CC BY
84
АНАЛИЗ СИСТЕМ ОБЛЕГЧЕНИЯ ПУСКА ДИЗЕЛЕЙ С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ
ТЕМПЕРАТУР Павлов Денис Викторович, аспирант Тульский государственный университет, Россия
Целью данной работы является анализ особенностей пуска дизелей малой мощности с воздушным охлаждением в условиях экстремально низких температур окружающего воздуха, а так же поиск решений по совершенствованию средств и методов повышения пусковых характеристик дизелей. В качестве примера приведены результаты испытаний пуска дизеля ТМЗ при температуре окружающего воздуха -40°С и -50°С. Рассмотрена методика и выделены особенности пуска дизеля. Рассмотрены основные средства облегчения пуска, применительно к дизелям с воздушным охлаждением при минусовых температурах окружающего воздуха.
Ключевые слова: дизель с воздушным охлаждением, средства облегчения пуска, экстремально низкие температуры, подогреватель.
Одно и двухцилиндровые малогабаритные, универсальные, четырехтактные дизельные двигатели мощностью до 20-25 кВт на сегодняшний день находят все больше широкое применение как в сфере народного хозяйства для приводов коммунальной и строительной техники, компрессоров, минитракторов, приводов электроагрегатов, так и в оборонном комплексе для бронетанковой и иной технике в качестве привода вспомогательной силовой установки для энергоснабжения устройств и электросистем машин, при заглушенном основном двигателе.
Основными производителями такого рода двигателей являются: «Farymann» и «Hatz diesel» (Германия), «Lombardini Kohler compani» (Италия), «DMB-Fabrica Malolitraznih motora» (Сербия), «Robin-Subaru» (Япония).
К таким двигателям относиться и дизель ТМЗ производства АО «АК «Туламашзавод» (Россия). География применения техники на которой используется данный дизель достаточно обширна и отличается крайне низкими и высокими температурами окружающей среды, повышенной влажностью и разряженностью воздуха.
С учетом возросшего, в последнее время, внимания Российского Правительства к Арктической зоне[10, 5], применение как гражданской так и военной техники для развития и освоения Арктики, вопрос достаточно актуальный и первым требованием к таким машинам соответственно будет являться возможность эксплуатации в условиях низких температур окружающего воздуха. Таким образом двигатели применяемые в Арктической зоне должны быть оснащены надежными системами подогрева, обеспечивающими уверенный пуск и работу в условиях
экстремально низких температур до -60°С. Безусловно соответствующим качеством должны обладать и горюче смазочные материалы, и аккумуляторные батареи повышенной мощности.
Преимущества в применении дизелей малой мощности с воздушным охлаждением для отдаленных северных районов по сравнению с жидкостным очевидны:
1. Простота конструкции.
2. Ремонтопригодность.
3. Более быстрый прогрев.
4. Надежность.
5. Стоимость изготовления значительно ниже по сравнению с дизелем с жидкостным охлаждением.
В данной статье пуск дизеля с воздушным охлаждением в условиях низких температур рассмотрен на примере дизеля ТМЗ.
Дизели ТМЗ могут эксплуатироваться в различных климатических условиях в диапазоне температур от -50°С до +50°С, на высокогорье, при повышенной влажности и запыленности. [http://www.tulamash.ru]. Анализируя порядок эксплуатации дизелей при низких температурах [2,3] следует отметь то, что для облегчения пуска при отрицательных температурах окружающего воздуха, применяются средства не обеспечивающие удобства эксплуатации и пуска дизеля для потребителя в полном объеме. Характерной особенностью при пуске является разбавление масла в картере бензином что приводит к значительному снижению ресурса двигателя. К таму же при нагреве пары бензина испаряются и детонируют вызывая ударное воздействие на детали цилиндро-поршневой группы, что может привести к их разрушению. Возникает трудность в останове дизеля из-за воспламенения паров бензина. Так же следует отметить не регламентированное применение легковоспламеняющихся жидкостей для облегчения пуска в зависимости от диапазона минусовых температур таких как «Арктика» «Холод Д-40». Эфир содержащейся в образцах подобного рода практически полностью смывает масляную пленку с зеркала цилиндра, причем давление в цилиндре резко возрастает, что негативно сказывается на деталях цилиндро-поршневой группы.
В качестве средств облегчения пуска при низких температурах окружающей среды на дизеле ТМЗ применяется штифтовая свеча подогрева камеры сгорания, установленная в головке цилиндра, подогреватель масла (позистор) вмонтированный в нижнюю часть картера, подогреватель топлива в случае подачи топлива электрическим насосом (Рис 2).
Подогр еватель
Рисунок 1 - Схема расположения средств облегчения пуска дизеля ТМЗ Технически характеристики подогревателя масла.
1.1. Номинальное напряжение постоянного или переменного тока с частотой
50Гц............................................................................................................24В
Допускается увеличение напряжения питания до..................................28В
1.2. Номинальная мощность на установившемся режиме при использовании масла М16ИХП3 ГОСТ 25770 с температурой -20°С и напряжении
электропитания 24В.........................................................................300 30Вт
при напряжении 12В.........................................................................270 30Вт
1.3 Максимальный пусковой ток...................................60А в течении 3сек.
1.4. Номинальное электрическое
сопротивление при температуре 20°С..............................................0.42Ом
1.5 Средняя температура переключения............................................140°С
1.6 Температура рабочей среды не более...........................................120°С
Технически характеристики подогревателя топлива.
1.1 Номинальный расход топлива........................................................40л/ч
1.2Перепад давления.......................................................................0.22МПа
1.3 Начальное гидравлическое сопротивление. при
номинальном расходе топлива.......................................................0.005МПа
1.4 Ном. Напряжение питания подогревателя....................................12-24В
1.5 Потребляемая подогревателем топлива электрическая мощность при расходе топлива 20л/ч и температуре на входе -40°С при напряжении питания
12В......................................................................................180 +10 или -30 Вт
24В......................................................................................200+10 или -30Вт
1.6 Температура нагрева топлива подогревателем
при номинальном напряжении, на входе -40°С...................................15°С
1.7 Сопротивление электрической цепи
подогревателя при температуре 20°С...........................................0.7-1.20Ом
в}
б)
Рисунок 2 - а) Подогреватель масла (позистор); б) штифтовая свеча;
в) подогреватель топлива
Напряжение питания штифтовой свечи 12-24В график зависимости температуры накала по времени представлен на Рис 3.
I Сс|
Рисунок 3 - Зависимость температуры накала по времени штифтовой
свечи А О 100 221 146.
Принимая во внимание протоколы испытаний изделия с двигателями ТМЗ, представленные в Таблице 1, следует отметить достаточно не плохие результаты пуска двигателя и работы изделия при температуре минус 40°С. Кстати план мероприятий проведения испытаний составлен в строгом соответствии с ОСТ В3-2133-88 «Дизели военных гусенечных машин. Метод определения и оценки пусковых качеств на стенде».
Продолжительность пуска при температуре окружающего воздуха минус 40°С составляет не более 20 мин. Время от начала устойчивой работы до принятия нагрузки двигателем при температуре окружающего воздуха минус 40°С, не более 5 мин. Запуск происходил с 1-3 попытки.[6, 7, 8, 9].
Таблица 1 - Результаты испытаний дизеля ТМЗ в составе изделия.
Изделие Тип масла Тип топлива Мощность источника энергии Температура окружающей среда Т °С Продолжительность пуска Мин.
ДГУ8-П27,5-ВМ1** ВНИИНП М-5з16Д2 ТУ 38.401-58-309-2002 ЕВРО ГОСТ Р 52368 (ЕН 590:2009) Класс 4 АКБ 3,36кВт -40 18
ДГУ8-П27,5-ВМ1** ВНИИНП М-5з16Д2 ТУ 38.401-58-309-2002 ЕВРО ГОСТ Р 52368 (ЕН 590:2009) Класс 4 АКБ 3,36кВт -50 41*
ДГУ5-П27,5-ВМ1 № 005 ВНИИНП М-5з16Д2 ТУ 38.401-58-309-2002 смесь ТС-1 ГОСТ 10227-86 (70 %) с топливом дизельным З-0,5 минус 35 ГОСТ 305-82 (30 %) АКБ 3,36кВт -40 18мин. 18 сек.
ДГУ5-П27,5-ВМ1 № 005 ВНИИНП М-5з16Д2 ТУ 38.401-58-309-2002 смесь ТС-1 ГОСТ 10227-86 (70 %) с топливом дизельным З-0,5 минус 35 ГОСТ 305-82 (30 %) АКБ 3,36кВт -50 Не установлено
Однако при температуре минус 50°С в некоторых случаях в результате попыток запуска , дизель изделия с приборами управления без программного обеспечения, начинает работать, но обороты не развивает и через 5.. .8 секунд глохнет. Попытки прогреть дизель безуспешны, так как устанавливается тепловой баланс подводимого и отводимого тепла. Запуск дизеля изделия с приборами управления с программным обеспечением подтвержден через 40 мин. согласно протоколу испытаний, однако данные о работе дизеля в заданной температуре отсутствуют. В обоих случаях наблюдалось выдавливание масла через герметизирующее резиновое уплотнение из под масляного фильтра[6, 7, 8, 9].
Таким образом можно говорить не только о неудобстве эксплуатации дизеля с применением существующих средства и методов облегчения пуска при отрицательных температурах, но и о необходимости повышения их эффективности.
На сегодняшний день с бурным развитием автомобильной промышленности и потребностью ее применения в самых отдаленных областях Крайнего Севера, широко применяются системы облегчения пуска двигателей при отрицательных температурах различных конструкций и принципа действия. Примерную классификацию данных систем можно представить с помощью метода морфологического анализа. (Таблица 2).
Эффективность различных способов и систем зависит от ряда факторов:
• условия эксплуатации
• тип двигателя
• конструкция двигателя.
• конструкция системы облегчения пуска
Таблица 2 - Классификация систем облегчения пуска двигателей при низких температурах окружающего воздуха.
Признак Вариант исполнения признака
1 2 3 4 5 6 7
Конструктивное исполнение Автономные Локальные.
Подогреватель охлаждающей Воздушные отопители Стационарные Вмонтированные в подогреваемую систему ДВС
жидкости
Вид нагрева Электрический 12В Электрический 24В Электрический 220В Электрофакельный Водяным паром Открытым пламенем Электро-пневмо-факельный Аэрозольный
Подогреваемая система(узел) ДВС ДВС Блок-картер Система Охлаждения Система смазки (масло в картере) Воздух на впуске ДВС
Тип нагревательного элимента Свеча закрытого типа (штифтовая) Свеча открытого типа Спиральный нагреватель Хомутовый нагреватель Пластинчатый нагреватель СВЧ нагреватель Полупроводниковый нагреватель (позистор) Силиконовые пластины
На сегодняшний день в стандартную комплектацию дизеля входят свечи накаливания открытого и закрытого типа (Рис. 4) подогрева камеры сгорания, а так же свечи подогрева воздуха во впускном трубопроводе. Свечи накаливания открытого типа устанавливаются таким образом, чтобы струя топлива находилась на некотором расстоянии от нее, с целью сохранения ресурса свечи. Если струя топлива попадает на свечу, то срок службы ее резко уменьшается. Спираль свечей закрытого типа или штифтовых защищена кожухом из железо-никель-хромового сплава «инконель», имеющего высокую тепловую и коррозионную стойкость в среде горячих газов. Кожух заполнен материалом с высокой теплопроводностью. Такие свечи в камере сгорания устанавливают непосредственно под топливную струю.
□
н
Рисунок 4 - Свеча накаливания. а — с открым нагревательным элементом; б — штифтовая: 1 — центральный электрод; 2 — корпус 3 — спираль; 4 — вывод;
5 — кожух спирали
Чаще используют однополюсные штифтовые свечи, потребляющие токи силой 5 и 10 А при напряжениях соответственно 24В и 12В. Ток потребления двухполюсных свечей составляет до 50 А при напряжении 1,7В. Время прогрева составляет 1-2 мин. Как положительную составляющую следует отметить достаточно большую тепловую инерцию таких свечей.
Эффективность применения свечей накаливания при пуске дизелей зависит от рабочей температуры открытой спирали или кожуха штифтовой свечи, которая определяется : силой проходящего по спирали тока. Пуск дизелей при использовании свечей накаливания обеспечивается до температур минус 10...минус 15°С при частоте вращения коленчатого вала 50-80 об/мин.
Яркими представителями свечей подогрева воздуха на впуске являются свечи СН 150 (Рис. 2) мощностью 400 Вт и потреблением тока силой 45-47 А. Рабочая температура свечи 900°С-950°С через 40-60 с момента подключения к аккумуляторной батарее.
Лучший теплоотвод от нагревательного элемента обеспечивается при его фланцевом расположении(Рис. 5).
т ^
Рисунок 5 - Свеча подогрева воздуха на впуске. а) СН 150-А; б) фланцевая свеча.
1 — спираль накаливания; 2 — стержень; 3 — уплотнительная шайба;
4 — корпус; 5 — изоляционная шайба; 6 — контактная гайка;
7 — изоляционная втулка
Применение свечи СН-150 обеспечивает увеличение температуры в цилиндре в конце такта сжатия на 20-35°С , в результате чего минимальная температура пуска двигателя становится на 5-10°С ниже. При установке таких свечей необходимо учитывать конструкцию трубопровода из-за больших тепловых потерь [1]. Свечами подобного рода оснащены двигатели ЯМЗ 650.10 (Рис 6).
Рисунок 6 - Впускной трубопровод двигателя ЯМЗ 650.10
Сегодня практически нормой стало применение
легковоспламеняющихся жидкостей как отечественного так и зарубежного производства. Среди отечественных наиболее известны пусковые
жидкости «Арктика» и «Холод Д-40». Температура воспламенения диэтилированного эфира составляет 180-205°С.
Жидкость обычно распыляют из аэрозольных баллончиков или аэрозольным устройством с электромагнитным приводом (Рис. 7) небольшими порциями во впускной воздушный трубопровод, либо подают непосредственно в камеру сгорания совместно с топливом.
Жидкость для облегчения пуска в аэрозольном устройстве находится под давлением. Работа устройства основана на принципе вытеснения. В качестве вытесняющего газа применяют пропан или любой другой являющейся топливом, у которого зависимость давления от температуры минимальная.
1 — регулировочный винт; 2 — нажимной подпятник; 3 — складывающиеся дужки; 4 — ось дужек; 5 — кронштейн крепления; 6 — эмульсионная трубка; 7 — электромагнит; 8 — сердечник; 9 — пластинчатый клапан; 10 — трубопровод; 11 — форсунка; 12 — резиновый уплотнитель; 13 — аэрозольный баллон
При использовании легковоспламеняющихся жидкостей запуск дизелей снижается до температуры окружающего воздуха - 30°С [1].
—\ о о о о
Еще одной известной и широко применяемой системой облегчения пуска двигателя при отрицательных температурах окружающего воздуха является электрофакельный подогрев (Рис. 8) воздуха на впуске.
Рисунок 8 - Электрофакельные устройства а — факельная штифтовая свеча 13.3740; с — электромагнитный топливный клапан 13.3741; в — добавочный резистор с термореле;1 — защитный экран; 2 — испарительная сетка; 3, 7, 8 — гайки; 4 — испаритель; 5 — фильтр; 6 — топливный жиклер; 9 — изоляционная шайба; 10 — изоляционная втулка;11 — нагреватель; 12 — корпус свечи; 13 — основание клапана; 14 — гильза; 15 — якорь; 15 — катушка; 17 — сердечник; 18 — штекер; 19, 23 — выводы; 20 — защитный кожух; 11 — спираль добавочного резистора; 22 — биметаллическая пластина с подвижным концевиком; 24 — изолятор; 25 — неподвижный контакт
При использовании такой системы, подогрев воздуха во впускном канале осуществляется за счет факела образующегося в процессе сгорания топлива в камере свечи. При повороте ключа зажигания в первое положение происходит предварительный разогрев спирали свечи до 1000°С в течении 1-2х мин. В момент прокрутки двигателя стартером открывается электромагнитный клапан обеспечивающий подачу топлива к свече по средствам подкачивающего насоса. Более подробно принцип действия системы описан в работах Акимова С. В. и Резника А. М.[1, 10]. Такой подогрев обеспечивает пуск дизелей при температуре до минус 25°С [10].
Так же в последнее время становятся все более популярными так называемые нагревающие пластины, подогревающиеся топливные шланги, хомутовые подогреватели. Мощность нагревательных пластин составляет 100-1500 Вт, а температура нагрева 90-180°С. Более детально эти устройства рассмотрены в [4].
Выше представленный материал говорит о том, что сегодня, на ряду с рядовыми способами запуска двигателя при минусовых температурах, таких как подогрев паром, разбавление масла керосином или разогрев поддона двигателя открытым пламенем существует достаточно широкий
выбор различных устройств и средств направленных на облегчение пуска двигателя в условиях низких температур.
В завершении статьи следует отметить:
1. Актуальность и перспективность повышения пусковых характеристик и ресурса дизелей с воздушным охлаждением в условиях низких температур не вызывает сомнения. Решение данного вопроса видится в разработке методик расчета и конструирования систем подогрева как отдельных узлов, так и дизеля в целом.
2. Для повышения уверенного пуска, срока службы и надежной работы дизеля ТМЗ, в условиях температур окружающего воздуха — 50°С и ниже, требуется совершенствование применяемых на двигателе средств облегчения пуска.
3. Эффективность и целесообразность применения различных систем зависит в первую очередь от климатических условий эксплуатации двигателя.
4. Конструкция устройств и способы облегчения пуска должны обеспечивать надежность их применения, а так же простоту и удобство эксплуатации для потребителя.
5. В условиях экстремально низких температур следует обратить внимание на энергопотребление системы. Соответственно оно должно быть как можно ниже.
Список литературы
1. Акимов С.В., Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей: учебник для ВУЗов. — М.: ООО «Книжное издательство «За рулем», 2007. — 336 с.
2. Дизели ТМЗ 520Д. Руководство по эксплуатации 048 110 000 РЭ. Тула: АО «АК «Туламашзавод» - 48С.
3. Дизель-генераторная установка ДГУ5-П27,5-ВМ1. Руководство по эксплуатации 045 000 000 РЭ. Тула: АО «АК «Туламашзавод» - 61 С.
4. Нагревательные элементы. [Электронный ресурс]: Марион:[Сайт]. - Доступ: Ьйр8://т8к.е1ек1хо1еш. гц/па§геуа1е1пу1е elementyi.html.
5. "Об утверждении государственной программы Российской Федерации "Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года". [Электронный ресурс]: постановление Правительства РФ от 21 апреля 2014 г. N 366 . Гарант.ру информационно-правовой портал: [Сайт]. - Доступ: http://www.gaгant.гц/pгodцcts/ipo/pгime/doc/70544266/#ixzz4KzzRXW7K.
6. Протокол № 17. Испытаний ДГУ8-П27,5-ВМ1. ТУЛА: АО «АК «ТУЛАМАШЗАВОД», 2016 — 1С.
7. Протокол № 25 Определение времени продолжительности пуска при температуре окружающей среды минус 50°С. Тула: АО «АК «Туламашзавод», 2006 — 1С.
8. Протокол № 18 Определение времени продолжительности пуска. Тула: АО «АК «Туламашзавод», 2016 — 1С.
9. Протокол № 14. Испытания на продолжительность пуска при температуре окружающей среды - 20 и - 40°С. Тула: АО «АК «Туламашзавод», 2006 — 1С.
10. Резник А.М. Электрооборудование автомобилей: учебник для автотранспортных техникумов.-М.: Транспорт, 1990.-256С.
11. Фролов, И.Э. Освоение российской зоны Арктики: проблемы воссоздания транспортной и военной инфраструктур. [Электронный ресурс]: Экономический
портал:[Сайт]. - Доступ: http://institutiones.com/general/2792-osvoenie-rossiiskoi-zony-arktiki.html.
Pavlov, Denis V., postgraduate student Tula state University, Russia
ANALYSIS OF SYSTEMS TO FACILITATE START-UP OF AIR-COOLED DIESEL ENGINES IN LOW TEMPERATURES
The purpose of this work is the analysis of features of start of diesels of low power with air cooling in the conditions of extremely low temperatures of ambient air, and also search of decisions on improvement of means and methods of increase of starting characteristics of diesels. As an example the results of test-start of a diesel engine TMZ at an ambient temperature of -40°C and -50°C. the method and the features of the start-up of diesel. The main means of facilitating the start-up are considered in relation to diesel engines with air cooling at sub-zero ambient temperatures.
Keywords: diesel engine with air cooling, means of easing start-up, extremely low temperatures, heater.
