2.1 Затруднение пуска двигателей

Затруднения пуска двигателей возникают из-за сложности создания пусковой частоты вращения коленчатого вала, ухудшения условий смесеобразования и воспламенения смеси. Для надежного пуска двигателя скорость проворачивания или частота вращения его коленчатого вала (n_дв) должна быть равна или превышать минимальную пусковую частоту вращения (n_min), обеспечивающую процесс подготовки горючей смеси в карбюраторном двигателе или достаточную температуру конца сжатия и дизеле, т. е. должно быть вы­полнено условие n_дв ≥ n_min величина, минимальной пусковой частоты вращения сильно зависит от температуры окружающего воздуха (рис.2.2).

Рис.2.2. Зависимость минимальной пусковой частоты вращения карбюраторных двигателей от температуры воздуха:

1-ЗИЛ-130; 2-ЗИЛ-375; 3-ЗМЗ-53; 4-Урал-376

Величина минимальной необходимой для пуска частоты вращения коленчатого вала существенно зависит от изменений в распределении положительных и отрицательных потоков энергии при пуске (Рис 2.3). Эти изменения происходят при снижении температуры окружающей среды.

К положительным составляющим энергетического баланса двигателя при пуске относятся энергия аккумуляторной батареи и химическая энергия топлива.

Как видно из рисунка, энергия аккумуляторной батареи расходуется на привод стартера. В свою очередь, энергетические возможности стартера реализуются в двигателе по трем главным направлениям: на сжатие воздуха; на преодоление сил трения; на преодоление сил инерции. Отрицательную часть потока энергии аккумуляторной батареи и стартера составляет теплота, которая уходит безвозвратно в окружающую среду. Эти потери тем больше, чем больше перепад температур между аккумулятором (стартером) и окружающей средой.

Рис. 2.3. Распределение потоков энергии при пуске двигателя

Для получения минимальной пусковой частоты вращения стартер должен развивать суммарный момент

М_С = М_j +М_k+М_r, (2.1.)

где М_k — момент, затрачиваемый на сжатие рабочей смеси, Н·м;

М_j — момент, затрачиваемый на преодоление сил инерции, Н·м;

М_r — момент на преодоление сил трения, Н·м.

Момент М_k, необходимый для сжатия рабочей смеси (воздуха), может быть определен из выражения

(2.2.)

где L — работа, затрачиваемая на преодоление компрессии, Н·м;

— угол поворота коленчатого вала, к которому отнесена эта работа.

Для определения величины L могут быть использованы эмпирические формулы, например формула Хвощева:

(2.3.)

где V_h — литраж двигателя, л;

i — число цилиндров двигателя.

Тогда

(2.4.)

или

(2.5.)

Момент на преодоление сил инерции

(2.6.)

Если принять вращение коленчатого вала равноускоренным, то:

(2.7.)

где I — момент инерции двигателя, Н·м·с2;

—угловое ускорение вращения коленчатого вала, об/с2;

п — частота вращения коленчатого вала двигателя, об/с;

t — время пуска, c.

Для определения момента, затрачиваемого при пуске на преодоление сил трения, предложено много способов расчета. Величина момента сильно зависит от типа двигателя, его конструктивных и эксплуатационных особенностей. Аналитический расчет этого момента затруднен.

Приводим одну из многочисленных эмпирических формул:

(2.8.)

где А_дв — коэффициент, определяемый конструкцией двигателя, см3;

v — кинематическая вязкость масла, Ст;

п — пусковая частота вращения коленчатого вала двигателя, об/с.

Для ориентировочной оценки доли составляющих М_С при пуске, а также для выявления степени влияния температуры на эти составляющие рассмотрим расчет их величин на примере дизеля ЯМЗ-236. Пусть минимальная пусковая частота вращения коленчатого вала при 0° С п0 = 8,5 об/с, а при —20° С n-20 = = 10 об/с; время достижения пусковой частоты вращения коленчатого вала t = 2 с; момент инерции двигателя I = 2,45 Н • м • с2, литраж двигателя 11,15 л; применяемое масло ДС-8 (М6В); кинематическая вязкость при 0° С v0= 1200 Ст, а при —20° n-20=ll 000 Ст.

В результате расчета получим следующие значения составляющих, Н·м.

При 0°С: Mj=10,5; Мк= 117,7; Мr= 176,6, а при —20° С: Mj=10,5; Мк=117,7;

М_r = 598,4.

Таким образом, в рассматриваемом диапазоне температур для двигателя ЯМЗ-236 основной составляющей М_с является М_r — момент на преодоление сил трения (от 30 до 80%), на втором месте М_к (15—40 %). Преодоление же сил инерции требует лишь от 1 до 3 % затрат энергии стартера.

Важным выводом из результатов расчета является то, что моменты M_j и М_k практически не изменяются при изменении температуры. Момент же преодоления сил трения, даже в рассмотренном ограниченном диапазоне температур 0...—20° С изменяется почти в 3,5 раза. Анализ показывает, что главной причиной такого резкого изменения М_r является увеличение (при низких температурах) вязкости масла. Естественно, что эти выводы по результатам приведенного выше расчета, не являются общими. Они не могут быть распространены на все типы двигателей и на весь эксплуатационный диапазон температур. Однако с известной степенью приближения можно считать, что они достаточно полно характеризуют влияние температуры на величину составляющих момента сопротивления.

Затраты на сжатие воздуха связаны главным образом с увеличением внутренней энергии рабочего тела (см. рис. 2) и температурой воздуха. В свою очередь, полученная таким образом энергия, проявляется в теплоте сгорания.

Второй положительной составляющей энергобаланса двигателя при пуске является химическая энергия топлива.

Теплота сгорания топлива, полученная в результате суммирования энергии аккумуляторной батареи, энергии, реализуемой в работе сжатого воздуха, и химической энергии топлива, в свою очередь, влияет на другие составляющие энергетического баланса двигателя при пуске. Естественно, что и в этом случае имеют место значительные потери энергии в окружающую среду. Эти потери тем больше, чем больше перепад температур между двигателем и окружающей средой, то есть тем больше, чем ниже температура окружающей среды.

Суммарная энергия, полученная от указанных выше источников, несколько повышает температуру масла и расходуется на снижение потерь на трение.

Однако как температура воды, так и температура масла могут быть повышены не только описанным путем (чего при низких температурах недостаточно), но и путем применения внешних источников теплоты — подогревателей масла и воды.

Момент, затрачиваемый на преодоление сил инерции, относительно невелик, кроме того, его величина практически не зависит от температуры двигателя.

Таким образом, основное затруднение в получении необходимой пусковой частоты вращения коленчатого вала при низких температурах связано прежде всего со значительным увеличением энергии, затрачиваемой на преодоление сил трения. Эти силы резко возрастают при понижении температуры вследствие повышения вязкости моторного масла.

Вместе с тем на получение пусковой частоты вращения коленчатого вала двигателя в большей мере влияет снижение энергетических возможностей аккумуляторной батареи, которое, в первую очередь, происходит из-за изменения ее внутреннего сопротивления. Напряжение на клеммах аккумуляторной батареи:

U=E — IR, (2.9.)

где U — напряжение, В;

Е — электродвижущая сила батареи, В;

R — внутреннее сопротивление батареи, Ом;

I — сила тока, отдаваемая батареей, А.

Величина Е изменяется при понижении температуры незначительно. Так, с изменением температуры от +20 до —70° С электродвижущая сила снижается лишь с 2,12 до 2,08 В. В то же время, при разрядке батареи стартерными токами существенно возрастает величина произведения IR, что происходит не только за счет увеличения силы тока I, но и за счет роста внутреннего сопротивления батареи R. В свою очередь, внутреннее сопротивление батареи складывается из сопротивления перемычек, пластин, электролита и сепараторов. Можно считать, что сопротивление пластин и перемычек практически не зависит от температуры. Сопротивление электролита с понижением температуры изменяется заметно. По данным Г. С. Лосавио, удельное сопротивление электролита с плотностью 1,3 г/см3 при изменении температуры от +20 до 18°С увеличивается в 2,5 раза.

С понижением температуры возрастает также и внутреннее сопротивление сепараторов. Причиной этому является сужение каналов в которых находиться электролит в сепараторах.

Зависимость напряжения U па зажимах полностью заряженной аккумуляторной батареи от температуры t при стартерном режиме показана на рис.2.4.

Рис. 2.4. Зависимость напряжения полностью заряженной аккумуляторной батареи от температуры при стартерном режиме

Одновременно с падением напряжения при низких температурах понижается и емкость аккумуляторной батареи. В среднем при понижении температуры электролита на 1° С емкость батареи снижается на 1,0—1,5%. При температурах электролита ниже —30° С батарея не принимает заряд и часто фактически эксплуатируется разряженной до 50—60% номинальной емкости.

Снижение возможностей пускового устройства при низких температурах еще больше затрудняет получение максимальной пусковой частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Значительную роль в затруднении пуска играет ухудшение условий смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Схема факторов, влияющих на воспламенение топлива в цилиндрах дизеля, и связь между ними показана на рис. 2.5. Как видно из рисунка, можно выделить пять таких факторов:

• температуру всасываемого воздуха;

• температуру охлаждающей жидкости;

• температуру масла;

• температуру электролита;

• температуру топлива.

Рис. 2.5. Схема факторов, влияющих на воспламенение топлива в цилиндрах дизеля

Снижение температуры всасываемого воздуха приводит к снижению температуры стенок цилиндров и температуры воздуха в конце такта сжатия. Для надежного воспламенения рабочей смеси в цилиндре дизеля температура конца сжатия Тс должна быть выше температуры самовоспламенения топлива на 200—300 К. В свою очередь, температура конца сжатия

(2.10.)

где Т_а — температура всасываемого воздуха,К;

ε — степень сжатия;

n— показатель политропы сжатия.

В зимнее время температура всасываемого воздуха Та снижается. Кроме того, уменьшается и значение показателя политропы сжатия n. Уменьшение n вызывается увеличением теплоотдачи от находящегося в цилиндрах двигателя воздуха в холодные стенки двигателя. Таким образом, при снижении температуры окружающего воздуха температура конца сжатия уменьшается, а следовательно, ухудшаются условия воспламенения смеси и пуск двигателя.

К аналогичным результатам приводит и снижение температуры охлаждающей жидкости.

При снижении температуры масла значительно увеличивается его вязкость, в результате чего увеличивается сопротивление прокручиванию коленчатого вала и снижается скорость его вращения. Это, естественно, вызывает ухудшение условий воспламенения.

Снижение температуры электролита аккумуляторной батареи в значительной мере ухудшает энергетические возможности аккумулятора, а следовательно, уменьшает и скорость проворачивания коленчатого вала и, в конечном итоге, ухудшает воспламенение топлива.

При холодном пуске топливо хуже испаряется, так как испарение — процесс эндотермический, т. е. проходящий с поглощением теплоты. Достаточно полно в этом случае испаряются лишь легкие фракции топлива.

Высокая вязкость дизельного топлива при низких температурах ухудшает его распыливание. При снижении температуры дизельного топлива с +20 до —20° С вязкость дизельного топлива увеличивается в 8—10 раз. При этом топливо попадает в цилиндры двигателя в виде сравнительно крупных капель с малой относительной поверхностью. Это затрудняет его воспламенение. Кроме увеличения вязкости охлаждение топлива приводит к перебоям и нестабильности работы двигателя.

Факторы, влияющие на воспламенение и сгорание рабочей смеси при низких температурах, могут быть разделены на поддающиеся управлению в процессе эксплуатации и конструктивные, управление которыми в эксплуатации невозможно. На рис. 5 показана схема взаимодействия факторов, влияющих на воспламенение смеси в начальный период пуска. Пунктирным прямоугольником на схеме выделены факторы, управление которыми возможно в эксплуатации. Так, например, качество работы топливной системы зависит от вида топлива, его цетанового числа, температуры. В эксплуатации на эти параметры можно влиять путем добавления легковоспламеняющихся жидкостей, выбора топлива с соответствующим значением цетанового числа и подогрева топлива, подаваемого в двигатель. При низких температурах ухудшается пропускная способность фильтров (загрязнение, обледенение). Эти помехи также могут быть исключены при техническом обслуживании или путем обогрева самих топливных фильтров.

Чтобы повысить температуру всасываемого в двигатель воздуха, необходим его специальный подогрев.

Для поддержания работоспособности аккумуляторных батарей и обеспечения достижения необходимой величины температуры сжатия необходимо, с одной стороны, уменьшение потерь тепла от батарей в окружающую среду, с другой, использование батарей только с достаточно высокой степенью заряженности.

На частоту вращения коленчатого вала при пуске и на воспламенение топлива влияет качество моторного масла. Выбирая соответствующую марку и характеристики моторного масла, можно добиться повышения частоты вращения коленчатого вала и, как следствие, улучшения воспламенения смеси.

Наконец, можно существенно улучшить условия смесеобразования и воспламенения, применяя подогрев масла и охлаждающей жидкости.

Как уже было сказано, на качество смесеобразования влияют и другие (конструктивные) факторы, управление которыми в эксплуатации невозможно.

Практически аналогично действуют различные факторы на самостоятельную работу двигателя непосредственно после пуска.

рис. 2.6. Факторы, влияющие на воспламенение топлива в начальный период пуска