CC BY
14
Применение легковоспламеняющейся жидкости для повышения эффективности холодного пуска дизеля
I
Н.Н. Патрахальцев, профессор РУДН, д.т.н., П.П. Ощепков, доцент РУДН, к.т.н.,
И.С. Мельник, инженер по сертификации АО(н) «Вольво», к.т.н.
Применение легковоспламеняющейся жидкости как добавки к дизельному топливу в процессе холодного пуска, то есть по принципу внутреннего смесеобразования, обеспечивает повышение надежности пуска холодного дизеля при низких температурах окружающего воздуха без предварительного прогрева. В сочетании с методом регулирования дизеля отключением части цилиндров достигается повышение устойчивости пуска и выхода двигателя на заданный режим.
__Ключевые слова:
дизель, пуск дизеля, холодный пуск, устойчивость пуска, альтернативное топливо, легковоспламеняющаяся жидкость,
отключение цилиндров.
ффективность, надежность пуска дизеля в условиях низких температур окружающего воздуха и безгаражного хранения машины, то есть «холодного» дизеля, существенно зависит от применяемого метода и средств обеспечения пуска. Возможности предпусковой подготовки дизеля часто ограниченны, а ее проведение всегда требует больших затрат времени, сил, нередко сложного оснащения, а в экстремальных случаях - просто невозможно. В подобных ситуациях часто применяют электрофакельное устройство (ЭФУ) на впуске в дизель или подачу в цилиндры легковоспламеняющейся жидкости (ЛВЖ). При этом ЛВЖ может подаваться на всасывание дизеля [1], то есть по принципу внешнего смесеобразования. ЛВЖ может впрыскиваться в цилиндры специальной форсункой [2] (что практически требует создания нового двигателя), то есть по принципу внутреннего смесеобразования. А также может впрыскиваться в цилиндры в виде смеси с дизельным топливом (ДТ) с помощью штатной форсунки [3], то есть также по принципу внутреннего смесеобразования, в этом случае уже по смесево-му топливу (ДТ+ЛВЖ).
Для реализации последнего метода штатная топливная система дизеля должна быть модернизирована в соответствии с принципиальной схемой, приведенной на рис. 1.
Система работает следующим образом. При прокрутке вала дизеля пусковым средством топливный насос (ТНВД) 1 подает топливо в ЛВД 3 и обычным порядком впрыскивает его через форсунку 6 в дизель 7. Клапан РНД 4 в это время закрыт усилием возвратной пружины и давлением топлива в ЛВД 3. При отсечке первого цикла подачи топлива нагнетательный клапан 2 садится в седло и своим
Научные разработки и исследования
к\\\\\\\\\\\\
\
56
Рис. 1. Принципиальная схема системы подачи в дизель смеси ДТ и ЛВЖ: 1 - штатный топливный насос высокого давления (ТНВД); 2 - нагнетательный клапан с разгрузочным объемом; 3 - линия высокого давления (ЛВД); 4 - клапан регулирования начального давления (РНД); 5 - баллон с ЛВЖ; 6 - штатная форсунка закрытого типа; 7 - дизель; 8 - топливный бак с дизельным топливом
разгрузочным пояском формирует в ЛВД 3 волну пониженного давления - разрежения. При подходе волны к клапану РНД 4 он открывается под действием перепада между давлением ЛВЖ в баллоне 5 и давлением в ЛВД 3. ЛВЖ поступает в объем топлива в ЛВД, перемешивается с ним и образует смесевое топливо ДТ + ЛВЖ. В очередных циклах топливоподачи это смесевое топливо обычным порядком впрыскивается форсункой 6 в цилиндры дизеля. (Клапан 4 применялся ранее для регулирования начального давления в линии высокого давления, а потому был назван клапаном РНД [4]. В работах МГТУ им. Н.Э. Баумана этот клапан стали называть клапаном импульсной подачи добавки [5]). Низкая вязкость ЛВЖ, высокая испаряемость, высокое цетановое число обеспечивают хорошие распыливание, испарение и воспламеняемость горючей смеси в
цилиндрах дизеля.
Методы «холодного» пуска с помощью ЭФУ и системы с клапаном РНД экспериментально исследованы применительно к дизелю типа КАМАЗ 7405 (зав. № 611644) в термобарокамере мод. ТВУ 8000/2 НТЦ АО «КАМАЗ» при температурах около -25 °С. При этом ЭФУ являлось штатным средством облегчения «холодного» пуска дизеля. Результаты и условия проведения экспериментальных исследований соответствовали ОСТ 37 001.052-87.
В ходе исследования получено, что при пусковой частоте вращения вала ппуск « 100...130 мин1 время пуска дизеля со штатной системой составляло порядка 15 сек, а с системой с РНД - 5.7 сек. Следует отметить, что систему с подачей ЛВЖ через РНД можно использовать и при дальнейшем разгоне и прогреве двигателя.
Эффективность «холодного» пуска повышается и при вводе ЛВЖ на всасывание дизеля. Однако в этом случае продолжительность подачи пусковой жидкости должна быть ограничена, так как по мере протекания пуска - разгона происходит повышение температуры камеры сгорания. При этом задержка воспламенения горючей смеси уменьшается, что может приводить к слишком раннему, задолго до ВМТ, воспламенению, повышенной жесткости процесса, снижению развиваемого момента или даже к появлению отрицательного момента, то есть даже к проворачиванию вала против нормального направления вращения.
Эти явления демонстрируются на рис. 2, где приведено сравнение индикаторной диаграммы цикла номинального режима дизеля 4411/12,5 (пном = 2200 мин1), первого цикла пуска (ппуск = 150 мин1) «холодного» двигателя при температуре -15 °С с подачей ЛВЖ на всасывание и с подачей смесевого топлива (ДТ+ЛВЖ) в цилиндры дизеля с помощью клапана РНД. (Экспериментальные результаты получены при испытаниях в климатической камере НТЦ Минского моторного завода).
чЧШШШШШШШ
Рис. 2. Сравнение индикаторных диаграмм (рг) циклов номинального режима (НОМ), пуска «холодного» дизеля с ЛВЖ на всасывании (ЛВЖ) и с подачей ЛВЖ через клапан РНД (РНД)
Показано, что самовоспламенение горючей смеси (ЛВЖ с воздухом) при реализации внешнего смесеобразования произошло за 30 °ПКВ до ВМТ. Максимальная скорость нарастания давления превысила 0,45 МПа/°ПКВ, в то время как на номинальном режиме она составляла 0,14 МПа/°ПКВ. Максимальное давление цикла не превысило аналогичного показателя цикла номинального режима (рг = 5,2 МПа). Максимальные значения удельных суммарных сил при пуске с ЛВЖ на всасывании достигали 5 МПа, в то время как на номинальном режиме они составляют лишь 2,5 МПа. Мгновенные значения текущих положительного и отрицательного крутящих моментов на кривошипе коленчатого вала, полученные расчетом с использованием экспериментальных индикаторных диаграмм, составляли для номинального режима соответственно +1200 и -500 Н-м. А для первого цикла «холодного» пуска с подачей ЛВЖ на всасывании они составили +750 и -1300 Н-м.
При вводе ЛВЖ через клапан РНД начало сгорания располагается вблизи ВМТ, рг достигло 5,5 МПа, хотя максимальная жесткость процесса не превысила 0,2 МПа/°ПКВ. Мгновенные значения положительного и отрицательного крутящих моментов составили: +900 и -300 Н-м.
Следует отметить, что при таком методе достигается также увеличение эффективности процесса топливоподачи (повышается мелкость распыливания) как за счет снижения вязкости подаваемого (в этом случае смесевое) топлива, так и за счет повышения и стабилизации начального давления топлива перед циклами топливоподачи [6].
После обработки экспериментальных индикаторных диаграмм получено, что при «холодном» пуске с подачей ЛВЖ на всасывании средний индикаторный крутящий момент от всех цилиндров дизеля достигал 177 Н-м (для сравнения: на номинальном установившемся режиме он составляет 288 Н-м). А при подаче ЛВЖ через РНД он достигает 321 Н-м, что даже при очевидных повышенных механических потерях приближается к номинальному эффективному крутящему моменту.
Еще более существенно искажается индикаторная диаграмма, когда после трех неудавшихся попыток пуска с подачей ЛВЖ на всасывании произошло воспламенение почти за 50 °ПКВ до ВМТ (рис. 3).
Чрезмерный прогрев двигателя произошел из-за того, что три предыдущие попытки пуска при тех же условиях окружающей среды (-15 °С) закончились неудачно, то есть пуск не состоялся, а при четвертой попытке воспламенение состоялось, и этот первый цикл и показан на осциллограмме. При таком пуске
ГПк \
Рис. 3. Индикаторная диаграмма (рг) и скорость изменения давления (dp/df) первого цикла пуска (n = 150 мин-1) дизеля 4411/12,5 с подачей ЛВЖ на всасывании при чрезмерно прогретом двигателе
мгновенный отрицательный крутящий момент достигал 2000 Н-м. Максимальное значение жесткости процесса превысило 0,4 МПа/°ПКВ. В результате существенно снизился развиваемый при пуске средний крутящий момент, который стал практически в 10 раз меньше, чем при пуске в тех же условиях, но с подачей ЛВЖ через систему с клапаном РНД.
Следует отметить, что приведенные отрицательные, даже опасные свойства метода внешнего смесеобразования по ЛВЖ появляются при нарушениях установленных техническими требованиями условий, при которых рекомендуется применение метода. Однако в реальных условиях эксплуатации редко удается строго поддерживать эти установленные ограничительные параметры.
Как правило, различные средства для облегчения пуска используются только для одной указанной цели. Это снижает рентабельность применения таких решений. То есть, например, ЭФУ в остальных эксплуатационных режимах хоть и не является помехой, но и не улучшает показатели работы двигателя.
Иначе обстоит дело, если на двигателе применена система с РНД. Она, конечно, вносит определенные усложнения в систему топливоподачи дизеля, но зато может применяться и на других эксплуатационных режимах. Так, на режимах малых нагрузок и холостых ходов, подавая к РНД не ЛВЖ, а штатное дизельное топливо, можно повышением и стабилизацией начального давления топлива в ЛВД повысить стабильность и равномерность минимальных цикловых подач и тем самым снизить минимально устойчивую частоту вращения, расход топлива и т.д.
На режимах полных нагрузок целесообразно использовать РНД для ввода в топливо, например, жидкой фазы пропан-бутана [7]. Это позволяет снизить дым-ность ОГ, а при необходимости форсировать дизель по мощности без превышения ограничительного предела дымления. Таким путем достигается также дополнительное положительное корректирование внешней скоростной характеристики дизеля.
В условиях низких температур окружающего воздуха, когда высокая вязкость топлива создает проблемы с качеством топливоподачи и распыливания топлива, добавка через клапан РНД сжиженного пропан-бутана или других легких фракций углеводородов восстанавливает эти качества.
Систему с РНД можно применять для подачи в дизель многих других топлив, особенно целесообразно региональных, альтернативных, что в определенной степени помогает решению как энергетических, так и экологических проблем. Так, в условиях нефтедобычи в северных труднодоступных районах это может быть газовый конденсат.
чЧШШШШШШШ
Рис. 4. Изменение задержки воспламенения в единицах времени (т, с) и в градусах поворота коленчатого вала (ф, °ПКВ) при разных вариантах разгона после пуска из холодного состояния (число активных, не выключенных цилиндров I = 4, 3, 2); опережение впрыска при пуске составляет 10 °ПКВ до ВМТ
Одной из особенностей холодного пуска - разгона дизеля является вероятность появления неустойчивости пуска [8]. Его существо заключается в том, что после появления первых вспышек и начала разгона двигателя неожиданно происходит прекращение самовоспламенения смеси и двигатель «глохнет». Возможность и вероятность таких явлений предусмотрена ГОСТом, согласно которому успешным считается холодный пуск дизеля, если он произошел в течение заданного времени и не более чем после трех попыток.
Такие явления объясняются тем, что чрезмерно быстрое нарастание частоты вращения вала после появления первых вспышек приводит к смещению угла начала воспламенения смеси все дальше за ВМТ, то есть в области все более низких давлений и температур, а в результате - к прекращению самовоспламенения смеси. Это явление объясняет рис. 4, где расчетным путем показано, что при разгоне холодного двигателя время задержки воспламенения (т, с) изменяется сравнительно медленно, а угловое его значение (ф, °ПКВ) возрастает чрезмерно. Изменить такую ситуацию можно практически снизив интенсивность разгона, то есть увеличив время прогрева двигателя по мере разгона, а следовательно уменьшив время задержки. Это может достигаться отключением части цилиндров двигателя после начала разгона без уменьшения цикловых пусковых подач.
Например, к третьей секунде разгона полноразмерного двигателя типа 4411/12,5 с добавкой ЛВЖ к топливу задержка воспламенения по времени (точка 2 на рис. 4) составляет 0,0129 с. То есть меньше, чем при медленном разгоне (число активных цилиндров I = 2, точка 4), когда т = 0,0132 с. Это происходит потому, что в этом случае выше частота вращения и более интенсивен прогрев двигателя. Но при этом задержка (ф) в угловых единицах (точка 1) составляет 58 °ПКВ, то есть больше, чем при медленном разгоне (точка 3, ф = 49 °ПКВ). Таким образом, при быстром разгоне раньше достигается критическая частота, при которой пропадает самовоспламенение смеси, и раньше проявляется неустойчивость пуска.
Другой способ устранения неустойчивости пуска - продолжение подачи ЛВЖ в дизельное топливо во время всего процесса разгона после пуска и стабилизации теплового состояния двигателя.
В проведенных до настоящего времени исследованиях узел с клапаном РНД
ГПк \
Рис. 5. Конструктивная схема включения узла с клапаном РНД в штатную систему топливоподачи:
1 - трубопровод от штатного ТНВД; 2 - накидная гайка; 3 - штуцер узла клапана РНД; 4 - штуцер корпуса клапана; 5 - клапан РНД; 6 - ограничитель хода клапана РНД; 7 - стяжная гайка; 8 - штуцер штатной форсунки; 9 - корпус узла клапана
всегда выполнялся так, чтобы его легко можно было монтировать на топливную систему без изменения конструкции дизеля, то есть путем модернизации. Один из вариантов такого исполнения показан на рис. 5. Очевидно, что для расширения возможностей система усложняется включением в нее источников добавок, возможно, и фильтров, необходимых трубопроводов. Дополнительных насосов, как правило, не требуется. А вот изменение нагнетательных клапанов штатного ТНВД иногда приходится осуществлять для увеличения степени разгрузки ЛВД при отсечке подачи с целью интенсификации волнового процесса в ней.
Таким образом, исследования подтвердили целесообразность организации холодного пуска дизеля подачей легковоспламеняющейся жидкости в смеси с основным дизельным топливом внутрь цилиндров с помощью системы топливоподачи с клапаном РНД. А в сочетании с методом регулирования дизеля отключением части цилиндров при разгоне после пуска обеспечивается дополнительное повышение устойчивости и надежности холодного пуска.
_Использованные источники
1. Купершмидт В.Л. Средства облегчения пуска двигателей в холодных условиях // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2001. - № 1. - С. 30-32.
2. Burke James O., Solberg Dean R. Starting fluid injection system. Пат. № 5388553. США. МКИ6 F 02 N 17/05. Опубл. 14.02.95.
3. Повышение эффективности холодного пуска дизеля / Н.Н. Патрахальцев, А.В. Фомин, Д.Х. Валеев и др. // Двигателестроение. - 1995. - № 2. - С. 79-80.
4. Патрахальцев Н.Н. Дизельные системы топливоподачи с регулированием начального давления // Двигателестроение. - 1980. - № 10. - С. 33-37.
5. Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учеб. для вузов. 2-е изд. - М.: Легион - Автодата, 2005. - 344 с.
6. Патрахальцев Н.Н., Фомин А.В. Повышение эффективности пуска - разгона дизеля созданием начального давления топлива // ДВС. Межвед. науч.-техн. сб. - Харьков: Вища школа, 1984, вып. 34. - С. 64-68.
7. Возможности форсирования дизеля изменением физико-химических свойств топлива / Н.Н. Патрахальцев, А.К. Синицын, А.А. Бадеев и др. // Строительные и дорожные машины. - 2005. - № 3. - С. 33-35.
8. Леонов О.Б., Патрахальцев Н.Н., Фомин А.В. Проблема неустойчивого пуска дизеля и пути ее решения // Известия вузов. Машиностроение. - 1999. - № 3. - С. 69-75.
