Технические науки / 4 Транспорт

К.т.н. Бондарь В.Н.

Южно-Уральский государственный университет

(национальный исследовательский университет)

Особенности пуска дизелей типа Ч13/14 и ЧН13/14

в условиях низких температур окружающего воздуха

Пусковые характеристики дизелей во многом определяют потребительские свойства объектов их применения. Дизели типа Ч13/14 и ЧН13/14 широко применяются в составе тракторов, комбайнов, сельскохозяйственных машин, энергоустановок и т.д. Для оценки эффективности различных мероприятий по улучшению пусковых свойств дизелей типа Ч13/14 и ЧН13/14 были проведены испытания двигателей Д-442И и Д-461И с индивидуальными головками цилиндров в различных вариантах комплектации (в том числе турбокомпрессором (ТКР) и без). На дизелях Д-461И отсутствует декомпрессионный механизм, но увеличена на 40 % цикловая подача топлива на пусковых режимах, введен двухступенчатый (двухскоростной) редуктор пускового двигателя. Базовые модели дизелей оборудуются системами пуска с пусковым двигателем, а модели с турбонаддувом системами пуска, как с пусковым двигателем, так и с электростартером (ЭССП)). Дизели с электростартерной системой пуска также могут быть оборудованы устройствами электрофакельного подогрева впускного воздуха (ЭФП).

Проведение пусковых испытаний в условиях окружающей среды крайне неэффективно, так как возможно только зимой при нестабильных температурах воздуха. Проведение испытаний в составе объекта в «климатических» камерах большого объема требует существенных затрат. Поэтому в настоящем исследовании пусковые испытания проводились в специальной «климатической» камере ОАО «Научно-исследовательский институт автотракторной техники» (г. Челябинск). «Климатическая» камера (габаритные размеры (Д x Ш x В) – 5 х 5 х 2,7 м, объем камеры, 67,5 м³) обеспечивает минимальную температуру окружающей среды -55 °С, максимальная отводимая от объекта испытаний тепловая мощность в условиях теплового баланса – 130 кВт. Объект испытаний помещается на перекатной стенд и подсоединяется к измерительным системам. Методика испытаний – по ГОСТ 18509, требования к номинальным пусковым характеристикам – по ГОСТ 20000.

Испытания показали, что наличие газотурбинного наддува не сказывается на пусковых характеристиках двигателей. Пусковые характеристики дизелей Д-442И и Д-461И с электростартерной системой пуска приведены на рис. 1.

а) б)

Рис. 1. Пусковые характеристики дизелей Д-442И (а):

1 – t₀=-5 °C без ЭФП и обогатителя, 2 - t₀=-10 °C без ЭФП, с обогатителем, 3 - t₀=-10 °C с ЭФП, 4 - t₀=-15 °C с ЭФП, 5 - t₀=-20 °C с ЭФП; Д-461И (б): 1 – t₀=-10 °C без ЭФП и обогатителя, 2 - t₀=-15 °C с ЭФП, 3 - t₀=-20 °C с ЭФП

Сравнение характеристик показывает на более высокие пусковые качества дизеля Д-461И по сравнению с Д-442И. Дизель Д-461И без применения ЭФП и пускового обогатителя топлива запускается при температуре минус 10 °С, тогда как Д-442И без ЭФП и обогатителя топлива – минус 5 °С. При температуре минус 10 °С дизель Д-442И запускается с применением пускового обогатителя топлива. С применением ЭФП при температуре минус 20 °C дизель Д-461И запускается при частоте вращения коленчатого вала около 100 мин^-1, а дизель Д-442И – при частоте 135 мин^-1. Минимальная температура пуска дизелей Д-442И и Д-461И без применения ЭФП составляет минус 10 °C, а с применением ЭФП – минус 15 °C для дизеля Д-442И и минус 20 °C для дизеля Д-461И. Запуск дизеля Д-442И при температуре минус 20 °C обеспечивается при использовании для питания стартера 321.3708 полностью заряженных аккумуляторных батарей.

Анализируя характеристики прокручивания коленчатого вала дизелей, приведенные на рис. 2, необходимо отметить, что дизель Д-461И при температуре минус 20 °C на масле М-4з/8В₂ прокручивается с частотой 100…110 мин^-1, а дизель Д-442И – с частотой 120 мин^-1.

Зависимость момента сопротивления прокручиванию коленчатого вала дизелей от температуры показана на рис. 3. Момент сопротивления прокручиванию дизеля Д-461И на 12…13 % выше, чем дизеля Д-442И.

Рис. 2. Характеристика прокручивания коленчатого вала

дизелей Д-461И (1, 3, 5, 7) и Д-442И (2, 4, 6, 8) на масле М-8Г_2К (3,4,7,8)

и М-4_З/8В₂ при температуре t₀=-10 °C (1, 2, 3, 4) и t₀=-20 °C (5, 6, 7, 8)

Рис. 3. Зависимость момента сопротивления прокручиванию

коленчатого вала дизелей:

1, 3 – Д-461И, 2, 4 – Д-442И; 1, 2 – масло М-4_з/8В₂, 3, 4 – масло М-8Г_2К

Применение маловязкого масла М-4з/8В₂ позволяет снизить момент сопротивления в среднем на 20 %, что, в свою очередь, обеспечивает повышение скорости прокручивания на 16…18 %.

Кроме повышения скорости прокручивания применение масла М-4з/8В₂ позволяет уменьшить время задержки появления давления масла в главной магистрали. При температуре минус 10 °C на масле М-8Г_2К и при температуре минус 20 °C на масле М-4з/8В₂ продолжительность задержки появления давления масла в ГММ дизеля Д-461И практически одинакова и составляет около 10 с от начала прокручивания. Давление масла М-8Г_2К при температуре минус 20 °C появляется только через 35…40 с от начала прокручивания.

При проведении испытаний двигателя Д-461И с ЭССП при температуре окружающего воздуха минус 40 °C был использован подогреватель ПЖД-30. В процессе проведения опыта подогреватель проработал около 30 мин, за это время температура антифриза на выходе из двигателя достигла 53 °C, а масло в поддоне (область маслощупа) нагрелось до 5 °С, время пуска составило 6 с (масло М-8Г_2К).

Характеристики прокручивания коленвала дизелей с ЭССП приведены на рис. 4.

Рис. 4. Характеристика прокручивания коленчатого вала дизеля Д-461И:

1, 2 - двухскоростной редуктор, ускоренная передача, 3, 4 - двухскоростной редуктор, замедленная передача 5, 6 – односкоростной редуктор;

1, 3, 5 – масло М-4_з/8В₂, 2,4,6 – масло М-8Г_2К

Частота прокручивания дизеля Д-442И на маслах М-8Г2К и М-4з/8В₂ при температуре минус 10 °C составляет соответственно 225 и 233 мин^-1, а при температуре минус 20 °C – 152 и 200 мин^-1. При температуре минус 20 °C начало прокручивания коленвала дизелей затруднено даже на масле М-4з/8В₂ и происходит только после длительной работы пускового двигателя (не менее 4…5 мин для дизеля Д-442И и не менее 8…10 мин для дизеля Д-461И) на холостом ходу, которая необходима для его прогрева и подготовки к принятию нагрузки.

Применение двухскоростного редуктора в системе пуска дизеля Д-461И облегчает работу пускового двигателя за счет использования замедленной передачи в начальный период прокручивания. После прокручивания коленвала дизеля на замедленной передаче в течение 1,5...2 мин при температуре минус 20 °C пусковой двигатель обеспечивает прокручивание коленвала на ускоренной передаче. На замедленной передаче частота прокручивания коленвала дизеля составляет 80…90 мин^-1, а на ускоренной (прямой) передаче при температуре минус 20 °C на масле М-8Г_2К – 135 мин^-1, на масле М-4з/8В₂ – 180 мин^-1.

Анализ характеристик продолжительности пуска (рис. 5) показывает, что продолжительность пуска дизеля Д-461И выше, чем дизеля Д-442И, особенно при температурах минус 15 °C и ниже.

а) б)

Рис. 5. Характеристики продолжительности пуска

дизелей Д-442И (а) и Д-461И (б) пусковым двигателем П-530-1:

1,2 – без ЭФП, 3,4 – с ЭФП; 1,3 – масло М-4_з/8В₂, 2,4 – масло М-8Г_2К

Это увеличение продолжительности пуска связано с дополнительным временем прокручивания коленвала дизеля на замедленной передаче редуктора, тогда как пуск дизеля Д-442И производится на одной передаче. Однако общее время работы пускового двигателя с применением односкоростного редуктора больше на 5…7 мин, чем с применением двухскоростного редуктора, так как. ГОСТ 18509 предусматривает определение продолжительности пуска дизеля временем прокручивания коленчатого вала до отключения пускового устройства.

Таким образом, по результатам экспериментального исследования можно сделать следующие выводы:

1. Применение ЭФП позволяет снизить минимальную температуру пуска дизелей с ЭССП на масле М-8Г_2К с минус 5 °С до минус 10 °C, на масле М-4з/8В₂ – до минус 20 °C, с пусковым двигателем П-350-1 на масле
М-8Г_2К до минус 15 °C, на масле М-4з/8В₂ – до минус 25 °C. Применение пускового обогатителя топлива позволяет снизить минимальную температуру пуска дизелей на 5 °C (до минус 10 °C).

2. Применение двухскоростного редуктора облегчает работу пускового двигателя при его подготовке к выходу на полную мощность и сокращает общую продолжительность его работы при пуске дизеля при низких температурах на 5…7 мин.

3. Применение пускового подогревателя обеспечивает пуск дизелей типа Ч413/14 и ЧН13/14 при температуре до минус 40 °C.

Результаты исследования были использованы ОАО «ПО Алтайский моторный завод» при модернизации выпускаемой продукции и разработке новых моделей двигателей.