Системы подогрева и пуска двигателя

Во время пуска двигателя зимой из-за низкой температуры воз­духа нарушается процесс образования горючей смеси, снижаются давление и температура в конце такта сжатия и, таким образом, создаются весьма неблагоприятные условия для воспламенения топлива в цилиндрах. Кроме того, понижение температуры при­водит к увеличению момента сопротивления прокручиванию вала двигателя из-за повышения вязкости масла и к снижению эффек­тивности действия пусковых устройств. Все это затрудняет, а иногда делает невозможным запуск двигателя в зимних условиях без предварительного подогрева.

Износ холодного двигателя за время одного пуска-прогрева, по данным ряда исследователей, равен износу, получающемуся за2-4 ч его работы с эксплуатационной нагрузкой при номинальной тем­пературе. Предварительный подогрев двигателя, особенно если подогрев от внешнего источника тепла продолжается во время прогрева на холостом ходу (тепловое сопровождение), суще­ственно снижает износ деталей кривошипно-шатунного механизма.

Система подогрева

Система подогрева предназначена для прогрева двигателя перед пуском и поддержания его в готовности к пуску в зимних условиях. Подогреватели делятся на электрические, жидкостные и воздуш­ные. Они должны обеспечивать быстрый и надежный подогрев двигателя и других агрегатов машины при низкой температуре окружающего воздуха, быть безопасными в пожарном отношении, компактными, простыми по устройству.

Электрические подогреватели вследствие значитель­ного потребления электрической энергии имеют весьма ограничен­ное применение.

Воздушные подогреватели могут быть использованы для подогрева двигателей как с воздушным, так и жидкостным охлаждением. К числу их достоинств относится возможность непосредственного подогрева подшипников коленчатого вала и дру­гих элементов двигателя, а также агрегатов трансмиссии, приводов управления, аккумуляторных батарей и т. д. Однако интенсивный подогрев жидкостного тракта не обеспечивается, и общая эффек­тивность подогрева двигателя с жидкостным охлаждением оказы­вается недостаточной.

Наиболее широкое распространение получили жидкост­ные форсунчатые подогреватели с принудительной циркуляцией жидкости в контуре, соеди­ненном с контуром системы охлаждения двигателя. Такая система подогрева может обеспечить достаточный разогрев двигателя перед запуском за 25-30 мин при температуре наружного воздуха -30° С.

Недостатком жидкостной системы подогрева является то, что она не обеспечивает быстрого разогрева подшипников коленча­того вала двигателя и ряда других агрегатов моторно-трансмиссионного отделения. Этот недостаток может быть сглажен при ис­пользовании комбинированной воздушно-жидкостной системы подогрева, где часть тепла отработавших в котле подогревателя газов используется для подогрева других агрегатов, не имеющих жидко­стной связи с подогревателем.

Система пуска

Система пуска предназначена для проворачивания коленчатого вала двигателя на таких оборотах, при которых функционируют приборы питания двигателя топливом и воздухом, системы смазки и зажигания (у бензиновых двигателей), а в цилиндрах со­здаются условия, необходимые для воспламенения и сгорания топлива.

Виды пусковых устройств. Одним из основных средств запуска двигателей транспортных машин является электростартер, представляющий собой сериесный элек­тродвигатель с питанием от аккумуляторных ба­тарей машины. Мощ­ность электростартера и передаточное число пе­редачи выбираются та­кими, чтобы обеспечива­лись необходимые зна­чения оборотов и мо­мента на коленчатом валу двигателя. В совре­менных машинах мощ­ность электростартера составляет 5-10% от мощности двигателя. Передача осуще­ствляется с помощью зубчатой пары с передаточным числом i_п=8-10 и к.п.д. h_п= 0,85-0,9. К достоинствам электро­стартера относятся малые габариты, дистанционное управле­ние, возможность пополнения энергии батарей во время работы двигателя. Недостатками являются необходимость применения тяжелых и сравнительно малонадежных стартерных аккумуля­торных батарей, рассчитанных на большую силу разрядного тока. В настоящее время уделяется много внимания созданию новых типов аккумуляторов электрической энергии, имеющих большой срок службы, высокую механическую прочность, обладающих большой энергоемкостью, способных эффективно работать в ши­роком диапазоне температур.

В качестве резервного, а часто и основного средства запуска транспортных двигателей применяется пуск сжатым воздухом. Из баллонов сжатый воздух поступает в воздухораспредели­тель. Планшайба воздухорас­пределителя вращается синхронно с коленчатым валом двигателя и во время ходов расширения направляет воздух в цилиндры через пусковые клапаны. Пусковой клапан открывается под дей­ствием сжатого воздуха, преодолевающего усилие пружины. Воз­дух заполняет цилиндр и давит на поршень, проворачивая колен­чатый вал двигателя. Баллоны могут быть сменными или подка­чиваться во время работы двигателя двухступенчатым компрес­сором. Максимальное давление воздуха в баллонах 15-20 МПа, минимально необходимое для пуска двигателя 4-6 МПа. Основными преимуществами этого способа пуска является его надежность и нечувстви­тельность к изменению тем­пературы окружающего воз­духа.

В свое время довольно широко применялся пуск дви­гателей гусеничных машин при помощи инерцион­ного стартера, действие которого осно­вано на использовании кине­тической энергии вращаю­щейся массы. Электродвига­тель небольшой мощности (1–2 кВт) раскручивает маховик до 10-15 тыс. об/мин. Рас­крутить маховик можно также вручную при помощи рукоятки. По достижении необходимых оборотов махо­вик при помощи механизма включения подключается к валу двигателя через фрикционную муфту и храповик. В настоящее время инерционные стартеры почти не приме­няются в связи с относительной сложностью конструкции и недоста­точной надежностью в работе.

Пуск двигателя при помощи вспомогательного двигателя малой мощности нашел широкое применение на тракторах. Вспомогательный (пусковой) двигатель, как правило, карбюраторный (двухтактный или четырехтактный), запускается вручную. Он соединен с основным двигателем приводным меха­низмом, состоящим из фрикционной муфты, двухступенчатого ре­дуктора и механизма выключения. Облегчение запуска основного дизеля достигается применением декомпрессора – механизма, при помощи которого в начале процесса пуска дизеля открываются клапаны (чаще только выпускные) и тем самым устраняется сопро­тивление сжатия.

Пуск при помощи вспомогательного двигателя связан с при­менением ручного или другого вида запуска самого пускового дви­гателя, с применением второго вида топлива, продолжителен по времени (особенно при низкой температуре), так как требуется прогрев сначала пускового, а затем основного двигателя. Привод­ной механизм сложен по конструкции.

Возможность запуска двигателя вручную может быть преду­смотрена в качестве вспомогательного средства для двигателей сравнительно небольшой мощности (до 70-100 кВт).

В специальных случаях для пуска двигателя могут приме­няться пиротехнические средства, пуск дизеля на бензине (с до­полнительной камерой сгорания и карбюраторной системой пита­ния) и другие способы.

Определение мощности пусковых устройств. Требуемая мощ­ность пускового устройства определяется на основе следующих соображений. Общее сопротивление вращению коленчатого вала М_с складывается из следующих частей: сопротивление сил трения М_т в двигателе и соединенных с ним агрегатов (вентиля­торе, масляном и топливном насосах, генераторе и т. д.); инерционного сопротивления подвижных частей двигателя и соеди­ненных с ним агрегатов М_н, возникающего при разгоне до пусковых оборотов; сопротивление воздуха (или горючей смеси) в цилиндрах во время такта сжатия М_сж. Таким образом, суммарный момент, приложенный к валу двигателя во время пуска, должен быть равен

М_п=М_с=М_т+М_н+М_сж. (47)

Величина момента сопротивления М_с зависит от многих факто­ров: числа цилиндров, степени сжатия, состояния поверхностей трения сопряженных деталей и т. д., а особенно от вязкости масла. Так, при изменении температуры двигателя от +20 до -40 С момент сопротивления может увеличиться в четыре-пять раз. Вместе с тем во время пуска дизеля температура воздуха в ци­линдре в конце такта сжатия должна быть на 200-250° С выше температуры самовоспламенения топлива. Поэтому при низких температурах наружного воздуха запуск двигателя без предвари­тельного подогрева иногда вообще невозможен.

Температура воздуха в цилиндрах в большой степени зависит от скорости вращения коленчатого вала. При слишком малых оборотах непомерно увеличиваются теплоотдача от воздуха к стен­кам цилиндров и утечки воздуха через поршневые кольца.

Если принять, что момент трения М_т (в Н-м) по углу поворота коленчатого вала не меняется, можно считать

, (48)
где р_т – условное среднее давление трения в Па; V_h – рабочий объем одного цилиндра в л; i – число цилиндров; Т – тактность. О величине условного среднего давления трения (в Па) дают ори­ентировочное представление эмпирические зависимости: при п < 50 об/мин

; (49)
при п > 50 об/мин

(50)
Здесь h₁₀ и h – динамическая вязкость масла в Па-с при темпе­ратуре 10° С и текущей температуре соответственно.

Максимальное значение момента сопротивления прокручива­нию коленчатого вала от сжатия

, (51)
где р_сж – максимальное значение тангенциального усилия на кривошипе, отнесенное к площади поршня; d и s – диаметр и ход поршня в м.

Момент сопротивления (в Н-м) от сил инерции пропорциона­лен ускорению коленчатого вала:

,(52)
где J_дв – момент инерции всех движущихся масс двигателя, при­веденный к коленчатому валу. Если разгон вала от состояния покоя до пусковых оборотов п_п производится за время t_п с постоян­ным ускорением, то

(53)

Приведенные выражения показывают, что момент сопротивле­ния вращению вала двигателя во время пуска определяется кон­структивными параметрами двигателя (литражом, числом цилин­дров, степенью сжатия, приведенным моментом инерции), его тем­пературным режимом, характеристиками масла и т. д.

Вращающий момент пускового устройства (стартера) должен быть не менее

, (54)
где i_п и h_п – передаточное число и к.п.д. передачи от стартера к валу двигателя.

Число оборотов вала стартера

п_ст=п_пi_п. (55)

Для карбюраторных двигателей п_п = 100-150 об/мин, для дизе­лей с неразделенными камерами сгорания п_п= 150-250 об/мин, для дизелей с разделенными камерами сгорания п_п =200-400 об/мин.

В соответствии с этим мощность стартеров для двигателей раз­личных типов в зависимости от литража двигателя V_л (в л) имеет значение (в кВт)

N_ст= (0,2-1,5) V_л.