Технические науки/4. Транспорт

Смолин А.А.

Омский филиал военной академии тыла и транспорта

Обеспечения надежного пуска двигателей при низких температурах

Процесс пуска поршневого двигателя можно разделить на три фазы, отличающиеся друг от друга условиями протекания и характеристикой энергетического баланса [1].

Первая фаза пуска состоит в провертывании коленчатого вала стартером до появления вспышек в цилиндрах и осуществляется за счет использования энергии внешнего источника.

Исходя из теоретических представлений о процессах сгорания, поршневых двигателях, можно заключить, что в течение первой фазы необходимо, прежде всего, накопить в зонах будущего воспламенения такое количество паров и мелких капель топлива, которое обеспечило бы обогащение смеси до а = 0,8-0,9. Кроме этого, чтобы создать требуемое ускорение предпламенных физико-химических превращений, которые могли бы перейти в тепловой взрыв, к смеси необходимо подвести достаточную тепловую энергию, используя для этой цели искровой разряд или повышение температуры при сжатии рабочего тела [2,3],.

С появлением первых вспышек начинается вторая фаза пуска – ускорение вращения коленчатого вала за счет совместной работы двигателя и стартера. В этой фазе состав паровоздушных зон, в которых происходит воспламенение, должен сохраняться близким к оптимальному (а = 0,8-0,9), обеспечивающему наибольшую скорость распространения пламени.

Очень важно также, чтобы количество топлива, поступающего в цилиндры в течение второй фазы, было бы достаточным для осуществления увеличивающейся от цикла к циклу индикаторной работы, способной преодолеть сопротивление провертыванию механизмов двигателя и обеспечить его разгон.

При благоприятном развитии процессов частота вращения во второй фазе увеличивается, и двигатель выходит на режим устойчивого холостого хода, при котором обеспечивается стабильное питание достаточным количеством топлива и происходит быстрое его воспламенение и сгорание. Этот режим является третьей фазой пуска, состоящей в самостоятельной работе двигателя без стартера.

В течение третьей фазы осуществляется прогрев деталей, стабилизация рабочих процессов и окончательная подготовка двигателя к принятию нагрузки. Частота вращения при прогреве устанавливается достаточной для устойчивой работы, но не должна превышать 1000-1700 мин^-1 с тем, чтобы исключить чрезмерные пусковые износы [2].

Из приведенного описания процессов следует, что для обеспечения быстрого и надежного пуска двигателей необходимо:

— создать в зоне будущего воспламенения оптимальную концентрацию паров топлива, смешанных с воздухом;

— своевременно и в нужном количестве подвести к ним тепловую энергию, обеспечивающую воспламенение;

— снизить до допустимых значений момент сопротивления провертыванию коленчатого вала.

Создание таких условий, в свою очередь, зависит от ряда факторов, основными из которых являются температура окружающего воздуха, физико-химические свойства горюче-смазочных материалов, конструктивные особенности двигателя и его систем. При заданных внешних условиях и установленных сортах топлива и масла надежность и продолжительность пуска двигателя данной конструкции целиком определяется режимом осуществления, т. е. скоростью провертывания коленчатого вала стартером или пусковыми оборотами.

Уменьшение пусковых оборотов существенно увеличивает длительность пуска, а при некотором слишком низком значении n_п он становится вообще невозможным.

Еще более существенно влияние пусковых оборотов на пуск дизелей. При малой скорости провертывания коленчатого вала и низких температурах окружающей среды происходит увеличение Цикловой утечки заряда и усиление теплоотдачи в стенки, что значительно снижает параметры воздуха в конце сжатия. Топливо, впрыснутое в воздух с невысокой температурой, нагревается и испаряется слишком медленно, а зарождающиеся этих условиях цепочные процессы не обеспечивают достаточного Скопления теплоты и саморазогрева заряда.

Исследования показывают, что для ускорения физико-химической подготовки топлива и своевременного его воспламенения температура заряда в конце сжатия должна повышаться не менее чем до 300-350 °С [1,2]. Поскольку, при недостаточно высокой частоте вращения и низких температурах окружающего воздуха параметры заряда не достигают указанного уровня, пуск дизеля в этом случае оказывается практически невозможным.

Наименьшая чистота вращения коленчатого вала, при которой может быть осуществлен пуск двигателей, по существу характеризует создание достаточно благоприятных для образования горючей смеси и ее воспламенения условий. Минимальные пусковые обороты (n_п.min) – это наименьшая при данных условиях частота вращения коленчатого вала, при которой обеспечивается пуск не более чем за две попытки продолжительностью по 10 с для бензиновых двигателей и по 15 с для дизелей с интервалом между попытками в 1 мин [3].

Значение n_п.min определяется графически по полученным экспериментальным зависимостям продолжительности пуска. Минимальные пусковые обороты зависят от температуры окружающей среды и для бензиновых двигателей колеблются в пределах 20-70 мин^-1. Для надежного пуска дизелей требуются значительно большие n_п.min , составляющие при t = 0 – минус 10 °С 70-90 мин^-1 и повышающиеся 180-240 мин ^-1 при минус 15-17 °С [3].

Поскольку n_п.min определяет скоростной режим, при котором устанавливается благоприятная для воспламенения и сгорания заряда ситуация, то, используя этот показатель, можно сформулировать необходимое и достаточное условие надежного пуска двигателей. Оно состоит в том, что действительная частота вращения коленчатого вала при пуске должна превышать установленные минимальные пусковые обороты n_п>n_п.min.

Отсюда, для обеспечения требуемых пусковых свойств силовых установок необходимо, с одной стороны, повышать частоту вращения коленчатого вала при пуске, а с другой – воздействовать на факторы, позволяющие снижать п_п.min.

Частота вращения коленчатого вала при пуске определяется энергетическими характеристиками электропусковой системы и моментом сопротивления двигателя.

Крутящий момент (М^пр_ст), развиваемый стартером, имеет максимальное значение при n=0 и падает с увеличением частоты вращения. Момент сопротивления провертыванию коленчатого вала также зависит от частоты вращения и сражается зависимостью

М_т=225·10^-4А_двν^0,36n^0,25, Нм, (1)

где А_дв – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции двигателя и частоты вращения; ν – вязкость моторного масла, сСт.

Поскольку при включении стартера М^пр_ст > М_Т, то двигатель из состояния покоя разгоняется до момента (при t =+10 ºС), в котором наступает равенство моментов и устанавливается пусковая частота вращения n_п1. С целью наилучшего использования возможностей стартера это точка должна сходиться в зоне максимальной его мощности, что обеспечивается правильным выбором передаточного отношения привода.

Энергетические показатели электропусковой системы зависят также от температуры окружающей среды. С понижением последней мощность и крутящий момент стартера заметно уменьшаются, что связано с ухудшением действительных характеристик аккумуляторной батареи.

Низкие температуры оказывают существенное влияние и на момент сопротивления провертыванию коленчатого вала при пуске, что вызвано, главным образом, значительным изменением физических свойств моторного масла. Опытные данные показывают, что при падении температуры масла АС-8 с +20 до минус 30 его вязкость увеличивается в 200 раз (до 20 000сСт) и приводит к резкому увеличению момента сопротивления М_т. Рост М_т смещает рабочую точку на характеристике стартера влево, и пусковая частота вращения в этих условиях значительно снижается. Отмеченное явление усугубляется тем, что на данном режиме увеличивается ток, потребляемый стартером, а его мощность становится меньше максимальной. Пусковая частота вращения, требующая большого разрядного тока, в значительной мере зависит от емкости и степени заряженности аккумуляторной батареи. Большое значение имеет также температура ее электролита, при понижении которой ухудшается энергоотдача.

Поэтому для обеспечения надежного пуска двигателей при низких температурах необходимо использовать маловязкие масла. Лучшие результаты дает применение загущенных масел: всесезонного М-6з/10В (ДВ-АСЗп-l0B) или зимнего М-4з/6В, (АСЗп-6). Последнее масло, обладая наиболее пологой вязкостно-температурной характеристикой, имеет при минус 25 °С вязкость 1500 сСт и позволяет существенно повысить пусковую частоту вращения.

В целом изложенные данные позволяют прийти к заключению, что в связи с большими трудностями обеспечения требуемых пусковых оборотов надежный пуск холодных бензиновых двигателей может быть практически осуществлен при температурах окружающего воздуха не ниже минус 20-25 °С, а дизелей – минус 15-17 °С [3].

Дальнейшее снижение температурных пределов надежного пуска холодных двигателей требует значительного повышения мощности стартера и, как показывают расчеты, вызывает существенное увеличение массы и стоимости электропусковой системы.

В связи с этим наиболее рациональным направлением улучшения пусковых свойств силовых установок является использование методов, создающих более благоприятные условия для смесеобразования и воспламенения топлива и позволяющих снизить требуемые значения минимальных пусковых оборотов.

Литература:

1. Костин, А.К. Работа дизелей в условиях эксплуатации [Текст]: Справочник / А.К. Костин, Б.П. Пугачев, Ю.Ю. Кочинев.- Л.: Машиностроение, 1989. – 284 с.

2. Квайт, С.М. Пусковые качества и системы пуска автотракторных двигателей [Текст]/ С.М. Квайт, Я.А. Менделевич, Ю.П. Чижков Москва: Машиностроение, 1990.– с.256

3. Бурячко, В.Р. Автомобильные двигатели: Рабочие циклы. Показатели и характеристики. Методы повышения эффективности энергопреобразования [Текст] / В.Р. Бурячко, А.В. Гук. - СПб.: НПИКЦ, 2005. – С. 47-70, 101-120, 247-292.