергопотребление, повышенная пожароопасность.

Авторами запатентована система облечения работы дизеля при низких температурах [74] содержащая устройство для автоматического ввода депрессорной присадки. Использование предлагаемой системы позволяет автоматически вводить депрессорную присадку в фильтр тонкой очистки при забивании его парафинами на всех режимах работы дизеля, и тем самым - предотвращает разрыв топливных фильтров и работу двигателя на неочищенном топливе.

Система работает следующим образом.

При температуре дизельного топлива, когда процессы кристаллизации не протекают и фильтр не забит парафинами, топливо свободно проходит из топливного бака через фильтр грубой очистки, топливоподкачивающий насос и фильтр тонкой очистки и далее поступает к топливному насосу высокого давления и форсункам. При этом пружина 23 удерживает золотник 18 в крайнем правом положении. Сверление 14 крышки 12 перекрыто золотником 18, а сверление 15 через проточку 22 золотника 18 и сверление 16 крышки 12 сообщает надпоршневую полость с всасывающим коллектором. Двухступенчатый поршень 2 под действием пружины 3 находится в крайнем верхнем положении. Депрессорная присадка через открытый обратный клапан 9,

Рис.3.12. Устройство для автоматического ввода депрессорной присадки:

1 - корпус; 2 - двухступенчатый поршень; 3 - пружина; 4 - штуцер; 5 - контргайка; 6 и 7 - осевое и радиальное сверления; 8 и 9 - обратные клапаны; 10 - винтом для удаления воздуха; 11 - сверление, сообщающее межпоршневую полость с всасывающим коллектором; 12 - крышка; 13 - осевое сверление; 14, 15 и 16 -- радиальные сверления; 17 -- винт для удаления воздуха; 18 - золотник; 19 и 20 - осевое и радиальное сверления; 21 и 22 - проточки; 23 - пружина; 24 - штуцер; 25 - контргайка; 26 - осевое сверление, сообщаемое с выходом из фильтра тонкой очистки.

При температуре дизельного топлива ниже температуры помутнения протекают процессы кристаллизации высокоплавких углеводородов. Парафины, выпадающие в виде кристаллов, забивают фильтрующий элемент, увеличивая его гидравлическое сопротивление. При этом возникает перепад давлений на фильтре, независящий от режима работы двигателя. За счет разности давлений на входе и выходе из фильтра золотник 18, установленный в крышке 12, начинает перемещаться влево, сжимая пружину 23. В результате чего перекрывается сверление 15 крышки 12, а сверление 14 через проточку 21, сверление 20 и 19 золотника 18, сверление 13 крышки 12 сообщается с входом в фильтр. Топливо начинает поступать в надпоршневую полость. Поршень 2 перемещается вниз сжимая пружину 3. За счет разности площадей двухступенчатого поршня 2 давление в подпоршневой полости, где находится депрессорная присадка, намного выше, чем давление в надпоршневой полости и в фильтре. Под действием этого давления обратный клапан 9 закрыт и открывается обратный клапан 8. Депрессорная присадка по каналу 6 штуцера 4 через обратный клапан 8 и трубопровод подается в фильтр. После впрыска присадки, когда поршень 2 упирается в своем крайнем нижнем положении в штуцер 4, обратный клапан 8 закрывается. Объем вводимой присадки регулируется штуцером 4 и контргайкой 5. Под действием депрессора кристаллы разрушаются, улучшаются условия фильтруемости и прокачиваемости дизельного топлива, тем самым снижается перепад давлений на фильтре. Золотник 18 под действием пружины 23 перемещается в первоначальное положение, перекрывается сверление 14, а сверление 15 через проточку 22 золотника 18 и сверление 16 крышки 12 соединяет надпоршневую полость с всасывающим коллектором. Поршень 2 под действием пружины 3 перемещается вверх, вытесняя топливо из надпоршневой полости. При этом открывается обратный клапан 9 и по сверлениям 7 и 6 штуцера 4 в подпоршневую полость поступает новая порция депрессорной присадки. Перепад давлений, при котором срабатывает устройство, зависит от положения штуцера 24 с контргайкой 25.

Установка нагревательных элементов в корпусе ФТО и ФГО (см. рис. 3.5, 3.6, 3.7) неизбежно приводит к изменению конструкции этих узлов и их эксплуатационных параметров. Этот недостаток присущ всем рассмотренным выше способам подогрева топлива с нагревательными элементами, встроенными в какой-либо агрегат системы питания двигателя. Он является сдерживающим фактором внедрения оригинальных исследовательских разработок в производство, поскольку КБ заводов двигателе - и тракторостроения весьма скептически относятся к конструктивным всевозможным изменениям хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации узлов и агрегатов. Поэтому для подогрева топлива должны быть использованы индивидуальные подогреватели, которые не вносят конструктивных изменений в агрегаты системы питания принятой схемы топливоподачи.

3.3 Современные способы облегчения пуска двигателей в зимнее время

С понижением температуры воздуха степень использования и производительность техники понижаются. Особенно сложна проблема пуска двигателей зимой при безгаражном хранении машин. Пуск двигателей в зимний период требует значительных затрат труда и времени, а в случае отказа системы пуска является причиной простоя автомобиля или трактора.

Автомобили и тракторы выпускаются в универсальном исполнении, и основная масса их (около 90%) эксплуатируется в зонах с затрудненными условиями пуска зимой, когда необходимо использовать эффективные средства для облегчения пуска и подготовки холодных двигателей к работе.

Эффективность использования автотракторной техники стандартного исполнения зависит от степени ее приспособленности к суровым климатическим и дорожным условиям. Нарушение необходимых условий эксплуатации и отсутствие средств для соответствующей подготовки автотракторной техники к местным условиям вызывают задержки выезда машин на работу, снижение производительности, повышение затрат квалифицированного труда водителей, что наносит значительный ущерб народному хозяйству. По данным автотранспортных предприятий, выезд автомобилей по наряду на работу в зимние месяцы по сравнению с летними снижается на 10--40% при существенном увеличении эксплуатационных расходов. Расчетные данные показывают, что из-за потерь времени на пуск двигателей тракторов ежегодно недовыполняется объем механизированных работ на 18% (около 130 га условной пахоты на 1 физический трактор), а с учетом пусковых износов при низкой температуре убытки хозяйств, связанные с подготовкой техники к работе, составляют 476 тыс.руб. на 1 физический трактор.

Особенно трудно обеспечить пуск и оптимальные условия работы двигателей тракторов. Конструкции многих тракторов рассчитаны на работу в летнее время, тогда как используются они в течение всего года. Устранить влияние низких температур на работу двигателей можно модернизацией существующих машин, оборудованием техники северного исполнения технически совершенными и эффективными пусковыми системами и вспомогательными средствами облегчения пуска двигателей.

Предложено и разработано множество методов и приспособлений, облегчающих пуск холодных двигателей. Большинство из них основано на разогреве двигателей. Разогрев двигателей с целью сокращения времени пуска и прогрева до рабочей температуры целесообразно применять даже при небольшом понижении температуры окружающего воздуха.

Выбор способа и устройства, облегчающих пуск, определяется конструктивными особенностями двигателя, экономическими факторами и условиями эксплуатации.

Вспомогательные средства для облегчения пуска разделяются на действующие в предпусковой период и непосредственно в процессе пуска.

К устройствам, действующим непосредственно при пуске, относятся устройства, изменяющие характеристики отдельных систем двигателя на период пуска, и устройства, облегчающие условия воспламенения топлива (средства облегчения воспламенения).

Предпусковые средства облегчения пуска бывают групповыми и индивидуальными, групповые в свою очередь -- стационарными или передвижными. Применяемые на практике средства предпускового разогрева двигателей отличаются по способу создания и подвода тепла, типу и принципу циркуляции теплоносителя, виду потребляемой энергии, по методам нагрева (прямой и косвенный).

В процессе предпускового разогрева тепло подводят к системе охлаждения двигателя, внутрикартерному пространству, картерному маслу, системе питания, аккумуляторной батарее или одновременно к нескольким системам. При косвенном нагреве в качестве теплоносителя используют жидкость, пар, воздух или их комбинации. Прямой разогрев двигателя и его систем перед пуском предпочтительнее и может осуществляться за счет электрической энергии, теплоты сгорания топлива (газообразного, жидкого или твердого) или механического сжатия жидкости.

Весьма эффективным средством облегчения пуска дизелей является применение легковоспламеняющихся пусковых жидкостей, состоящих, как правило, из смеси легкокипящих углеводородов. Основным компонентом большинства пусковых жидкостей является этиловый эфир. Температура самовоспламенения этилового эфира при атмосферном давлении ниже, чем у дизельного топлива. Воспламенение этилового эфира в камере сгорания происходит при температуре около 463--493 К, что позволяет значительно снизить предельную температуру пуска двигателей. Однако при подаче в цилиндры чистого эфира резко возрастает скорость нарастания давления и, следовательно, жесткость работы двигателя. В состав пусковых жидкостей вводятся масло для обеспечения смазки деталей цилиндро-поршневой группы и такие компоненты, как амины, нитраты, низкокипящие парафиновые углеводороды -- для уменьшения жесткости работы двигателя. Содержание эфира в пусковых жидкостях не превышает 60--70%.

Подача пусковой жидкости в цилиндры двигателя может осуществляться через систему питания вместе с основным топливом, однако такой способ неэкономичен из-за большого расхода пусковой жидкости.

Наиболее эффективен способ распыливания пусковой жидкости во впускном трубопроводе с помощью специальных устройств. В этом случае смесь пусковой жидкости с воздухом поступает в цилиндры двигателя, сжимается, температура ее повышается за счет сжатия и вследствие образования продуктов предварительного окисления, которые сразу отдают свою энергию в окружающую среду.

Подача жидкости с низкой температурой воспламенения. Широкое распространение у нас и за рубежом нашел способ облегчения пуска двигателей с помощью впрыска жидкости с низкой температурой воспламенения. Для впрыска жидкостей в цилиндры двигателей разработано много устройств различного конструктивного исполнения.

В настоящее время серийно выпускается пусковое приспособление, разработанное в НАМИ и получившее название НАМИ 5ПП-40 (рис. 3.13). Оно состоит из трех основных частей: ручного воздушного насоса 4 двойного действия, устанавливаемого в кабине водителя для приведения его в действие при одновременном включении электростартера или другой пусковой системы; смесителя 5, который монтируется вертикально в месте, доступном для установки ампулы 10 с пусковой жидкостью; распылителей 8, устанавливаемых во впускном трубопроводе 7 двигателя.

Рис. 3.13. Пусковое приспособление НАМИ 5ПП-40:

1 -- жиклер; 2 -- воздушные каналы; 3 -- воздухопровод; 4 -- воздушный насос; 5 -- смеситель; 6 -- тройник; 7 -- впускной коллектор; 8 -- распылители; 9 -- трубопровод; 10 -- ампула с пусковой жидкостью; 11 -- каналы для жидкости

Перед пуском двигателя с помощью этого пускового приспособления в его смеситель вставляется ампула с пусковой жидкостью. Она прокалывается иглой, проходящей сквозь крышку, чтобы жидкость из ампулы вылилась в корпус смесителя. Затем делается несколько прокачек ручным воздушным насосом, в результате воздух под давлением поступает в смеситель 5 и вытесняет жидкость. Смесь воздуха с жидкостью поступает к жиклерам 1, образуя жидкостно-воздушную эмульсию, которая впрыскивается во впускной трубопровод двигателя перед включением стартера и во время пуска.