УДК 621.04

Преимущества адаптивной системы подогрева воздуха при пуске дизеля в условиях низких температур

Козлов А.А., Иванов В.В., Гранкин М.Г.

Омский автобронетанковый инженерный институт

Аннотация: Вопросы пуска дизелей в условиях отрицательных температур являются актуальными для современного транспортного комплекса. В данной статье рассматривается принцип действия и преимущества адаптивной системы подогрева воздуха при пуске дизеля в условиях низких температур окружающего воздуха.

Ключевые слова: пуск дизеля, адаптивная система, силовая
установка, воздушный заряд, подогрев.

The summary: Questions start diesels in freezing conditions are relevant to modern transport complex. This article discusses the principle of operation and advantages of an adaptive system of heating of air at start-up of a diesel engine at low ambient temperatures.

Keywords: Start diesel, adaptive system, powerplant, air charge, heated.

Более 80 % территории Российской Федерации, государства Северной Европы, Канада, Соединенные Штаты Америки находятся в климатических зонах, связанных с преобладанием низких температур окружающего воздуха. Освоение северных регионов по вопросам добычи природных ресурсов усиливает необходимость работы в данном направлении.

Обеспечение надежного пуска двигателей внутреннего сгорания в условиях отрицательных температур является актуальной проблемой современного транспортного комплекса.

Проблеме пуска дизелей при их эксплуатации в районах с морозным климатом, где большую часть времени года преобладают отрицательные температуры воздуха, уделяется особое внимание. В таких условиях пуск дизелей значительно осложняется. Без средств облегчения запуска дизельные двигатели с трудом запускаются даже при температурах 0...+5 °С.

Одним из решений этой проблемы является совершенствование силовых установок системами, обеспечивающими надежный пуск.

Пуск дизелей в значительной степени осложняется особенностями процессов смесеобразования и воспламенения топлива. Для самовоспламенения топлива должна быть обеспечена высокая степень сжатия воздуха в цилиндре. Поэтому у дизелей минимальная пусковая частота вращения коленчатого вала значительно выше, чем у бензиновых двигателей. При низкой частоте вращения вала происходит утечка воздуха через неплотности поршневых колец и клапанов и повышенная отдача теплоты в стенки цилиндров вследствие большей продолжительности цикла. При низкой температуре заряда понижается температура конца процесса сжатия, заряд не нагревается при впуске, а, наоборот, охлаждается холодными стенками цилиндра во время процесса сжатия. При медленном движении плунжера топливного насоса ухудшается распыливание топлива, чему также способствует повышенная вязкость холодного топлива[1].

Для облегчения и ускорения пуска двигателей осуществляют мероприятия, обеспечивающие интенсификацию физико-химической подготовки горючей смеси к ее воспламенению и уменьшение момента сопротивления прокручиванию коленчатого вала двигателя.

К таким мероприятиям можно отнести следующие [2]:

- увеличение степени сжатия воздуха в цилиндре позволяет добиться более высокой температуры воздушного заряда в цилиндре двигателя в конце процесса сжатия и облегчить процесс самовоспламенения топлива. Но при увеличении степени сжатия может возникнуть необходимость внесения конструктивных изменений в двигатель, что не всегда является целесообразным. В то же время, чем выше степень сжатия воздуха в цилиндре, тем большее сопротивление создаётся при прокручивании коленчатого вала;

- обогащение смеси, то есть увеличение подачи топлива
в 1,8-2,5 раза. В этом случае стремятся получить необходимое для самовоспламенения количество топливных паров в цилиндре двигателя. Самым очевидным недостатком такого способа является повышенный расход топлива;

- уменьшение угла опережения зажигания и впрыскивания топлива. Применительно к дизелям его устанавливают в пределах
16...22 град ПКВ до ВМТ, например, с помощью центробежного автомата опережения впрыскивания. При этом топливо впрыскивается в уже достаточно разогретую воздушную среду, что облегчает его самовоспламенение. Недостатком является то, что сокращается время, отведенное для процесса сгорания;

- калоризаторный пуск, т.е. облегчение пуска дизеля с помощью устновленных непосредственно в камерах сгорания свечей накаливания (спиральных или штифтовых). Такие свечи применяют для пуска только в дизелях с разделёнными камерами. Они обеспечивают надёжный пуск дизеля до температуры окружающей среды -25 °С;

- применение легковоспламеняющихся пусковых жидкостей, распыливаемых во впускном трубопроводе двигателя специальными пусковыми приспособлениями, устанавливаемыми вблизи впускного трубопровода. Такие пусковые системы обеспечивают надёжный пуск двигателя до температуры -40 °С, но требуют установки дополнительной аппаратуры для подачи пусковой жидкости в виде эмульсии во впускной трубопровод;

- разогрев воздуха на впуске. Воздух разогревают с помощью свечи или спирали подогрева, электрическими или электрофакельными подогревателями, а также подогревателями, использующими теплоту отработавших газов пускового двигателя;

- применение специальных масел, а также декомпрессионных устройств, уменьшающих момент сопротивления проворачиванию коленчатого вала. Декомпрессионные устройства включают при раскрутке коленчатого вала до пусковой частоты вращения, после чего декомпрессионное устройство выключают, а двигатель пускают [3].

Также при низких температурах окружающего воздуха применяют для прогрева двигателей жидкостные или воздушные (для дизелей с воздушным охлаждением) подогреватели. Предварительный подогрев двигателя с помощью подогревателей значительно уменьшает сопротивление прокручиванию коленчатого вала двигателя за счет уменьшения вязкости смазочного масла с повышением температуры, а также улучшает воспламенение рабочей смеси за счет повышения её температуры в конце сжатия и температуры стенок цилиндра [4].

При всем многообразии мероприятий, облегчающих пуск дизелей в условиях отрицательных температур, условно их можно разделить на две основные группы:

мероприятия, обеспечивающие надежный пуск дизеля;

мероприятия, обеспечивающие сохранение ресурса дизеля при работе в условиях отрицательных температур.

К первой группе мероприятий можно отнести подогрев таких сред, как топливо (обеспечив наименьшую его вязкость, и как следствие, более качественный его распыл) и воздушный заряд (обеспечив при этом большую его температуру в конце такта сжатия, необходимую для надежного воспламенения топлива).

Ко второй группе относим подогрев таких сред как охлаждающая жидкость и моторное масло, обеспечив равномерное повышение температуры двигателя, моторного масла, уменьшив сопротивление, возникающие при трении деталей двигателя, особенно цилиндро-поршневой группы (сохраняя тем самым ресурс двигателя)[5].

В настоящее время самым распространенным средством подогрева воздушного заряда дизелей являются системы электрофакельного подогрева. Недостатком данных систем являются:

открытое горение во впускном коллекторе;

уменьшение массы кислорода во впускном заряде;

повышенная пожарная опасность;

быстрый выход из строя элементов системы (продукты горения, закоксованность);

регулировка процесса производится непосредственно водителем и другие.

В качестве исполнительного механизма подогрева воздушного заряда предлагается использование электронагревателей.

Система подогрева воздушного заряда может использоваться, как отдельно (в случае ограничения времени на основной прогрев двигателя), так и совместно с предпусковыми подогревателями (без уменьшения ресурса двигателя).

Предлагаемая адаптивная система подогрева воздушного заряда обеспечивает автоматическое регулирование температуры подогрева воздушного заряда во впускном коллекторе, до оптимальных значений, необходимых для надежного пуска дизеля.

Данная система исключает человеческий фактор, отвлекаемость водителя на другие процессы.

В зависимости от показаний датчиков температуры окружающего воздуха, система производит подогрев воздушного заряда до оптимальных значений, не перегревая его, тем самым обеспечивая экономию электроэнергии бортовой сети автомобиля.

Таким образом, преимуществами предложенной системы являются:

полная автоматизация процесса подогрева воздушного заряда;

исключение открытого горения в коллекторах;

сохранение большей массы кислорода во впускном заряде;

исключение закоксованности исполнительных механизмов, находящихся во впускном коллекторе;

оптимизация использования энергии на подогрев воздушного заряда;

повышение пожарной безопасности при работе системы.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что преимущества адаптивной системы подогрева воздушного заряда в вопросах пуска дизеля в условиях отрицательных температур очевидны. Данное обстоятельство объясняется тем, что данная система позволяет с большей эффективностью обеспечить надежный пуск дизеля, при этом свести к минимуму энергозатраты на процесс подогрева.

Библиографический список

1. Вырубов Д.Н. Смесеобразование в двигателях дизеля. Сб. Рабочие процессы внутреннего сгорания. [Текст] / Д.Н. Вырубов //. Машгиз, 1947, С. 5-54.

2. Ефимов С.И. Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / С.И. Ефимов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин и др.; под общ. ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1985. - 456 с.

3. Лосавио Г.С. Исследование пусковых качеств и пусковых износов дизельного двигателя при низких температурах. [Текст]/ Г.С. Лосавио //. «Автомобильный транспорт», 1964, №6. С.25-27.

4. Купершмидт В.Л. Улучшение пуска дизеля Д-37. [Текст]/ В.Л. Купершмидт, В.В. Эфрос //. "Техника в сельском хозяйстве", 1967, №. 12.

5. B. Kegl et al., Green Diesel Engines, Chapter 2, Lecture Notes in Energy 12, DOI 10.1007/978-1-4471-5325-2_2, © Springer-Verlag London 2013.