1892

Средства подогрева воздуха на впуске (свечи подогрева впускного воздуха, электрофакельные подогреватели), средства калоризаторного воспламенения топлива (свечи накаливания), а также пусковые приспособления для впрыскивания легковоспламеняющихся пусковых жидкостей обеспечивают эффективный «холодный» пуск двигателей силовых установок машин.

Эффективность индивидуальных и групповых средств облегчения

пуска силовой установки

Показатели качества применяемых топлив, масел, рабочих жидкостей

Индивидуальные и групповые средства предпускового разогрева

индивидуальные жидкостные подогреватели (ПЖД) теплоэлектронагревательные элементы разогрева охлаждающей жидкости, подогрева моторного масла

Средства, обеспечивающие возможность «холодного» пуска

устройства подогрева впускного воздуха (штифтовые свечи, теплоэлектронагревательные элементы) электрофакельные устройства аэрозольные пусковые устройства

средства предварительной прокачки моторного масла устройства масловпрыска

Рис. 2.3. Основные средства, обеспечивающие эффективный пуск двигателей силовых установок машин

Средства, улучшающие пусковые качества двигателя (декомпрессионный механизм, устройства, изменяющие степень сжатия, фазы газораспределения и угол опережения подачи топлива при пуске), используются в конструкции его механизмов и узлов.

29

В настоящее время в конструкции машин также применяются эффективные средства, обеспечивающие успешный пуск двигателей силовых установок при низких отрицательных температурах окружающего воздуха, как основные или дополнительные агрегаты и устройства:

–пусковые двигатели;

–устройства для подачи сжатого воздуха в цилиндры;

–пиропатроны;

–молекулярные накопители энергии;

–электростартеры повышенной мощности.

Поскольку основное влияние на пуск двигателя оказывают ухудшение самовоспламенения топлива, увеличение момента сопротивления проворачиванию коленчатого вала и снижение работоспособности аккумуляторных батарей, то и мероприятия по сокращению продолжительности подготовки машины к использованию в зимних условиях следует рассматривать в соответствующей последовательности.

Улучшение условий самовоспламенения топлива. На ухудшение самовоспламенения топлива в основном влияют две причины:

–снижение температуры воздуха в конце такта сжатия вследствие того, что и стенки цилиндров двигателя, и всасываемый воздух являются холодными;

–ухудшение качества распыла топлива вследствие повышения его вязкости.

К числу основных мероприятий, направленных на улучшение условий самовоспламенения топлива, следует отнести [12, 13, 14]:

–подогрев всасываемого воздуха;

–предпусковой разогрев двигателя (стенок и цилиндров блоков, головок блоков);

–увеличение частоты вращения коленчатого вала при пуске двигателя;

–улучшение герметичности камер сгорания;

–применение топлива с более низкой температурой самовоспламенения при пуске двигателя;

–установку на двигатели агрегатов и устройств, способствующих повышению его пусковых качеств.

Подогрев всасываемого воздуха имеет целью поднять его температуру

вконце такта сжатия. Устройства для подогрева всасываемого воздуха на отечественных машинах устанавливаются довольно давно. Сравнительно высокая эффективность этого способа – возможность нагревать всасываемый воздух примерно на 20 °С и более – обеспечивает его реализацию в конструкции силовых установок машин и в настоящее время. Для этой цели в конструкции силовых установок используются специальные устройства. Так, для подогрева всасываемого воздуха на

30

машинах могут устанавливаться электрофакельные устройства (ЭФУ) [12, 15].

Подогрев всасываемого двигателем воздуха может являться основным способом облегчения его пуска при температурах окружающей среды только до минус 10 °С, минус 15 оС (минус 22 °С). При более низких температурах воздуха целесообразно использовать предпусковой разогрев.

Предпусковой разогрев двигателя осуществляется с целью повышения температуры стенок цилиндров и головок блоков. Этим обеспечивается необходимая температура всасываемого и сжимаемого в цилиндрах воздуха. Эмпирическим путем получена формула для определения теплового состояния (температуры) стенок цилиндров при предпусковом разогреве двигателя в зависимости от температуры окружающего воздуха

Tц=|tов|+10. (2.2)

Согласно зависимости (2.1) при температуре воздуха tов = минус 20 °С стенки гильз цилиндров требуется разогревать, как минимум, до температуры 30 °С.

Предпусковой разогрев нашел самое широкое применение в практике как способ наиболее эффективного облегчения пуска двигателей.

Требуемая частота вращения коленчатого вала двигателя имеет большое значение для осуществления быстрого и успешного пуска. По известным причинам с понижением температуры окружающего воздуха частота вращения, при прочих равных условиях, должна быть большей, для того чтобы уверенно пустить двигатель. При пуске «холодного» двигателя электрический стартер преодолевает увеличенное сопротивление трущихся частей двигателя: поршневые кольца – стенки цилиндров, подшипники – шейки коленчатого вала. Трущиеся части двигателя покрыты разрушившейся пленкой моторного масла, которая восстанавливается только в процессе прогрева.

Вследствие ухудшения условий смазки поверхностей трения и трудностей в поддержании нормального теплового режима в зимних условиях износы двигателей возрастают, особенно в пусковой период. Износ плохо разогретого двигателя за один пуск равноценен износу в течение нескольких часов работы двигателя на эксплуатационном режиме. В табл. 2.1 (рис. 2.4) приведены результаты исследований износов двигателя при различных значениях температуры его исходного теплового состояния.

Как видно из таблицы, согласно экспериментальным данным, один «холодный» пуск дизельного двигателя эквивалентен по износу в течение 10 мото.-ч его работы на эксплуатационном режиме. Известны также такие

31

двигатели, декомпрессионные механизмы или соответствующие устройства, которые позволяют в момент пуска подать к стартеруболее высокое напряжение для увеличения его частоты вращения.

По своему характеру отказы изделий электрооборудования СДКМ автомобилей и тракторов, работающих в условиях Крайнего Севера, сопоставимы с отказами в других климатических зонах, однако изделия моторного комплекта, светосигнальная аппаратура, провода и кабели бортовой сети, а также датчики отказывают чаще изза более неблагоприятной интенсивной эксплуатации.

Кроме того, при низкой температуре воздуха машинисты и водители чаще нарушают условия эксплуатации изделий электрооборудования. В первую очередь это связано с применением в зимнее время года для пуска холодного ДВС дополнительных внешних ис-точников тока, эксплуата-цией машин с разряженными АБ или батареями меньшей

емкости, чем установлено инструкцией.

Такие особенности эксп-луатации машин в экстре-мальных условиях приводят к возрастанию числа отказов, связанных с подгоранием контактов тяговых реле стар-теров, разносом и межвит-ковыми замыканиями обмоток якоря стартера. Увели-чивается число отказов изза межвитковых замыканий об-моток статоров генераторов, отказов регуляторов напряжения, электрических двигателей отопителей и электрических ламп.

В условиях низких температур учащается разрушение изоляции проводов из-за ее повышенной хрупкости, а возрастание вибрационных нагрузок приводит к нарушению работоспособности всей системы электрооборудования вследствие коротких замыканий. При этом в

бортовой сети машины могут возникать аварийные режимы из-за

33

аномальных переходных процессов, вызывающих увеличение интенсивности отказов изделий.

Опыт эксплуатации, например, в условиях Крайнего Севера показывает, что для повышения надежности работы машин необходимо применять модернизированные или новые изделия электрооборудования, а именно:

– генераторные установки увеличенной мощности, обеспечивающие положительный баланс электроэнергии при постоянной работе стеклообогревателей, устройств обогрева сидений и АБ;

–электрические стартеры большей мощности с приводами улучшенной конструкции;

–электрофакельные устройства (ЭФУ), предпусковые подогреватели, системы автоматического регулирования температуры электролита АБ;

–противотуманные фары с галогенными источниками света, фарыпрожекторы для обеспечения безопасности движения при снегопадах и тумане;

–изделия электрооборудования в северном исполнении, в которых комплектующие изделия и материалы, например резинотехнические, масла

ипластмассы, изделия электронных систем, могут надежно работать при температурах до минус 60 °С и ниже.

2.3.Обеспечение работоспособности гидроагрегатов, двигателей силовой установки, аккумуляторных батарей, приборов

электрооборудования машин в зимних условиях эксплуатации

Анализ мероприятий по трудоемкости подготовки машин к использованию, а также по поддержанию их надежной работы в зимних условиях показывает, что наиболее эффективными являются:

–предпусковой разогрев силовых установок в короткие сроки, что позволяет решать одновременно две задачи – снижение момента сопротивления проворачиванию коленчатого вала двигателя и улучшение условий самовоспламенения дизельного топлива;

–обеспечение работоспособности установленных на машинах средств пуска ДВС, в том числе аккумуляторных батарей;

–применение других дополнительных мероприятий, предназначенных главном образом для обеспечения надежного пуска двигателей и подготовки рабочего оборудования машины к использованию.

Длительная практика эксплуатации машин при отрицательных температурах окружающего воздуха позволила установить, что для этих условий характерными являются:

34

–отказы в работе подогревателей и двигателей вследствие прекращения подачи топлива;

–повреждения подшипников коленчатого вала ДВС;

–повышенный износ гильз цилиндров и поршневых колец (ЦПГ) двигателей.

Несмотря на требования о соблюдении определенных правил эксплуатации машин, не исключается вероятность попадания воды в топливо при его транспортировке и заправке. В летних условиях никаких видимых изменений в эксплуатации двигателей из-за этого не происходит

иэтим объясняется невнимательность машинистов к указанным выше требованиям. Однако с наступлением холодов результаты пренебрежения такими требованиями проявляются довольно часто. Практика показывает, что в зимних условиях имеют место отказы подогревателей вследствие образования ледяных пробок в топливных трубопроводах. Происходят отказы двигателей по тем же самым причинам или вследствие образования льда в фильтрах грубой очистки.

Основное влияние на величину момента сопротивления проворачиванию коленчатого вала оказывает вязкость моторного масла. Известно, что при охлаждении двигателя от 20 до минус 20 °С момент

сопротивления проворачиванию коленчатого вала может увеличиться в три раза при частоте вращения 120 мин-1. То есть может превышать максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем на эксплуатационном режиме. На увеличение момента сопротивления проворачиванию коленчатого вала оказывает основное влияние густое моторное масло в его опорах и в меньшей степени – густое масло между поршневыми кольцами и стенками гильз цилиндров. При понижении температуры до минус 20 °С составляющая сопротивления в опорах коленчатого вала от величины общего сопротивления может возрастать до 60 % [16]. Это объясняется уменьшением и искажением формы рабочих зазоров между шейками коленчатого вала и их опорами из-за разности коэффициентов линейного расширения материалов этих деталей двигателя.

На некоторых машинах суммарный момент сопротивления проворачиванию коленчатого вала увеличивается также за счет неотключаемых элементов трансмиссий или передач на рабочее оборудование.

Как известно, уменьшение момента сопротивления проворачиванию коленчатого вала возможно двумя способами:

–предпусковым разогревом двигателя и, таким образом, уменьшением вязкости моторного масла до величины, достаточной для обеспечения его прокачиваемости (беспрепятственного поступления к узлам трения);

35

– путем использования маловязких масел с хорошими вязкостнотемпературными характеристиками (ВТХ).

Для дизельных двигателей выполненными исследованиями установлена предельная величина вязкости моторного масла, при которой обеспечивается необходимая для пуска частота вращения коленчатого вала. Исходя из этого, при использовании минеральных моторных масел летних сортов возможен пуск двигателя без предпускового разогрева при температурах окружающего воздуха не ниже минус 10 °С, а при применении маловязких моторных масел зимних сортов или всесезонных сортов – вплоть до минус 20 °С или даже минус 25 °С.

Если учесть требования к обеспечению надежной подачи моторного масла в узлы трения двигателя, то указанные предельные температуры лежат несколько выше. Практически это означает, что при использовании моторных масел летних сортов пуск двигателя с учетом обеспечения надежного поступления его ко всем трущимся деталям, особенно к подшипникам КШМ, возможен до 0 °С, а при применении минеральных масел зимних сортов до минус 20 °С без предварительного предпускового разогрева.

Вследствие ухудшения подачи к подшипникам коленчатого вала двигателя моторного масла происходят их повреждения – выплавление вкладышей подшипников. Так, например, при температуре минус 3 оС вязкое моторное масло практически не подается в узлы трения двигателя. Прокачиваемость маловязких загущенных, полусинтетических и синтетических масел прекращается при более низких температурах.

Обеспечение работоспособности средств пуска – важное условие надежной эксплуатации СДКМ в зимних условиях. Частота вращения коленчатого вала, необходимая для уверенного пуска ДВС, уменьшается не только из-за увеличения момента сопротивления проворачиванию, но и вследствие неисправностей непосредственно пускового двигателя или понижения работоспособности источников электрической энергии для средств пуска с использованием электрического стартера. Особенно это касается состояния аккумуляторных батарей.

При понижении температуры воздуха уменьшается емкость и быстро снижается напряжение АБ под нагрузкой. В результате стартер не обеспечивает необходимого крутящего момента и частоты вращения. Как было указано выше, предельной температурой, при которой аккумуляторные батареи практически перестают быть работоспособными, является температура минус 30 °С.

Основными мероприятиями по обеспечению работоспособности аккумуляторных батарей при понижении температуры воздуха являются их утепление, специальный обогрев или их содержание в отапливаемых помещениях. Последнее мероприятие значительно увеличивает время

36

до наступления необходимого (равновесного) теплового состоя-ния составляет от 40 до 60 мин. Исключением являются гидравли-ческие системы автогрейдеров, у которых стабильное тепловое состояние устанавливается более чем через 100 мин по причине большой протяженности трубопроводов гидравлической системы и поверхности их охлаждения (рис. 2.6) [16].

Экспериментальными исследованиями установлены пределы работоспособного состояния насосов в зависимости от температуры, на основании которых приведены рекомендации по применению гидравлических масел (табл. 2.2) [16].

Таблица 2.2

Температурные границы работоспособного состояния насосов

В интервале наиболее низких температур (от минус 55 до минус 40 °С) резко снижается объемный КПД насосов по причинам, что их рабочий объем не заполнен рабочей жидкостью из-за чрезмерно высокого гидравлического сопротивления потоку на коротком участке всасывающей

38