2.6 Система предпускового подогрева.

Для запуска поршневого двигателя при низких температурах необходим предпусковой подогрев охлаждающей жидкости и масла, деталей цилиндропоршневой группы, подшипников и других составных частей поршневого двигателя, а также, при необходимости, и масла трансмиссии до уровня, при котором возможна прокрутка двигателя и создания условий самовоспламенения топлива в цилиндрах.

На всех ВГМ с поршневыми двигателями жидкостного охлаждения устанавливаются подогреватели жидкостного типа. Подогреватель включается в систему охлаждения двигателя и обеспечивает циркуляцию в ней подогретой жидкости. Обычно направление циркуляции жидкости при работе подогревателя такое же, как и при работе двигателя. Однако, возможно применение схем и с противоположным направлением циркуляции.

Основным параметром, характеризующим подогреватель, является его тепловая мощность Q_h которая в зависимости от типа ВГМ составляет 35...115 кВт (большие значения относятся к подогревателям основных танков). Кроме того, возникает необходимость в подогреве воздуха, который может использоваться для обогрева аккумуляторных батарей, обитаемых отделений и других целей.

К современным подогревателям предъявляются следующие основные требования:

- надежный пуск при любой температуре окружающего воздуха за время не более 1 мин;

- возможность использования различных топлив;

- снижение тепловой мощности подогревателя при переходе с дизельного на другой вид топлива должно быть не более 15%;

- удельная тепловая мощность подогревателя при работе на дизельном топливе должна быть не менее 4·10³ вт на 1 литр объёма и 3·10³ вт на 1 кг массы подогревателя;

- удельный расход топлива подогревателя должен быть не более 1,3·10^-4 кг/(Вт·ч);

- гарантийный срок службы подогревателя должен быть не менее 150 ч;

- обеспечение работоспособности во всём диапазоне допустимого изменения напряжения бортовой сети;

- обеспечение автоматического управления и регулирования системы подогрева;

- пожаробезопасность.

Необходимая тепловая мощность подогревателя Q_h определяется как сумма отношения полезно используемой теплоты Q_u ко времени Т_h, в течение которого требуется разогреть СУ, и потерь в окружающую среду q_РАС:

При расчёте мощности подогревателя задаются следующие параметры:

- температура окружающего воздуха, Т₀ = -40...-50°С;

- температура, до которой нужно нагреть антифриз. Т_а = 105...115°С;

- температура нагрева основных деталей двигателя (на 20...25°С ниже температуры нагрева антифриза), Т_е = 80...95°С;

- температура, до которой нужно нагреть масло, Т_м = 5...10°С;

- масса антифриза, заправляемого в систему охлаждения. кг;

- масса двигателя, радиаторов, масляного бака, кг;

- площади поверхностей, от которых происходит отдача тепла в окружающую среду, м²;

- время, в течение которого требуется разогреть СУ, Т_h, с.

Величина Q_u представляет собой количество теплоты, необходимое для нагрева антифриза, двигателя, масла в масляном баке, металла бака, металла радиатора.

Расчёт каждой составляющей производится по формуле:

где с_i - удельная теплоёмкость, кДж/(кг·К);

m_i - масса, кг;

T_k,i - конечная температура, °С.

Потеря теплоты в окружающую среду складывается из теплоотдачи двигателя, стенок масляного бака, радиаторов. Каждая из составляющих может быть определена по формуле:

где α_i - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К);

F_i - площадь поверхности, от которой отводится тепло, м²;

- средняя температура стенок, ⁰С.

При определении потерь теплоты принимаются следующие значения коэффициентов теплоотдачи:

- для нагреваемых частей двигателя, α_е = 1.8...2.3 Вт/(м²·К);

- для радиатора, α_Р = 1,4...1,6 Вт/(м²·К);

- для масляного бака, α_Б = 2,3...2,9 Вт/(м²·К).

Расчёт подогревателя является ориентировочным. Потребная тепловая мощность уточняется по результатам климатических испытаний опытных образцов.

Рис.2.30. Жидкостной подогреватель:

1 – насосный агрегат; 2 – камера сгорания; 3 – газожидкостной теплообменник.

Жидкостной подогреватель (рис.2.30) состоит из трёх основных частей: насосного агрегата с электроприводом, камеры сгорания, газожидкостного теплообменника.

Рис.2.31. Насосный агрегат:

1 – жидкостной насос; 2 – вентилятор; 3 – электродвигатель; 4 – топливный насос.

Насосный агрегат (рис.2.31) представляет собой устройство, состоящее из вентилятора, топливного и жидкостного насосов, приводимых от одного электродвигателя. Удельное потребление электроэнергии подогревателем должно быть не более 8·10^-3 Вт/Вт.

Подача воздуха в камеру сгорания осуществляется центробежным вентилятором. Крыльчатка ветилятора изготавливается из алюминиевого сплава. Вентилятор потребляет значительную часть мощности электродвигателя и расход воздуха является основным фактором, ограничивающим тепловую мощность подогревателя. Конфигурация и размеры воздушных трасс, а также характеристика вентилятора подбираются таким образом, чтобы обеспечить возможно большую подачу воздуха без увеличения затрат мощности.

Циркуляция жидкости во всех подогревателях осуществляется насосами центробежного типа, которые должны обеспечивать прокачку жидкости при перепаде температур между выходом и входом в подогреватель примерно 20°С. Большая прокачка требует повышения мощности привода насоса, а при увеличении перепада температур снижается эффективность и надёжность системы подогрева.

В большинстве подогревателей используются топливные насосы шестеренного типа, снабженные редукционным клапаном, который поддерживает перед форсункой давление, необходимое для качественного распыливания топлива. Расход топлива подбирается таким образом, чтобы коэффициент избытка воздуха был равен 1,1...1,2, что предотвращает закоксовывание теплообменника.

Рис.2.32. Многотопливный шестеренный насос:

1 – корпус; 2 – шестерня; 3 – самоподвижные металлографитовые втулки; 4 – манжета уплотнения; 5 – соединительная муфта; 6 – вал электродвигателя.

Конструкция многотопливного шестеренного насоса показана на рис.2.32. Самоподжимные металлографитовые втулки в процессе работы обеспечивают постоянное уплотнение по торцам шестерен.

Возможно также использование центробежного топливного насоса, обеспечивающего при простой конструкции малые затраты мощности (до 40 Вт). Однако широкое применение этого насоса ограничивается сравнительно низким значением создаваемого им давления (до 0,2 МПа), при котором затруднено распыливание топлива при пуске подогревателя в условиях низких температур.

Рис.2.33. Камера сгорания подогревателя:

1 – наружный кожух; 2 – жаровая труба; 3 – канал подачи вторичного воздуха; 4 – пережимное кольцо; 5 – лопаточный завихритель воздуха.

Камеры сгорания подогревателей (рис.2.33) по причине малых габаритов, отличаются высокой тепловой напряженностью.

Для обеспечения коэффициента полноты сгорания η_Z = 0,92...0,98 в них применяются лопаточные завихрители воздуха. Для лучшего смесеобразования и стабилизации горения используются дифференцированная подача воздуха по длине камеры через отверстия в жаровой трубе и тепловые экраны. Выполняются камеры сгорания из жаростойкой стали типа 12Х18Н10Т. Температура газов в камере сгорания достигает 1600..1800°С. Расчёт подобных камер сгорания является приближенным и при их проектировании требуется проведение большого объёма экспериментальных и доводочных работ.

Для подачи топлива в камеру сгорания используются форсунки центробежного типа, обеспечивающие качественное его распыливание.

Воспламенение топливовоздушной смеси в камере сгорания осуществляется свечой накаливания или искровой свечой, имеющей преимущества по величине потребляемого тока и времени пуска подогревателя, но требующей более высокого качества распыла топлива.

Для обеспечения надёжного пуска подогревателя при низких температурах окружающего воздуха вводится электроподогрев топлива, поступающего в форсунку.

Передача тепла от газов к теплоносителю осуществляется в теплообменниках. Существуют теплообменники, выполненные в виде цилиндрических рубашек и трубных пакетов. Однако наибольшее распространение в подогревателях ВГМ получили теплообменники из штампованных профилированных пластин, имеющие хорошие теплофизические параметры и простые по конструкции. Поверхностная плотность теплового потока для современных теплообменников составляет 90...110 кВт/м², а объёмная плотность находится в пределах 7...8 кВт/л.

Теплота, уносимая отработавшими газами подогревателя, температура которых составляет 500...700°С, может использоваться для разогрева масла двигателя и трансмиссии, получения горячего воздуха, обогревающего АБ, обитаемые отделения, иди направляемого в картер и на впуск двигателя.

Получение горячего воздуха осуществляется в газовоздушном теплообменнике с вентилятором, который совместно с подогревателем образует подогреватель-отопитель (рис.2.34). Тепловая мощность выполненных подогревателей-отопителей составляет: по жидкости q_Ж = 87 кВт, по воздуху q_В = 11,5 кВт.

Рис.2.34. Конструктивная схема подогревателя-отопителя:

1 – камера сгорания; 2 – электрическая свеча; 3 – вентилятор; 4 – газовоздушный теплообменник; 5 – заслонка; 6 – газожидкостной теплообменник.

Поддержание СУ в постоянной готовности к принятию нагрузки может осуществляться периодическим пуском основного двигателя, работающего на режиме холостого хода, и прогревом двигателя и трансмиссии при периодическом включении подогревателя, что более целесообразно. Периодическое включение подогревателя обеспечивается системой автоматического регулирования подогревателя (САРП). Конструктивно САРП выполняется в виде блока небольших габаритов и массы (около 1,5 кг). В качестве параметра, характеризующего тепловое состояние СУ, выбирается температура антифриза, определяемая датчиками типа П-1, используемыми в ВГМ как датчики термометров. В САРП применяется два датчика - на входе и выходе из жидкостного тракта подогревателя. Для контроля работы подогревателя используется перепад температур, характеризующий тепловой процесс в подогревателе.