Улучшение пусковых качеств автотракторных дизелей в зимний период эксплуатации

Смеситель пускового приспособления НАМИ 5ПП-40 вмещает до 70 см³ жидкости. Число воздушных отверстий в эмульсионных жиклерах смесителя бывает разное. Для четырехтактных двигателей с рабочим объемом до 5 л и для двухтактных до 2,5 л делают четыре отверстия, а для четырехтактных двигателей с рабочим объемом от 6 до 14 л и для двухтактных от 2,5 до 7 л -- шесть.

На двигатель рекомендуется устанавливать два или четыре распылителя. Средняя производительность воздушного насоса при работе без сопротивления на выходе 7--10 л/мин.

Для облегчения пуска предкамерных и вихрекамерных дизелей, имеющих невысокую степень сжатия и температуру, недостаточную для воспламенения топлива в конце сжатия, применяют электрические свечи накаливания.

Свечи накаливания (рис. 3.14) бывают открытого (открытая спираль накаливания) и закрытого (штифтовые) типа. Свечи устанавливают в камеру сгорания таким образом, чтобы нагревательный элемент обеспечивал воспламенение распыленного топлива. Для этого необходимо, чтобы теоретический конус распыла топлива касался нагревательного элемента, выступающего в камеру сгорания.

Предпринимаемые ранее попытки использовать свечи накаливания для облегчения пуска дизелей с непосредственным впрыском приводили к ухудшению их экономических показателей вследствие снижения вращения воздушного заряда и ухудшения смесеобразования. Однако проведенные в последнее время на Владимирском тракторном заводе при участии НАТИ исследования и опыт фирмы МВМ (ФРГ) по применению на дизелях серии Д208, Д308 доказывают принципиальную возможность установки штифтовых свечей в неразделенных камерах сгорания без существенного ухудшения экономических показателей дизелей. При этом большое значение имеют выбор места их установки и величина выступающей части нагревательного элемента.

Применение штифтовых свечей накаливания позволяет осуществить пуск двигателя Д-37Е при температуре наружного воздуха 243 К, на частоте вращения 70--80 об/мин при использовании масла М8В, разжиженного добавкой 10% бензина.



Рис. 3.14. Свечи накаливания:

1, 2 и 3 -- закрытого типа; 4 -- открытого типа

Предварительный нагрев свечей накаливания производится за 15--60 с до пуска дизеля, при этом сила тока достигает значений 30--50 А при напряжении 8 или 12 В соответственно для четырех- или шестицилиндрового дизеля.

Для облегчения пуска дизелей путем повышения температуры впускного воздуха применяют свечи подогрева. Выпускаемая серийно однопроводная свеча подогрева воздуха СН-150 (рис. 3.15) устанавливается во впускном коллекторе двигателей Д-21 и Д-37М. Нагревательный элемент свечи (спираль) изготавливается из проволоки диаметром 2 мм высокого омического сопротивления. Крепится свеча накидной гайкой в специальном гнезде впускного коллектора. Герметичность при посадке обеспечивается уплотнительной шайбой. Номинальное напряжение свечи 8,5 В, номинальный ток 45--47 А, температура нагрева спирали за 30--40 с достигает 1173--1223 К.

Рис. 3.15. Свеча подогрева СН-150 впускного воздуха:

1 -- гайка контактная; 2 -- шайба изоляционная; 3 -- корпус; 4 -- стержень; 5 -- шайба уплотнительная; 6 -- слюда; 7 -- спираль

Свечу подогрева СН-150 следует включать на 40--60 с, так как практически ток в цепи не превышает 42--45 А; при меньшем времени нагрев недостаточен. Схема подключения свечи СН-150 аналогична двухпроводным свечам накаливания. В схеме используются контрольный элемент ПД51 и дополнительное сопротивление СЭ52. В модернизированной схеме трактора Т-28Х4 контрольный элемент заменен лампочкой. Свеча СН-150 подогревает воздух на впуске в среднем до 298--308 К.

Место установки свечи СН-150 во впускном коллекторе выбирается экспериментально. Для получения наибольшего нагрева воздуха желательно максимально приблизить свечу к впускным окнам цилиндров. Для двигателей с рабочим объемом более 4 л следует применять две свечи, а при наличии двух впускных коллекторов устанавливать свечи в каждом из них.

Для повышения эффективности подогрева воздуха во впускном патрубке применяют свечи подогрева фланцевого типа. У свечей фланцевого типа при той же мощности увеличена площадь поверхности теплоотдачи за счет увеличения длины спирали. Кроме этого, фланцевые свечи могут устанавливаться ближе к впускным окнам, что уменьшает потери тепла. Недостатком фланцевых свечей является отсутствие возможности унификации их конструкций для различных типов дизелей.

Использование свечей подогрева снижает предельную температуру холодного пуска дизеля в среднем на 5 К. Вместе с тем, эффективность применения уменьшается с понижением температуры, что требует существенного повышения их мощности. Целесообразно применять свечи подогрева для облегчения пуска дизелей с неразделенной камерой сгорания до температур порядка 263 К в сочетании с топливными насосами, имеющими увеличенную цикловую подачу топлива при пуске.

Электрофакельные подогреватели. Схема работы (рис. 3.16) подобных устройств достаточно проста. Топливо из основного бака подается в специальную камеру сгорания через форсунку, где попадая на разогретую спираль накаливания воспламеняется и нагревает охлаждающую жидкость двигателя, которая для улучшения процесса прогрева прокачивается дополнительным насосом.

Если же рассматривать данные устройства более подробно, то нельзя не отметить, что современные факельные подогреватели шагнули далеко вперед. Если раньше водитель включал спираль накаливания, убеждался, что накал есть, затем открывал подачу топлива на форсунку, контролировал процесс образования факела в камере сгорания и только потом заливал заранее приготовленную воду для прогрева двигателя, то теперь все иначе. Все современные устройства этого типа имеют собственную автоматику, обеспечивающую самостоятельную устойчивую работу. Кроме того, практически все устройства этого класса снабжены программируемыми таймерами включения, а некоторые и устройствами дистанционного управления. Использование электрофакельных подогревателей впускного воздуха одновременно с заливкой в двигатель маловязких масел снижает в среднем температуру пуска холодного двигателя на 10--15 К. Наиболее совершенной отечественной конструкцией является подогреватель, разработанный Владимирским тракторным заводом совместно с НАТИ [9]. Из зарубежных подогревателей представляют интерес конструкции фирмы «Бош» (ФРГ) и «Лукас» (Англия). Подогреватель ВТЗ-НАТИ планируется устанавливать на дизелях Д-37Е, Д-160 и Д-240, а подогреватель конструкции фирмы «Бош» -- на дизелях ЯМЗ-240, ЯМЗ-740 и ЯМЗ-741. Подогреватель фирмы «Лукас» устанавливается на дизелях фирмы «Перкинс», эксплуатируемых в нашей стране.

Рис.3.16. Блок-схема электрофакельного подогревателя.

Одним из достоинств электрофакельных подогревателей является возможность их работы на дизельном топливе или бензине, т. е. на том же топливе, что и двигатель, на который они устанавливаются. Это позволяет использовать их на двигателях различной конструкции, в том числе для облегчения пуска многотопливных двигателей. Подогреватели можно использовать и после пуска двигателя в режиме работы его на холостом ходу. Прогрев двигателя ускоряется, уменьшается дымность и снижается токсичность отработавших газов.

На продолжительность пуска влияет расположение электрофакела во впускном коллекторе по отношению к впускным окнам, а также величина выступания его нагревательного элемента. Лучшие результаты были получены, когда колпачок подогревателя или штифт теплового элемента с защитной сеткой выступал в коллектор примерно на 2/3 своей длины, а пламя охватывало примерно 1/3 площади впускного коллектора.

При проектировании новых двигателей, на которых планируется установка электрофакельных подогревателей, необходимо предусматривать в коллекторах специальные пазухи, снижающие скорость всасываемого воздуха и обеспечивающие устойчивое горение факела при самостоятельной работе двигателя.

Рис. 3.17. Электрофакельный подогреватель ВТЗ-НАТИ:

1 -- защитный колпачок; 2 -- топливный жиклер; 3 -- корпус подогревателя; 4 -- катушка электромагнита; 5-- топливный клапан; 6 -- пружина; 7 -- фильтр тонкой очистки; 8 -- гайка топливного штуцера; 9 -- изолирующая втулка; 10 --спираль накаливания

При наличии в двигателе двух впускных коллекторов подогреватели следует располагать в каждом из них.

Электрофакельный подогреватель конструкции ВТЗ-НАТИ (рис.3.17) состоит из спирали накаливания 10, катушки электромагнита 4, завальцованного в корпус, колпачка 1 с отверстиями, сетчатого фильтра 7 тонкой очистки, топливного клапана 5, являющегося сердечником электромагнита 4, и топливного жиклера 2. Клапан удерживается пружиной в закрытом положении. Две клеммы катушки (К и С) предназначены для подключения обмотки катушки электромагнита и спирали накаливания к источнику питания. Закрепляют подогреватель на коллекторе вертикально с помощью фланца и уплотняющей паро-нитовой прокладки.

Топливо к клапану электрофакелыюго подогревателя поступает от фильтра тонкой очитки системы питания дизеля через поворотный угольник, запирающее устройство с дозирующим отверстием 0,3 мм и перепускной клапан, обеспечивающий давление топлива перед штуцером. Топливо в штуцере дополнительно фильтруется сеткой и дозируется. Избыточное топливо от перепускного клапана подается к сливным трубкам форсунок.

Важной деталью подогревателя является электронагревательный элемент, в качестве которого используется спираль открытого типа из нихромовой проволоки диаметром 1,3 мм, имеющая внешнюю и внутреннюю навивку. Внешняя спираль предохраняет внутреннюю от переохлаждения впускным воздухом, скорость которого возрастает с выходом двигателя на самостоятельный режим работы. Спираль включается параллельно обмотке электромагнита.

Через электрофакельный подогреватель проходит ток 18--20 А при напряжении 8,5 В, что обеспечивает нагрев спирали до температуры 1173 К за 15--20с и повышение температуры воздуха на впуске до 300--350 К. Для контроля за работой подогревателя последовательно ему включается контрольный элемент ПД50В, располагаемый на щитке приборов. Клеммы подогревателя соединяются с источником питания с помощью включателя (типа ВК-316) через добавочное сопротивление СЭ50В, которое замыкается накоротко во время пуска, что необходимо для соответствующего нагрева спирали.

Перед пуском включается спираль накаливания. После ее нагрева подается напряжение на катушку электромагнитного клапана, который открывает проход топлива. Топливо проходит через жиклер, попадает на раскаленную спираль, испаряется и перемешивается с воздухом. Топливовоздушная смесь воспламеняется, и образующееся пламя нагревает поступающий в цилиндры воздух. Колпачок, окружающий спираль, создает оптимальные условия для воспламенения, сгорания топливовоздушной смеси и предотвращает попадание в цилиндры двигателя частиц спирали в случае ее перегорания.

После пуска двигателя подогреватель отключается от источника питания, и топливный клапан 5 под действием пружины 6 перемещается в первоначальное положение, перекрывая входное отверстие для прохода к жиклеру 2. Горение прекращается, и исчезает пламя, нагревающее воздух.

Электрофакельный подогреватель конструкции фирмы «Бош» (рис. 3.18) имеет одну или две запальные штифтовые свечи, закрепляемые на впускном коллекторе с помощью резьбового соединения, добавочное сопротивление, включатель и электромагнитный клапан.

Рис. 3.18. Электрофакельный подогреватель фирмы «Бош»:

1-- запальная штифтовая свеча; 2 -- добавочное сопротивление; 3 -- выключатель; 4 -- электромагнитный клапан

Запальная штифтовая свеча (рис. 3.19, а) представляет собой устройство, в котором происходит дозирование поступающего топлива, его испарение, смешивание с воздухом, воспламенение и горение. Топливо, подаваемое к свече под низким давлением, дозируется жиклером, размещенным в корпусе 1 свечи со стороны подводящего штуцера 5 и подается во внутреннее пространство между кольцевой вставкой 6 и штифтом 2 нагревательного элемента. Между штифтом и кольцевой вставкой расположена трубчатая мелкая сетка 8, которая смачивается поступающим топливом и обеспечивает хорошее испарение. Это способствует равномерному распределению топлива вокруг штифта и препятствует быстрому вытеканию топлива наружу. Штифт 2 представляет собой однополюсную свечу накаливания, рассчитанную на напряжение 19 или 9,5 В. Спираль свечи помещена в тонкостенную металлическую трубку, изолятором которой служит керамический порошок.



Рис.3.19. Схемы отдельных элементов электрофакельного подогревателя фирмы «Бош»:

а -- запальная штифтовая свеча: 1 -- корпус; 2 -- нагревательный элемент (штифт); 3 -- топливный жиклер; 4 -- топливный фильтр; 6 -- топливным штуцер;6-- кольцевая вставка;7 --контргайка; 8 -- испарительная сетка; 3 -- защитный кожух; б -- добавочное сопротивление;1 -- биметаллическая пластина; 2 -- корпус; 3 -- контакты теплового реле; 4 -- спираль добавочного сопротивления

При включении подогревателя топливо, соприкасаясь с горячим штифтом, нагревается и испаряется. Испарившиеся частицы топлива смешиваются с поступающим воздухом и, соприкасаясь с наружной, нагретой до 1273--1373 К частью штифта, воспламеняются. Защитный кожух 9 с отверстиями и внутренняя сетка 5, окружающие наружную часть штифта, предохраняют штифт от переохлаждения при повышенных скоростях движения воздуха. Это обеспечивает непрерывное горение топлива после начала самостоятельной работы двигателя. В зависимости от напряжения одна свеча потребляет ток 11 или 22 А. Время предварительного накаливания свечи до рабочей температуры зависит от температуры окружающего воздуха и составляет 70--110 с. Запальную свечу устанавливают в вертикальном, горизонтальном и промежуточных положениях. При установке свечи в горизонтальном положении штуцер для подвода топлива желательно направлять слегка вверх.

Топливо из системы питания двигателя поступает к свече через запорное устройство, представляющее собой электромагнитный клапан. Давление в топливной системе перед клапаном не должно превышать 5,9 кПа. При большем давлении нарушается режим работы штифтовой свечи. В случае, если топливная система двигателя в режиме пуска не обеспечивает давление 3,4 -- 5,9 кПа, перед электромагнитным клапаном на выходе топливоподкачивающего насоса устанавливают дополнительный клапан избыточного давления. Электромагнитный клапан следует устанавливать ниже свечи во избежание появления воздушных пробок, связанных с нарушением работы подогревателя. В электронагревательное устройство входят добавочное сопротивление и тепловое реле, размещенные в одном металлическом корпусе (рис. 3.19, б). Располагают его в любом месте, удобном для крепления. Добавочное сопротивление служит для уменьшения напряжения на свече при предварительном накаливании ее штифта в режиме зажигания. В момент прокручивания двигателя электростартером оно замыкается накоротко, что поднимает напряжение на свече. Тепловое реле с контактами на биметаллической пластине служит для включения электромагнитного клапана и лампочки, сигнализирующей о готовности двигателя к пуску. Величина добавочного сопротивления подбирается в зависимости от номинального напряжения и количества запальных свечей.

Перед пуском двигателя на свечи подается напряжение от аккумуляторной батареи для предварительного накаливания штифта. При этом ручку выключателя устанавливают в позицию, при которой в цепь запальной свечи включается дополнительное сопротивление. Ток, проходящий через дополнительное сопротивление, нагревает биметаллическую пластину теплового реле. Пластина, изгибаясь, замыкает контакты, включающие сигнальную лампочку и электромагнитный клапан. В результате открывается доступ топлива к запальной свече.

После включения электростартера происходит падение напряжения в электрической цепи. Переводом ручки во вторую позицию дополнительное сопротивление выключается; при этом контрольная лампа, электромагнитный клапан и свечи получают необходимое питание.

После пуска двигателя для продолжения работы подогревателя в режиме ускоренного прогрева двигателя ручку выключателя снова переводят в первую позицию. Время выключения электромагнитного клапана и тем самым выключения подачи топлива определяется параметрами теплового реле. Такая схема включения без дополнительных элементов не исключает возможность перегорания нагревательного элемента свечи при работающем генераторе.

Электрофакельный подогреватель фирмы «Лукас»-- термостат САV-357 (рис. 3.20) имеет корпус 1 топливного клапана с дросселирующим отверстием, которое закрывается шариком 6, Закрытие отверстия происходит с помощью стержня 2, проходящего внутри электрической спирали накаливания 4 открытого типа. Один конец спирали соединен с массой через защитный колпачок 3, завальцованный в корпус 5, другой -- выведен наружу, изолирован от массы и присоединяется к аккумуляторной батарее. Крепить подогреватель рекомендуется горизонтально или под углом до 0,53 рад. Однако, как показали эксперименты, подогреватель можно устанавливать и вертикально.

Рис. 3.20. Термостат САV-357 фирмы «Лукас»:

1 -- корпус клапана; 2 -- стержень клапана; 3 -- защитный колпачок; 4 -- спираль накаливания; 5 -- корпус термостата; в -- запорный шарик

В схеме питания топливом у термостата САV-357 предусмотрен дополнительный бачок вместимостью 25 см³. Наличие дополнительного бачка гарантирует необходимую подачу топлива при малой частоте вращения коленчатого вала двигателя (что имеет место при холодном пуске) независимо от применяемой топливной системы. Однако бачок необходимо располагать на высоте не менее 100 мм над уровнем топливного клапана термостата, что может вызвать некоторые затруднения в компоновке его на автомобиле или тракторе.

Перед пуском двигателя термостат САV-357 включается на 15--20 с. Спираль накаливания нагревается, удлиняется и тянет за собой стержень, прижимающий шарик к седлу клапана. Шарик отходит, и топливо самотеком вытекает из дополнительного бачка по стержню внутри спирали. Нагретое топливо испаряется и смешивается с воздухом, поступающим из отверстий колпачка. Зажигание топливовоздушной смеси происходит в нижней части спирали, имеющей большой диаметр навивки и расположенной в закрытой части колпачка, что способствует постоянному поддерживанию высокой температуры.

Отсутствие отдельного электромагнитного клапана у термостата САV-357 с одной стороны несколько упрощает топливную схему, но с другой не гарантирует пуска с первой попытки при температуре ниже 253 К вследствие затухания пламени и не дает возможности поддерживать горение на режиме самостоятельной работы двигателя, что особенно важно для пуска многотопливного двигателя. Это явление вызвано конструктивной особенностью топливного клапана, который при низких температурах и увеличивающейся скорости потока впускного воздуха перекрывает подачу топлива из-за охлаждения спирали накаливания. Термостат 159Ж, снабженный отдельным электромагнитным клапаном, обеспечивает устойчивое горение топлива на всех режимах пуска.

Термостат выключают после выхода двигателя на самостоятельный режим работы. Как было отмечено выше, при работе термостата САV-357 могут наблюдаться явления преждевременного затухания пламени. В этом случае пуск двигателя повторяют.

Несмотря на ряд преимуществ индивидуальных предпусковых подогревателей, применение их связано со значительной потерей рабочего времени смены и дополнительным обслуживанием при невысокой надежности работы. Зимой время полной подготовки автомобилей и тракторов к работе составляет 30-- 60 мин и более. По данным Центральной нормативно-исследовательской станции МСХ РСФСР в зимних условиях подготовительно-заключительное время при разогреве трактора «Кировец», имеющего индивидуальный подогреватель, составляет до 80 мин.

В настоящее время широкое распространение получают групповые стационарные средства разогрева, которые производят разогрев двигателей перед пуском или поддерживают их в теплом состоянии в течение всего времени хранения с последующим доведением до рабочих температур после пуска.

В зависимости от вида теплоносителя групповые стационарные средства разогрева делают с подачей нагретого воздуха, горячей воды или пара, с газовыми горелками или электрическими нагревателями. Одним из самых распространенных способов, улучшающих условия смесеобразования и воспламенения, является проливка двигателей горячей водой. Заливку горячей воды в рубашку охлаждения двигателя осуществляют в большинстве случаев через радиатор. Такой способ имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что вода передает большую часть тепла радиатору, которое затем отбирается окружающей средой. Температура воды, поступающей из радиатора в блок двигателя, оказывается примерно вдвое меньше первоначальной. Для разогрева двигателей горячей водой с температурой 358--363 К требуется большой расход воды, составляющий при температуре наружного воздуха ниже 253 К не менее 2,5 вместимости системы охлаждения. Такой разогрев трудоемок, неэкономичен и не отвечает современным требованиям эксплуатации. В результате ежедневного слива воды на территории стоянки образуются наледи, очистка от которых требует дополнительных затрат труда.

Практикой установлено, что разогрев двигателей проливкой горячей воды целесообразен до температур порядка 248--243 К при наличии близкого источника воды. Поступающая в систему охлаждения горячая вода разогревает стенки цилиндров и камер сгорания; в меньшей степени при этом прогреваются подшипники и практически не нагревается масло в картере.

Разогрев двигателей горячей водой необходимо сочетать с заливкой в двигатель маловязких масел или с использованием способов понижения его вязкости.

Для сокращения расхода воды и улучшения воспламенения топлива применяют различные средства, не связанные с предварительным разогревом и действующие непосредственно в процессе пуска. В данном случае разогрев двигателя осуществляют до меньших значений температур, но после его пуска требуется дополнительное время на прогрев до рабочей температуры.

Для подогрева воды и масла используют различные водомаслогрейки, разогревающие воду до температуры 363--368 К с одновременным подогревом масла до температуры 343--353 К. В качестве топлива в них обычно используются дрова.

Агрегаты АТУ-1500В и АТУ-С конструкции ГОСНИТИ, оборудованные жидкостными подогревателями, производят нагрев 600 л воды до температуры 363 К за 30--35 мин. Для получения горячей воды пригодны и водоэлектроподогреватели ВЭТ-200 (мощностью 6 кВт) и ВЭТ-400 (мощностью 10,5 кВт), которые подогревают до температуры 353 К соответственно 200 и 400 л водопроводной воды за 4 ч.

Разогрев двигателей паром имеет много общего со способом проливки горячей водой. Однако интенсивность разогрева двигателя выше. Это объясняется тем, что пар содержит большее количество теплоты по сравнению с другими теплоносителями (1 кг пара -- 2100--2520 кДж).

При разогреве двигателей паром используют дешевые источники энергии и специальные устройства для подвода пара к узлам двигателя. Способ разогрева двигателя паром путем подвода его шлангом к заливной горловине радиатора трудоемок и малоэффективен. Разогрев поддона картера при этом способе осуществляется направленной струей пара из шланга. Такой подогрев двигателей связан с большим расходом энергии и нарушением техники безопасности.

Для устранения отмеченных недостатков пар следует подводить непосредственно к рубашке охлаждения (к каждому из блоков цилиндров в случае V-образного двигателя), предусмотрев специальное устройство, исключающее утечку пара в атмосферу. Разогрев масла в поддоне картера осуществляют с помощью фальшподдонов. В фальшподдон пар попадает из распределительного устройства, укрепляемого на автомобиле или тракторе. От источника пар поступает в магистраль паропровода (наружную или скрытую в земле) с давлением не более 196 кПа; к двигателю -- по шлангам с давлением не более 29,4--78,5 кПа, проходя через штуцер с дросселирующим отверстием. Разогрев двигателей при температуре наружного воздуха порядка 248 К обеспечивается при избыточном давлении пара в сети 29,4-- 39,2 кПа, при более низких температурах эта величина должна быть повышена до 49--68,6 кПа. Для осуществления равномерного разогрева блока цилиндров двигателя пар подводят к средним цилиндрам, и конденсат направляется вниз. При этом довольно быстро прогреваются подшипники коленчатого вала двигателя.

Применение электрической энергии для разогрева двигателей по сравнению с другими источниками тепла имеет ряд преимуществ, заключающихся в высокой надежности, широкой доступности, компактности нагревательных элементов и быстроте их приведения в действие.

Во многих случаях электронагрев является наиболее экономичным способом. Приведенные затраты на нагрев жидкости в расчете на 1 т условного топлива составляют: при использовании электроэнергии-- 173 тыс.руб., жидкого топлива -- 257 тыс.руб., каменного угля -- 212 тыс.руб., привозного газа -- 220 тыс.руб.

В настоящее время электрические нагреватели применяют для подогрева жидкости в системе охлаждения двигателя, масла в картере, воздуха во впускном коллекторе перед пуском двигателя и в электрокалориферах для подачи его по воздуховодам на разогрев машин.

Лучший разогрев двигателя обеспечивается при закреплении электронагревателя в блоке двигателя.

Разогрев одного масла в большинстве случаев не обеспечивает пуска двигателя, так как блок двигателя и подшипники не нагреваются до необходимой температуры. Поэтому длительный нагрев и разогрев масла перед пуском сочетают с заполнением системы охлаждения двигателя горячей водой, нагрев которой производится отдельно, или путем установки электронагревателей непосредственно в системе охлаждения.

Мощность нагревательных элементов для подогрева жидкости в системе охлаждения двигателей принимают с учетом поддержания температуры ее в радиаторе до 300 К, масла в картере -- до 285 К. Обеспечить пуск можно и при меньших температурах, но потребуется дополнительное время на прогрев двигателя после пуска, без этого нагружать его не рекомендуется.

Для различных климатических зон необходимая эффективность подогрева обеспечивается за счет изменения подводимой мощности и времени нагрева, а также укрытия двигателей теплыми капотами.

Наибольший эффект при наименьшем расходе энергии получается при подогреве охлаждающей жидкости до рабочей температуры непосредственно в блоке двигателя с одновременным подогревом масла в картере. При таком способе циркуляция жидкости происходит внутри блока, минуя радиатор двигателя, что снижает расход электроэнергии, способствует ускоренному разогреву подшипников двигателя и обеспечивает полную тепловую подготовку двигателя к работе в соответствии с техническими условиями эксплуатации.

Время разогрева автомобильных и тракторных двигателей зимой с применением электрических нагревателей различной мощности изменяется в очень широких пределах -- от 20 мин до 15 ч. У каждого типа двигателей имеется свое оптимальное время разогрева, зависящее от теплопроводности перегородок, по которым передается тепло от теплоносителя к подшипникам коленчатого вала двигателя и каналам, пропускающим масло. При применении нагревателя с большой теплопроизводительностью быстро повышается температура наружных частей двигателя и происходит рассеивание значительной части подведенного тепла. Излишний расход энергии наблюдается и при малой мощности нагревателя, если время разогрева не соответствует оптимальному значению. Оптимальное время разогрева двигателя 2--4 ч при мощности нагревательных элементов, подогревающих жидкость в блоке двигателей автомобилей: ГАЗ-51А--1,5 кВт, ГАЗ-53А --2 кВт, ЗИЛ-130-3,5 кВт, КрАЗ -- 6 кВт. В этом случае обеспечиваются равномерный разогрев всего двигателя и условия, необходимые для принятия двигателем нагрузки сразу после пуска. В распространенных нагревательных устройствах электронагрев производят с применением различных ТЭНов.

Для подогрева жидкости системы охлаждения двигателя применяют нагреватели, устанавливаемые в патрубках водяного насоса (рис. 3.21). В цилиндрическом корпусе нагревателя с наружным диаметром, равным диаметру патрубка водяного насоса, крепится ТЭН (мощность 2 кВт для двигателей автомобилей ГАЗ-53А и 0,7 кВт-- для автомобиля «Москвич»). Форму изгиба его и размеры подбирают с учетом возможной установки ближе к блоку двигателя. При этом электронагреватель не должен затруднять циркуляцию охлаждающей жидкости. Подвод тока к ТЭНу производится трехконтактной вилкой штепсельного разъема, которую крепят на двигателе в удобном для включения месте. Корпус электронагревателя заземляется дополнительным контактом штепсельного разъема.

Нагревание жидкости происходит преимущественно в водяной рубашке двигателя за счет термосифонной циркуляции, так как дополнительный патрубок корпуса нагревателя соединен специальным шлангом с отверстием для сливного краника цилиндров левого ряда.

На двигателе ЗМЗ-53 электронагреватель ставится вместо серийного жидкостного подогревателя и обеспечивает интенсивный нагрев двигателя при экономичном расходе энергии. Электронагреватель постоянно включен в систему охлаждения двигателя с помощью двух штуцеров и рассчитан на подогрев двигателя, заправленного жидкостью с низкой температурой замерзания. В специальный бачок электронагревателя установлен ТЭН мощностью 2 кВт, соединенный проводом с вилкой трехконтактного штепсельного разъема для включения в электрическую сеть напряжением 220 В. Бачок верхним штуцером присоединяется к отверстию для сливного краника цилиндров левого ряда, нижним -- для сливного краника цилиндров правого ряда; сливной краник в этом случае устанавливается на соединительной трубке. Такая конструкция нагревателя позволяет ограничить циркуляцию нагреваемой жидкости в объеме водяной рубашки без образования воздушных пробок и улучшить использование подводимого тепла.

Одновременный нагрев жидкости в блоке и масла в картере двигателя позволяет осуществить электронагреватель, смонтированный в картере двигателя (рис. 3.22). В это устройство входят универсальный электронагревательный котел и соединительные детали. Котел крепится в картере двигателя и соединен трубками с наружными отверстиями водораспределительных каналов цилиндров. Из верхнего патрубка котла нагретая жидкость поступает в блок двигателя и возвращается с другой стороны его, интенсивно нагревая масло и жидкость.



Рис. 3.22. Установка электронагревателя в картере двигателя ЯМЗ-238 для подогрева масла и жидкости системы охлаждения:

1 -- трубка подвода холодной жидкости; 2 -- корпус нагревателя; 3 -- нагревательный элемент; 4 -- уплотнительные кольца; 5 -- днище нагревателя; 6 -- защитный колпак; 7 -- привод вилки штепсельного разъема 8 -- трубка отвода горячей жидкости

При мощности электронагревательного устройства 6 кВт такое крепление обеспечивает полную тепловую подготовку всего двигателя к пуску и принятию нагрузки за 3--4 ч подогрева при окружающей температуре до 233 К. Разогрев одиночно стоящих или группы машин можно осуществлять автоматически с помощью реле времени по установленной программе. Электронагревательное устройство с автоматическим управлением имеет преимущества перед другими способами подогрева и применимо при заправке системы охлаждения жидкостями с низкой температурой замерзания. В этом случае установка электрического котла связана с внесением некоторых изменений в конструкцию поддона картера двигателя.

Обеспечение полной тепловой подготовки двигателей к пуску и работе возможно и при установке на двигатель съемного электрического котла (рис. 3.23) унифицированной конструкции с включением его в систему охлаждения блока двигателя при одновременной установке специального электронагревателя в картере для подогрева масла.

Учитывая значительный расход энергии при подогреве металлоемких двигателей, в электрокотел целесообразно устанавливать два ТЭНа, что позволяет выровнять нагрузку и повысить надежность установки. Для включения удобна четырехконтактная розетка штепсельного разъема, монтируемая на облицовке радиатора; ее четвертый контакт служит для заземления электрокотла и шкафа управления.

Рис. 3.23. Оборудование трактора «Кировец К-701» электронагревательным устройством:

1 -- трубка отвода горячей жидкости; 2 -- трубка подвода холодной жидкости; 3 -- электрический котел; 4 -- защитный колпак; 5 -- штепсельный разъем

Опыт эксплуатации существующих машин показывает, что в хозяйствах возникает необходимость использовать в зимний период весь автотракторный парк, даже недостаточно приспособленный к работе зимой. Проведением дополнительных организационно-технических мероприятий можно значительно снизить влияние холодного воздуха зимой на условия эксплуатации, на показатели использования автотракторных двигателей и облегчить их обслуживание.

4. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ ТОПЛИВНОЙ АППРАТУРЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Низкая температура в системе питания дизеля вызывает выпадение из топлива высокоплавких углеводородов в виде кристаллов различной формы, которые способны забивать фильтрующие элементы, узкие места топливопроводов и штуцеров.

В настоящее время существует три способа, предотвращающее это нежелательное явление:

1. Воздействие на свойства дизельного топлива в процессе его производства и потребления;

2. Адаптацией конструкции топливной системы дизеля к отрицательным температурам;

3. Созданием условий, смягчающих негативное воздействие внешних факторов, как на работу агрегатов топливоподающей системы, так и на свойства самого топлива.

Первая группа в основном сводится к добавлению депрессорных присадок, которые повышают текучесть и прокачиваемость топлив при низких температурах. Однако эффективность действия депрессорных присадок зависит от их концентрации в топливе, его углеводородного состава и наличия в нем асфальто-смолистых веществ. Ввод присадок в дизельное топливо с присутствием воды, которая всегда содержится в условиях эксплуатации, неблагоприятно сказывается на эффективности их применения. Поэтому эффект от депрессорных присадок в реальных условиях всегда оказывается ниже, чем при специальных целевых испытаниях.

Вторая группа -- направлена на улучшение низкотемпературной прокачиваемости дизельного топлива. Реализация программы IGF-3 европейского координационного совета по совершенствованию методов испытаний смазок и моторных топлив позволит лишь определить арсенал средств улучшения работоспособности дизельных топлив при низких температурах, а также количественно оценить влияние того или иного фактора.

Третья группа может реализоваться как на стадии создания дизельных установок (размещение агрегатов в местах защищенных от обдува холодным воздухом), так и в эксплуатации. Однако самый радикальный способ этой группы -- подогрев топлива. Применение электроподогревателя позволяет решить проблемы как прокачиваемости, так и фильтруемости дизельного топлива. Кроме того, подогрев топлива позволит снизить выброс вредных веществ в атмосферу с отработавшими газами и расход топлива дизелем, поскольку улучшается процесс сгорания.

4.1 Определение пределов работоспособности топливной системы при низких температурах

Температура окружающего воздуха оказывает существенное влияние на процесс топливоподачи дизеля, это связано с зависимостью вязкости дизельного топлива от температуры и кристаллизацией парафинистых углеводородов. Одной из причин снижения надежности автотракторных дизелей в условиях отрицательных температур, является выпадение кристаллов парафинов в топливе, повышение сопротивления линии низкого давления системы питания, и как следствие уменьшение коэффициента наполнения насоса высокого давления. Согласно нашим [10] исследованиям наиболее критическим участком топливной системы дизеля, работающего в условиях отрицательных температур, является линия всасывания топливоподкачивающего насоса (ТПН) с фильтром грубой (ФГО) очистки, который одним из первых забивается образующими кристаллами Н-алканов.

Для изучения процесса образования Н-алканов в дизельном топливе нами были поведены исследования по определению количества кристаллов парафинов в дизельном топливе марки «Л» [10].

Анализ физико-химических свойств углеводородов, приведенный в таблице 2.12, показывает, что в дизельном топливе имеются кристаллы углеводородов с очень высокой температурой плавления, например, гексаметилбензол С₁₂Н₁₈ плавится при температуре 165.5 ⁰С; бутилнонан С₁₃Н₂₈ имеет температуру плавления 70 ⁰С и т.д. Содержание таких углеводородов в дизельном топливе составляет не более 0.6%. Углеводороды с высокой температурой плавления практически находятся в твердом состоянии при любой температуре окружающей среды.

Отдельные нафтеновые и ароматические углеводороды, например, изопропил декалин С₁₃Н₂₆, н-гексилбензол и др., плавятся при температуре -94.8...-66.8 ⁰С. Следовательно, углеводороды с низкой температурой плавления практически находятся в жидком состоянии при эксплуатации дизеля в любой климатической зоне. В дизельном топливе марки «Л» углеводороды с низкой температурой плавления составляют около 1,5%, обеспечивая относительную его подвижность [20, 37].

Тяжелые углеводороды парафиновой и ароматической групп в летнем дизельном топливе занимают около 57%. Температура плавления этих углеводородов находится в пределах от -13 ⁰С до -2 ⁰С. По данным табл. 2.12 нами построена интегральная кривая (рис. 4.1) застывания углеводородов дизельного топлива в зависимости от температуры окружающей среды.

Рис.4.1.Интегральная кривая застывания углеводородов дизельного топлива

Анализ интегральной кривой позволяют сделать выводы:

с понижением температуры окружающей среды от 28 ⁰С до 0 ⁰С количество кристаллов твердых углеводородов плавно нарастает и при t=0⁰C составляет около 25% в единице объема топлива.

при температуре окружающей среды t=0...-5 ⁰C интенсивность образования кристаллов резко нарастает. При температуре t=-5 ⁰C около 50% углеводородов дизельного топлива из жидкого состояния переходят в кристаллическую фазу, чем и объясняется помутнение топлива.

при дальнейшем понижении температуры окружающей среды от t=-5 ⁰C до t=-13 ⁰C наблюдается резкий переход дизельного топлива из жидкого состояния в твердое. При t=-13 ⁰C около 86% углеводородов дизельного топлива находятся в кристаллическом состоянии.

при дальнейшем понижении температуры от t=-13 ⁰C до t=-28 ⁰C наблюдается замедленный рост кристаллов в дизельном топливе. При температуре t=-28 ⁰C около 98% углеводородов находится в твердом состоянии.

Для определения минимальной температуры топлива [92-98], при которой возможна работа топливной системы дизеля, воспользуемся уравнениями неразрывности потока и Бернулли для реальной жидкости. Рассмотрим линию всасывания топливной системы дизеля, работающего по традиционной схеме, когда ФГО расположен перед ТПН. В этом случае уравнение Бернулли будет иметь следующий вид

,	(4.1)

где Z₁, Z₂ -- высота расположения выхода из топливного бака и входа в

ТПН, отсчитанная от произвольной горизонтальной плоскости сравнения;

Н -- высота столба топлива в баке;

₁, ₂ -- коэффициенты Кориолиса в рассматриваемых сечениях;

₁, ₂ -- средние скорости потока топлива в рассматриваемых сечениях;

g -- ускорение свободного падения;

-- плотность топлива;

h -- суммарные потери напора между рассматриваемыми сечениями;

Р_вак -- вакуумметрическое давление, создаваемое ТПН.

Уравнение неразрывности потока будет выглядеть следующим образом

,	(4.2)

где ₁, ₂ -- площади потока в рассматриваемых сечениях; Q - расход топлива через ТПН.

Условие обеспечения работоспособности линии низкого давления дизеля с учетом уравнений (4.1) и (4.2), а также тем, что коэффициент Кориолиса для ламинарного движения в трубах равен 2.0, можно записать следующим образом

.	(4.3)

Суммарные потери напора складываются из потерь напора по длине трубопроводов h_дл и потерь от местных сопротивлений h_м

h=hдл+hм.,	(4.4)

Потери напора по длине трубопроводов определяются по формуле

,	(4.5)

где l -- суммарная длина трубопроводов от бака до ТПН;

d_тр- диаметр трубопровода;

_тр-- средняя скорость движения топлива по трубопроводам;

-- коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси).

При ламинарном движении топлива по трубопроводам круглого сечения коэффициент Дарси можно определить

,	(4.6)

где Re -- число Рейпольдса.

Число Рейпольдса для труб круглого сечения

,	(4.7)

где v - кинематическая вязкость дизельного топлива.

Суммарные потери от местных сопротивлений при ламинарном движении топлива определим по следующей зависимости:

,	(4.8)

где _{кв. i} -- коэффициент местного i-го сопротивления квадратичной

области;

Re_i -- число Рейнольдса для i-ro местного сопротивления;

A_i -- коэффициент i-ro сопротивления;

_i - средняя скорость топлива в i-том сопротивлении.

Вязкость дизельного топлива зависит от температуры и может быть определена по формуле

,	(4.10)

где , _о-- динамическая вязкость дизельного топлива при температуре Т и Т₀;

-- коэффициент, значение которого для дизельного топлива изменяется в пределах 0,025. ..0,03.

Общеизвестна зависимость между динамической и кинематической вязкостью =. Считаем, что плотность топлива в рассматриваемом нами интервале температур является величиной постоянной, тогда с учетом формулы (4.10) будем иметь

,	(4.11)

где v₀ - кинематическая вязкость дизельного топлива при +20 °С (293 К).

После подстановки формулы (4.11) в выражение (4.9) и далее (4.8), а также (4.11) в зависимости (4.7), (4.6) и (4.5), с учетом уравнения (4.4) и неравенства (4.3), после соответствующих преобразований получим:

.	(4.12)

В формуле (4.12) обозначено

, (4.13) , (4.13)

, (4.14) , (4.14)

По зависимости (4.13) с достаточной степенью точности может быть определена минимальная температура, при которой обеспечивается нормальная подача топлива по линии низкого давления.

4.2 Методика расчета теплоемкости дизельного топлива при температурах ниже температуры помутнения

Для определения теплоемкости топлива с_топ находим количество теплоты, которое необходимо сообщить дизельное топливу массой m_о для того, чтобы изменить его температуру от Т_т (текущей температуры топлива) до Т_п (температуры помутнения топлива) , если Т₃ ? Т_т ? Т_п .

Для бесконечно малого изменения температуры справедливо выражение

,	(4.15)

где dQ_т -- теплота, сообщаемая дизельному топливу для изменения его

температуры на dT_Т;

dQ₁ -- теплота, идущая на плавление кристаллов н-алканов в

интервале температур dT_Т;

dQ₂ -- теплота, идущая на изменение теплосодержания расплавлен-

ной фазы в интервале температур dT_Т ;

dQ₃ -- теплота, идущая на изменение теплосодержание

кристаллической фазы в интервале температур dT_Т .

Удельная теплота плавления для органических соединений определяется по формуле

,	(4.16)

где Т_пл - температура плавления.

Введя средний мольный объем кристаллической фазы, имеем

, (кДж/м3)	(4.17)

Тогда, количество теплоты, необходимое для плавления кристаллической фазы объемом

.	(4.18)

Объем кристаллической фазы, которая плавится

,	(4.19)

где m_кр -- масса кристаллической фазы, которая плавится при температуре

Т_т (кг);

с_кр -- средняя плотность кристаллической фазы (кг/м³).

Предполагаем, что процесс плавления непрерывный в интервале температур от Т_з до Т_п , а масса кристаллов, которая плавится при температуре Т_т - есть близкая к линейной функции температуры ( рис. 4.2).

Суммарная масса кристаллов при температуре топлива, равной температуре замерзания Т_з

,	(4.20)

где -- масса кристаллов, которая плавится при температуре топлива,

равной температуре замерзания Т₃ .

Предполагаем, что суммарная масса кристаллов m_кр при температуре Т_т -- есть также близкая к линейной функции температуры (см. рис.4.2), отвечающая следующим допущениям: при Т_т = Т_п ; m_кр= 0, а при Т_Т = Т_з ; m_кр = m₀ , где m₀ - масса всего топлива. Тогда с учетом рис. 4.2 и формулы (4.20) имеем

,	(4.21)

Рис 4.2. Процесс плавления кристаллов парафина

Аналогично (рис. 4.2)

.	(4.22)

Массу расплавленной фазы определяем как разницу массы всего топлива и массы кристаллической фазы

,	(4.23)

С учетом (4.22), после преобразования имеем

.	(4.24)

Подставляя выражение (4.20) в формулу (4.19) и далее в уравнение (4.18), получим

.	(4.25)

В формуле (4.25) Т_пл заменена на текущую температуру топлива. Количество теплоты, идущее на плавление кристаллов в интервале температур dТ_т

.	(4.26)

Количество теплоты, идущее на изменение теплосодержания расплавленной фазы в интервале температур dТ_Т определятся как



,	(4.27)

где с_р -- средняя теплоемкость расплавленной фазы в интервале температур от Т_т до Т_п (кДзж/кг °К).

С учетом уравнения (4,24), имеем

,	(4.28)

Количество теплоты, идущее на изменение теплосодержания кристаллической фазы

,	(4.29)

где с_кр -- средняя теплоемкость кристаллической фазы в интервале температур от Т_т до Т_п (кДж/кг °К).

С учетом выражений (1.18) и (1.19) получим

,	(4.30)

Подставляя выражения (4.26), (4.28) и (4.30) в уравнение (4.15), проинтегрировав и преобразовав, имеем

,	(4.31)

Общеизвестно . (4.32)

Тогда теплоемкость топлива в интервале температур от Т_з до Т_п

.	(4.33)

Скорость топлива V_топ через нагретую углеродную ткань определяется из гидродинамического расчёта всасывающей линии топливоподкачивающего насоса при известном расходе топлива через последний.

4.3 Методы расчета нагревательных элементов, установленных в топливной системе дизеля

Основная доля нефти, добываемой в странах СНГ, парафинистого основания, а в дизельном топливе, полученном из нее, содержится от 15 до 30% углеводородов нормального ряда (н-алканов), обладающих более высокими температурами кристаллизации, чем все остальные углеводороды топлива. Это является причиной образования в дизельном топливе при низких температурах кристаллической фазы.

Кристаллообразование ведет к ухудшению низкотемпературных свойств топлива, его прокачиваемости и фильтруемости. Коэффициент фильтруемости, как показывают наши исследования, при температуре топлива на 2…3⁰ ниже температуры помутнения, достигает 8...10 единиц, тогда как для нормальной прокачиваемости топлива этот же коэффициент должен находиться в пределах 2...3 единиц. Для Республики Беларусь зимние сорта топливе практически не применяются, поэтому в условиях зимней эксплуатации автотракторной техники необходимо обеспечить запуск и работу дизельных двигателей на летних сортах топлива.

Для повышения эффективности работы фильтров дизельных двига-телей при отрицательных температурах нами предложены конструкции электроподогревателей [69,70,71] с использованием углеродных нитей и тканей. Однако отсутствие теоретических исследований теплообмена между нагревательным элементом и дизельным топливом при низких температурах затрудняет использование этого перспективного направления в обеспечении надежной зимней эксплуатации дизелей.

Данные теоретические исследования направлены на решение задачи: до какой температуры t₀ в начале трубопровода необходимо подогреть дизельное топливо, чтобы его температура в сечении x=l (l-- длина трубопровода) соответствовала требуемой t_x, если температура окружающей среды равна t_c.

Физические свойства дизельного топлива таковы, что подогревать его выше температуры t=40...45 ⁰C не рекомендуется из-за интенсивного выделения смолистых веществ. Известно, что при температуре близкой к t=0 ⁰C в дизельном топливе марки “Л” образуются кристаллические структуры, которые снижают его прокачиваемость по трубопроводам. Следовательно, решение поставленной задачи позволит ответить на вопрос -- до какой температуры следует подогревать дизельное топливо на начальном участке системы питания, чтобы в потоке не образовывались кристаллы твердых углеводородов при его движении по всей системе, в том числе была обеспечена его фильтрация в ФГО и ФТО.

Поставленная цель может быть достигнута только составлением и решением дифференциального уравнения движения топлива и уравнением переноса тепловой энергии на участке трубопровода низкого давления.

4.3.1 Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена

Выделим в потоке жидкости неподвижный (относительно координатной системы XYZ) (рис. 4.3), элементарный параллелепипед с ребрами dx, dy, dz, параллельными координатным осям. Через грани параллелепипеда теплота переносится теплопроводностью и конвекцией. В рассматриваемом объеме может выделяться теплота внутренними источниками за счет внешней энергии по отношению к рассматриваемому источнику. Например, теплота от трения частиц топлива о стенки трубопровода и молекул между собой.

Рис. 4.3. Расчетная схема переноса тепла в потоке жидкости на ось OX

Количество теплоты, которая подводится к граням элементарного объема за время d в направлении осей OX, OY и OZ обозначим соответственно через dQ_X, dQ_Y и dQ_Z.

Количество теплоты, которое будет отводиться через противоположные грани в тех же направлениях, обозначим соответственно через dQ_X+dX, dQ_Y+dY и dQ_Z+dZ.

Количество теплоты, подводимой к грани dydz в направлении оси Х за время d равно

dQ_X=q_Xdydz d, (4.34)

где q_X -- проекция вектора плотности теплового потока

Количество теплоты, отводимой через противоположную грань элементарного объема, в направлении оси OX составит

dQ_X+dX=q_X+dXdydzd. (4.35)

Если dQ_X>dQ_X+dX, то элементарный объем будет нагреваться, т.е. аккумулировать тепловую энергию.

Если dQ_X<dQ_X+dX, то элементарный объем будет остывать, т.е. отдавать в окружающую среду тепловую энергию.

Количество теплоты, аккумулированной элементарным объемом в направлении оси OX равно