5. Эксплуатационные испытания электронагревательного устройства

5.1 Показатели качества пусковых процессов дизеля

Индицирование дизеля 4Ч 11/12,5 при температурах 10...20 ⁰С показывает, что при таких условиях начало процесса пуска начинается на первом-втором рабочих циклах и продолжается равномерно весь период разгона. На рис. 5.1 представлена осциллограмма первых циклов дизеля при температуре 20 ⁰С. Из нее видно, что сначала процесс сгорания начался в третьем цилиндре. За период времени от первого до третьего рабочего циклов частота вращения коленчатого вала возросла с 180 до 690 мин^-1. При этом период задержки самовоспламенения t₁ сократился, а максимальное давление сгорания P_Z, скорость нарастания давления dP/dj и степень повышения давления l увеличились.

Рис. 5.1. Осциллограмма первых циклов пуска дизеля 4Ч 11/12,5:

температура окружающей среды —20 ⁰С,

пусковая частота вращения — 200 мин^-1,

угол опережения впрыска — 26 град до ВМТ

Отмеченный характер изменения показателей рабочего процесса обусловлен улучшением качества распыливания топлива с увеличением частоты вращения коленчатого вала и уменьшением потерь теплоты от газов в стенки цилиндра. За период пуска дизеля давление при сгорании топлива максимально перед его выходом на режим самостоятельной работы.

С понижением температуры первые вспышки начинаются при более поздних рабочих процессах, неравномерность их чередования увеличивается по отдельным циклам и цилиндрам. Так, при температуре 0°С первая вспышка отмечается через 1...2 с после начала прокручивания коленчатого вала (7...14 цикл), сгорание в отдельных цилиндрах чередуется с пропуском вспышек, а все цилиндры вступают в работу в конце периода разгона перед выходом на режим самостоятельной работы.

Понижение температуры до минус 5°С проводит к еще более позднему возникновению первой вспышки (через 5...8с) и более длительному периоду разгона с чередованием вспышек в части цилиндров, а выход на режим самостоятельной работы при этой температуре осуществляется, как правило, без включения в работу всех цилиндров.

На рис 5.2 показано влияние угла опережения впрыска Q на пусковые качества дизеля. Величина (Q_опт) обеспечивающая лучшие пусковые качества дизеля, уменьшается с понижением температуры окружающего воздуха, а также пусковой частоты вращения коленчатого вала. При холодном пуске величина Q_опт меньше установочного угла, выбранного для номинального режима работы.

10 14 18 22 24 И

Рис.5.2. Влияние угла опережения топлива на пусковые качества дизеля 4Ч 11/12,5:

1—температура 0 ^оС, n=200 мин^-1; 2—температура 0 ^оС, n=150 мин^-1;

3—температура 0 ^оС, n=125 мин^-1; 4—температура -10 ^оС, n=200 мин^-1; 5—температура +20 ^оС, n=200 мин^-1

На режиме пусковой частоты вращения n=200 мин^-1 Q_опт для дизеля 4 Ч 11/12,5 при температуре 0 ^оС составляет 24 град. до ВМТ (кривая 1), на режиме 150 мин^-1—Q_опт=22 град (кривая 2), на режиме 125 мин^-1—Q_опт=20 град (кривая 3), при температуре -10 ^оС —Q_опт=18 град. до ВМТ (кривая 4).

При температуре -10 ^оС существенные влияния на пусковые качества начинает оказывать значение частоты вращения, при которой отключается пусковой обогатитель топливного насоса — увеличение N_обог от 400 до 500 мин^-1 снижает минимальную пусковую частоту вращения n_min на 40...70 мин ^-1, а продолжительность пуска на одном пусковом режиме сокращается на 20с (рис. 5.3).

n, мин^-1

Как показали проведенные исследования, наибольший эффект улучшения пуска достигается при комплексном изменении параметров топливной аппаратуры, влияющей на пусковые качества. Так, на дизеле 4Ч 11/12,5, состыкованном с трансмиссией трактора, при температуре минус 10^оС и использовании топливного насоса 4УТНМ-Т лучшие пусковые качества обеспечиваются при изменении Q=26 град до ВМТ и n_обог=550 мин^-1 (рекомендуемая регулировка завода-изготовителя) до значения Q=18 град до ВМТ и n_обог=750 мин^-1(рис.5.4). При температуре минус 10^оС пуск в диапазоне пусковой частоты вращения 135...235 мин^-1 осуществляется за 17...20с, а при температуре -15 ^оС — за 39...40с. Увеличение оптимального значения n_обог=750 мин^-1 объясняется влиянием дополнительного сопротивления от узлов трансмиссии, которые не отключаются от двигателя при пуске.

Существенное влияние на оптимальное для пуска значение n_обог оказывает также вязкостно-температурная характеристика масла. Оптимальное для пуска значение n_обог увеличивается из-за дополнительного сопротивления разгону коленчатого вала дизеля, создаваемого при использовании в дизеле моторного масла, имеющего высокую вязкость при низких температурах.

Для обеспечения пуска при отрицательных температурах в конструкцию дизелей вводят электрофакельные устройства (ЭФУ) и приборы для подачи в цилиндры двигателя легковоспламеняющей жидкости (ЛВЖ).

Характерная осциллограмма первых циклов разгона при пуске с использованием ЭФУ и ЛВЖ, снятая при температуре -20^оС, приведена на рис.5.5.

Рис.5.5. Осциллограмма первых циклов разгона дизеля при пуске с использованием ЭФУ и ЛВЖ. Температура -20^оС, n=109 мин^-1:1,2,3,4 — давление в первом, втором третьем и четвертом цилиндрах соответственно; 5 — частота вращения коленчатого вала дизеля

Как видно из осциллограммы, при этой температуре условия для начала сгорания топлива создаются после 15-ти и более циклов сжатия в одном цилиндре. При n=109 мин ^-1 четыре первые вспышки в третьем, четвертом, втором и первом цилиндрах разогнали коленчатый вал со 101 до 232 мин ^-1. Увеличение скорости воздуха во впускном коллекторе приводит к уменьшению подогрева воздушного заряда цилиндра и сопровождается пропуском вспышек в последующих циклах с уменьшением частоты вращения до 128 мин ^-1. Со снижением частоты вращения подогрев воздуха, поступающего в цилиндры, увеличивается, и процесс повторяется при более высоких значениях частоты вращения. В результате пуск дизеля осуществляется за 200 и более циклов.

Максимальное давление сгорание Pz_{1 ВСП} = 5,7 МПа, жесткость сгорания dP/dj = 0,76 МПа/град, у второй вспышки Pz_{2 ВСП} = 6,5 МПа, dP/dj =0,84 МПа/град. По мере разгона дизеля Pz увеличивается до 8...9,5 МПа, а перед выходом дизеля на режим самостоятельной работы достигает 10,5... 11 МПа.

Использование ЭФУ и ЛВЖ при оптимальных регулировочных параметрах позволило снизить T_min дизеля 4Ч 11/12,5 до температуры минус 25°С. Пуск в этих условиях обеспечивается за 35...40с при n>150... 160 мин ^-1.

Значения n, требуемые для осуществления пуска в этих условиях, обеспечиваются только при использовании системы пуска номинальным напряжением 24В. Однако характер протекания рабочего процесса при температуре минус 25°С свидетельствует о граничных условиях применения этих устройств при этой температуре.

Для обеспечения пуска при температурах ниже минус 20°С наиболее эффективным является использование подогревателей топлива [69-71]. На рис 5.6 приведена осциллограмма первых циклов разгона дизеля при температуре минус 20°С.

Рис.5.6. Осциллограмма первых циклов разгона дизеля при пуске с использованием подогревателей дизельного топлива. Температура -20^оС, n=109 мин^-1: 1,2,3,4 — давление в первом, втором третьем и четвертом цилиндрах соответственно; 5 — частота вращения коленчатого вала дизеля

Как следует из приведенной на рис 5.6 осциллограммы первых циклов разгона дизеля при температуре минус 20°С, при пуске с использованием подогревателей топлива, установленных в топливной системе дизеля, процесс сгорания начинается уже на втором цикле сжатия одного из цилиндров, а остальные цилиндры включаются в работу достаточно равномерно в следующих после первой вспышки циклах, что обеспечивает уверенный и быстрый разгон коленчатого вала. Поэтому анализ влияния различных факторов на протекание рабочего процесса при использовании подогревателей топлива целесообразно проводить по параметрам второго рабочего процесса. При n=106 мин^-1 четыре первых вспышки в первом, третьем, четвертом и втором цилиндрах обеспечили разгон дизеля до 480 мин^-1, еще через два цикла частота вращения составила 546 мин ^-1.

Пуск дизеля при использовании подогревателей топлива осуществляется за 25...35 циклов. В этом случае Pz_{1 ВСП} = 3,3 МПа, dP/dj =0,43 МПа/град, у второй вспышки Pz_{2 ВСП} = 5,3 МПа, dP/dj =0,7 МПа/град. По мере разгона дизеля Pz увеличивается до 9... 11 МПа, достигая в отдельных циклах перед выходом дизеля на режим самостоятельной работы 11,5... 12,5 МПа.

Сравнение рабочего процесса при использовании подогревателей топлива с процессом при пуске с ЛВЖ и ЭФУ показывает значительно большую эффективность первых как по условиям возникновения первой вспышки, так и по развитию процесса сгорания при разгоне коленчатого вала. При этом некоторое увеличение нагрузок на детали в сравнении с пуском при ЭФУ и ЛВЖ отмечается только при выходе на режим самостоятельной работы, а на первых рабочих циклах пуска Pz и dP/dj практически одинаковы.

Применение электроподогревателей топлива обеспечивает высокие пусковые качества дизеля в широком диапазоне температур. Как следует из приведенных на рис.5.7. пусковых характеристик, при n=106 мин^-1 применение электроподогревателей обеспечивает пуск дизеля на масле класса вязкости 4_З/8 при температуре минус 25°С за 4с, а при температуре минус 2°С — за 3 с. На масле класса вязкости 8 дизель с применением подогревателей топлива при минус 15°С , а на масле класса вязкости 10 — при минус 10°С .

На пуск дизеля при низких температурах значительное влияние оказывает пусковая частота вращения. Так, увеличение n c 110 до

200 мин^-1 при температуре минус 5°С сокращает продолжительность пуска дизеля 4Ч11/12,5 без использования дополнительных средств с 18...20 до 10... 11с, при температуре минус 20°С и использовании электроподогрева топлива - с 20...40 до 16... 18с. Эта же тенденция сохраняется и при пуске с ЛВЖ, но в указанном диапазоне частоты вращения коленчатого вала сокращение продолжительности пуска не так значительно.

Рис. 5.7. Пусковые характеристики дизеля 4 Ч 11/12,5 с установкой электроподогревателей при различных сортах топлива и масла:

1 — Т_окр=-25 ^оС, масло М-4_З/8 Г₂, топливо «З»;

2 — Т_окр=-20 ^оС, масло М-4_З/8 Г₂, топливо «З»;

3 — Т_окр=-15 ^оС, масло М-8 Г₂, топливо «З»;

4 — Т_окр=-10 ^оС, масло М-10 Г₂, топливо «Л»

Снижение нагрузок на детали дизеля при увеличении пусковой частоты вращения отмечается и более низких температурах. В связи с этим при использовании электроподогревателей топлива перспективным является применением систем пуска напряжением 24 В, обеспечивающим значительное увеличение n в сравнении c 12-вольтной системой.