CC BY
27
УДК 621.436.001
УЛУЧШЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЕЙ,
РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ПОНИЖЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР, ОТКЛЮЧЕНИЕМ ЦИЛИНДРОВ
В. В. Горбунов1, М.М. Бендик2,|и. Ю. Олесов1
1) Кафедра комбинированных ДВС 2) Кафедра механизации и электрификации сельхозпроизводства Российскиго университета дружбы народов 117198, Россия, ул. Миклухо-Маклая, б
В статье представлена классификация климатических зон России, в которых эксплуатируются различные силовые установки с дизелями, рассмотрена работа дизеля в зонах отрицательных температур. Приведена модернизированная конструкция отключателя цилиндров и циклов с из-мененным электромагнитным узлом. Использование отключателей в топливной системе дизеля улучшает его экономические и экологические показатели.
Различные районы планеты (и в особенности Россия), в которых эксплуатируются установки с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), отличаются своими природно-климатическими условиями: районы холодного и жаркого, сухого и влажного климата и другие. Поэтому эти условия в значительной степени влияют на тепловые и другие режимы работы агрегатов и узлов силовых установок и соответственно на их техническое состояние и надежность. Например, режимы работы различных установок в условиях Севера резко отличаются от условий работы в районах с умеренным климатом и поэтому эти условия должны учитываться при проектировании, изготовлении, испытаниях, эксплуатации, техническом обслуживании и ремонте машин, чтобы обеспечить их нормальную работу.
В России существует классификация/стандарт (ГОСТ16350-80), которая предусматривает несколько климатических районов:
- умеренного; умеренно теплого; умеренно теплого влажного и теплого влажного;
- жаркого сухого; очень жаркого сухого;
- умеренно холодного; холодного и очень холодного.
В качестве основных климатических факторов при районировании территории для технических целей обычно принимают температуру и относительную влажность воздуха. При этом в каждом климатическом районе выделяют пункты, характеризующие климатический район соответственно по средним и предельным значениям основных климатических факторов.
По минусовой температуре территория России условно может быть разделена на три климатические зоны и две подзоны.
Первая зона характеризуется средней температурой января от +5 до -10°С и числом зимних дней от 70 до 140. К этой зоне относятся южные районы России.
Вторая зона - европейская часть страны, часть азиатской, районы Дальнего Востока и Камчатка. Средняя температура января колеблется в пределах от -10 до -20°С, а число зимних дней в году составляет 120- 190.
Третья зона (полярная) - районы Сибири, отличающиеся продолжительной зимой (160 -230 дней) со среднемесячной температурой от -20 до -50°С.
Первая подзона - район городов Якутска и Верхоянска, характеризуется особо низкой температурой (от -50°С и ниже) с числом зимних дней в году от 230 до 270.
Вторая подзона (арктическая) расположена вдоль побережья Северного Ледовитого океана. Средняя температура в январе достигает -30°С, число зимних дней составляет 230 -240. Характерны частые ветры со скоростью до 40 м/с (до 140 км/ч).
Во многих странах существуют сезонные условия (весенне-летний или осенне-зимний сезоны) эксплуатации транспортных средств. Они связаны с временем года (лето, осень, зима, весна) и обусловлены колебаниями температуры окружающего воздуха, изменением дорожных условий по времени года (например, повышенная температура и запыленность воздуха летом, влага, грязь, снег весной, осенью и зимой). Всё это вызывает ряд
дополнительных факторов, влияющих на показатели работы транспортных средств и их техническое состояние.
Специфика работы различных установок с ДВС в районах, атмосферные условия которых отличаются от нормальных условий окружающей среды, ставит перед эксплуатационниками задачу о внесении изменений в конструкцию серийной техники, предназначенной для эксплуатации в этих районах. Эти изменения должны повысить надежность техники и её экономическую и экологическую эффективность.
Климатические условия создают особые условия для работы, хранения, обслуживания и ремонта подвижного состава. Для холодного климатического района, расположенного, например, в северных и восточных районах страны (Ямал, Уренгой, Надым и др.), характерны не только низкая температура окружающего воздуха, ветры, но и более тяжелые дорожные условия (снег, болота, грунтовые дороги и др.).
Как правило, установки с ДВС работают в отдалении от своих производственных баз в районах расположения обслуживаемых объектов, т.е. обеспечивается использование небольших групп или одиночных силовых установок с изменяющейся дислокацией места их расположения (геологоразведка, буровые установки, прокладка нефте- и газопроводов, строительство дорог, газоперекачивающих станций и др.).
Основными факторами, влияющими на организацию технической эксплуатации установок с ДВС, являются сложные дорожные и климатические условия, кратковременная работа транспортных средств на одном месте и частые их перемещения, затрудняющие организацию технического обслуживания и ремонта, которые при этом производятся при значительном удалении от своих постоянных баз.
Часто работа силовых установок осуществляется при отсутствии каких-либо транспортных путей, в тайге, в тундре, в сложных климатических условиях, в необжитых районах, в отрыве от населенных пунктов, на расстоянии от десятков до нескольких сотен (а иногда и тысяч) километров от своих постоянных баз в течение длительного времени.
Опыт эксплуатации установок с ДВС показывает, что их надежность существенно зависит от климата. Эта зависимость особенно заметна в том случае, если установки работают в климатических условиях, на которые они не рассчитаны. Например, количество поломок, интенсивность изнашивания деталей и узлов в северных районах в три - пять раз больше, чем в условиях средней полосы.
В общем случае интенсивность изнашивания агрегатов и узлов в условиях минусовых температур выше, чем при положительных температурах, причем, наибольшее число отказов наблюдается в холодные месяцы года. Это происходит потому, что при пониженных температурах возможна конденсация паров воды в цилиндрах с образованием влаги, которая, взаимодействуя с оксидами азота и другими веществами, являющимися продуктами сгорания топлива, образует агрессивную среду, что и вызывает повышенный коррозионный износ цилиндро-поршневой группы. Наибольшие коррозионные износы наблюдаются при работе двигателя на малых нагрузках, частичных режимах, с частыми остановками, большими интервалами между пусками и т. д.
Чтобы уменьшить износ деталей двигателя и обеспечить минимальную потерю мощности, необходимо строго поддерживать нормальный температурный режим. В связи с этим температура рабочей жидкости в системе охлаждения должна быть в пределах 80 -95°С или не ниже требований завода-изготовителя.
Значительное влияние температура окружающего воздуха оказывает на работу топливной аппаратуры, так как ее элементы располагаются по всей длине силовой установки и имеют различную температуру. Часть узлов топливной системы (топливный бак, фильтр грубой очистки топлива, топливопроводы низкого давления) расположены на значительном расстоянии от двигателя и охлаждаются окружающим воздухом, а другие (насос высокого давления, фильтр тонкой очистки топлива, форсунки) - на двигателе и обогреваются от него.
Дозирование цикловой подачи топлива существенно зависит от температуры топлива вследствие влияния температуры на ее вязкость и плотность. В эксплуатационных условиях
температура топлива в головке топливного насоса высокого давления (ТНВД) дизеля может изменяться от 2 до 80°С. Причем для различных силовых установок изменение температуры топлива, как правило, различно (рис.1).
Рис.1. Зависимость максимальной температуры топлива в головке ТНВД от температуры воздуха для силовых установок на базе трактора: I - МТЗ-52; 2 - Т-150К; 3 - К-700; 4 - ДТ-75
Со снижением температуры вязкость топлива увеличивается, что приводит к укрупнению капель в факеле топлива, впрыскиваемого в цилиндр дизеля, и ухудшению распыливания и испарения топлива. При впрыскивании вязкого топлива длина факела увеличивается, часть топлива попадает на стенки камеры сгорания, что ухудшает процесс смесеобразования. В результате топливовоздушная смесь догорает на такте расширения, что ухудшает экономичность двигателя и повышает дымность и токсичность отработавших газов (ОГ).
Топливо с повышенной вязкостью плохо прокачивается по топливопроводам низкого давления и фильтрам из-за значительного гидравлического сопротивления. В результате этого подача топлива к насосу резко уменьшается, двигатель начинает работать с перебоями или может совсем заглохнуть.
Отрицательные температуры воздуха увеличивают не только вязкость топлива, но и теплоотдачу от двигателя и его агрегатов, что способствует общему росту тепловых потерь в окружающую среду.
Следовательно, при отрицательных температурах рабочий процесс двигателя имеет особенности, обусловленные как непосредственным снижением температуры входящего в цилиндры воздуха, так и общим снижением теплового состояния силовой установки из-за повышения теплорассеивания. Повышенная теплоотдача при сжатии приводит к снижению давления и температуры в цилиндрах в момент впрыскивания в них топлива. В результате индикаторная мощность падает, а эффективная мощность снижается при минусовых температурах еще больше из-за увеличения вязкости масла и механических потерь.
В связи с указанным, многие водители транспортных средств, эксплуатирующихся в районах Севера (да и в средней полосе России в зимнее время), часто вообще не останавливают двигатель в течение всей рабочей смены (а иногда и больше, особенно при безгаражном хранении), оставляя его работать на режиме холостого хода, обеспечивая тем самым двигателю минимальный температурный режим.
Все это приводит к значительному перерасходу топлива, увеличению выброса вредных веществ с ОГ в окружающую среду и снижению моторесурса силовой установки.
Для устранения указанных недостатков желательно обеспечить перевод двигателя на работу не на всех цилиндрах, а на нескольких, т.е. при работе двигателя на холостом ходу отключать ряд цилиндров, а лучше - циклов в определенной последовательности. Это позволит обеспечить двигателю требуемый температурный режим при минимальном расходе топлива.
На кафедре комбинированных ДВС РУДН в течение многих лет проводятся работы по созданию электромагнитных отключателей для дизелей, устанавливаемые в топливную систему дизеля. Их использование позволяет значительно улучшить экономические (снизить расход дефицитного моторного топлива) и экологические (уменьшить дымность ОГ) показатели.
Существуют различные методы и устройства отключения цилиндров, но наибольшей эффективностью и быстродействием отличаются способы отключения цилиндров путем разгерметизации линии высокого давления (ЛВД). При этом появляются очень ценные
(г,С
качества: возможность отключать цилиндры по одному, группами в любой
последовательности и не только одни и те же, но чередовать работающие и неработающие цилиндры. Благодаря этому появляется возможность, например, поддерживать в рабочем состоянии режим работы турбокомпрессора и не допускать скопления в нем масла. Вследствие чередования процессов сгорания в различных цилиндрах можно поддерживать на некотором среднем уровне температуры деталей цилиндро-поршневой группы и камеры сгорания (по сравнению с постоянно отключенными цилиндрами). Она является для ряда двигателей ограничивающим фактором при набросе нагрузки после длительного режима холостого хода.
Так, например, при отключении одного блока цилиндров двигателя ЯМЗ-238, работающего на режиме холостого хода (при частотах от 600 до 1800 мин'1), по методу завода-изготовителя температура левого блока изменялась в диапазоне 150-250°С, а правого
- 70-95°С, т.е. правый блок переохлаждался. При отключении же, например, четырех цилиндров (5, 10, 2, 9-го) при помощи отключателей изменение температуры ОГ на тех же режимах составило 105-180°С для левого и 115-180°С для правого ряда цилиндров, т.е. двигатель работает в оптимальном температурном режиме.
Принцип работы электромагнитных отключателей заключается в использовании волновых процессов в топливопроводах высокого давления. Этот принцип подробно рассмотрен в работах [2,3]. В данной статье рассматривается малогабаритная модернизированная конструкция отключателя, которая показана на рис.2.
Отключатель содержит корпус 1, в котором установлен обратный клапан 2. Штуцером 3 клапан присоединяется к штуцеру форсунки, а другим 4 - к трубопроводу высокого давления ТНВД. (При невозможности крепления его к форсунке корпус можно присоединять к штуцеру головки ТНВД).
Вид по о
----------- Є
Рис. 2. Конструктивная схема модернизированного отключателя цилиндров и циклов (а) и общий вид его корпуса (б, в) (размеры приведены как справочные):
I - корпус отключателя; 2 - корпус электромагнитного привода; 3 - прокладки; 4 - крышка; 5 -катушка; 6 - якорь; 7 - стакан; 8 - трубка для слива топлива; 9 - пружина якоря; 10 - шток; 11 - седло клапана; 12 - обратный клапан; 13 - пружина клапана; 14 - гайка; 15 - кольцо А - плюсовая и Б- минусовая клеммы катушки
Якорь изготовлен из магнитопроводного материала и имеет коническо-цилиндрическую форму, что позволяет увеличить магнитный поток и, как результат, - увеличить усилие на штоке при его малом ходе (увеличить силу, действующую на шток по его оси).
Для увеличения быстродействия клапана на поверхность якоря нанесено гальваническое немагнитное покрытие толщиной 0,1 мм, что также предотвращает «залипание» якоря. Разработаны две конструкции корпуса (рис.2, б, в) отключателя, что позволяет использовать (в зависимости от конструктивного исполнения элементов топливной аппаратуры) тот или иной корпус отключателя.
Соединение отключателя с элементами топливной аппаратуры дизеля (штуцером ТНВД или форсункой) осуществляется с помощью специальной гайки 14, снабженной кольцом 15.
Общее конструктивное исполнение отключателя ясно из рис.2.
Наряду с вышеуказанным, следует отметить,что рассмотренная конструкция отключателей может с успехом использоваться не только на автотранспортных средствах, но и на различных силовых установках с ДВС, применяемых в сельскохозяйственном производстве. В сельхозпроизводстве страны используется большой парк машин, оборудованных, в основном, дизелями (трактора, комбайны, сельхозорудия и др.). Часть этих машин работает и в зимнее время года (особенно это относится к тракторам): на подвозке кормов, вывозке сельхозпродукции, различных транспортных работах и пр.
Кроме того, предложенные отключатели можно использовать и на установках, работающих и в летнее время, особенно для тех установок, которые значительную часть времени работают на частичных режимах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Семенов Н.В. Эксплуатация автомобилей в условиях низких температур. -М.: Транспорт, 1993.-190 с.
2. Патрахальцев Н.Н. Системы топливоподачи с регулированием начального давления // Двигателестроение. -1986. -№10. - С.49-50.
3. Виноградов JI.B., Горбунов В.В., Патрахальцев Н.Н. Применение газовых топлив в двигателях внутреннего сгорания. - М.: ИРЦ Газпром, 1996. -187 с.
UDC 621.436.001
IMPROVING OF ECONOMICAL AND ECOLOGICAL PARAMETERS OF DIESELS WORKING AT MINUS TEMPERATURES BY CAT-OFF CYLINDERS
Gorbunov V.V., Bendik M.M.Joiesov I.Yu 1
Department of Internal Combustion Engines Russian Peoples’ Friendship University Miklukho-Maklaya st., 6, 117198, Moscow, Russia
The article describes classification different climatic zones of Russia and special zones with minus temperatures. For improving characteristics of diesels working in such zones specials electromagnetic cut-off valves are used.
