Влияние морозов на пуск дизельных двигателей

Использование тракторов и автомобилей зимой сопровождается большими потерями рабочего времени, труда и материальных средств на эксплуатацию, обслуживание, ремонт и хранение машин. Особенно заметно возрастают простои и трудозатраты, износ деталей и количество отказов двигателей в период предпусковой подготовки и пуска, продолжительность которого при температуре ниже минус 30°С достигает 10…20% времени рабочей смены и более. При низкой температуре изменяются эксплуатационные
свойства топлива и смазочных материалов, создаются неблагоприятные условия для работы топливоподающей аппаратуры и электрооборудования. Увеличивающаяся вязкость топлива и масел затрудняет прокручивание двигателя при пуске и вызывает повышенный износ его деталей.
 
Эффективность использования тракторов и автомобилей в значительной степени зависит от технического состояния наиболее сложного и дорогостоящего агрегата — двигателя, долговечность и безотказность работы которого определяются климатическими условиями, нагрузочными, скоростными, температурными режимами работы, качеством обслуживания и многими другими факторами. Влияние этих факторов усиливается с понижением температуры окружающей среды. В условиях зимней эксплуатации, особенно
в период пуска-прогрева, увеличиваются количество отказов двигателей, трудозатраты на их устранение и простои машин при подготовке двигателей к работе. Достаточно отметить, что простои машин из-за затрудненного пуска двигателя при температуре минус 25…30 °С и ниже часто достигают 1,0…1,5ч и более. При этом на пусковых режимах повышается интенсивность изнашивания основных сопряжений, что снижает долговечность двигателя.
Пуск двигателя состоит из следующих основных стадий:
начальный разгон до пусковой частоты вращения коленчатого вала;
вращение коленчатого вала с примерно постоянной частотой до первых вспышек в цилиндрах (прокрутка);
вращение коленчатого вала с частичным использованием индикаторной мощности;
переход на режим самостоятельной работы;
работа в режиме холостого хода.
Практически вероятность успешного пуска двигателя зимой с первой попытки невысока (около 10 % ), так как процесс может прекратиться на любой стадии.
 
В первой стадии коленчатый вал проворачивается пусковой системой двигателя (подача топлива выключена). Вторая стадия длится с начала устойчивого его вращения пусковой системой до начала подачи топлива в цилиндры двигателя. Третья стадия начинается с момента включения подачи топлива и характеризуется неустойчивой работой двигателя. Энергия, получаемая от сгорания топлива, недостаточна для увеличения частоты вращения коленчатого вала, которая колеблется в пределах 3…5 с-1 (оборотов в
секунду). Сразу после включения подачи топлива наблюдаются пропуски вспышек горючей смеси — до 40 % от общего числа впрысков топлива в цилиндры двигателя. Угловая частота коленчатого вала изменяется в пределах 150…200 мин-1. Максимальное давление сгорания при первой вспышке достигает 8,5.105 Н/м2, затем снижается до 105 Н/м2. Максимальное значение скорости нарастания давления в процессе сгорания (жесткость) при первой вспышке достигает 3,1.105 Н/м2град; среднее давление жесткости равно 1,8.105 Н/м2град .
 
В переходном режиме работы при сгорании топлива выделяется энергия, достаточная для ускорения вращения коленчатого вала от 4…5 с-1 до максимального значения (режим холостого хода) и самостоятельной работы двигателя. Пропуски вспышек прекращаются, равномерно снижается максимальное давление сгорания. Считается, что двигатель находится в режиме самостоятельной работы, если число вспышек, отнесенных к двум оборотам коленчатого вала, достигло 75 %. При работе двигателя в режиме холостого
хода частота вращения коленчатого вала колеблется в узких пределах, среднее значение максимального давления сгорания практически равно давлению конца сжатия .
 
Низкие температуры воздуха и связанное с этим охлаждение агрегатов и эксплуатационных материалов затрудняют пуск двигателя, уменьшают стабильность работы отдельных систем двигателя на всех режимах. Трудности пуска двигателя возникают из-за сложности создания пусковой частоты вращения коленчатого вала двигателя, ухудшения условий смесеобразования и воспламенения смеси. К общим причинам, затрудняющим пуск холодных дизельных двигателей при низких температурах, относятся:
увеличение момента сопротивления прокручиванию коленчатого вала двигателя, вызванное повышенной вязкостью масла; снижение температуры поступающего в двигатель воздуха, что приводит к понижению температуры топливной смеси в конце сжатия. Пуск дизеля возможен лишь, когда температура в конце такта сжатия в камере сгорания достигает 350…400˚С. Так, например, при частоте вращения коленчатого вала двигателя 190 мин-1 и температуре окружающего воздуха 0 С впрыск топлива снижает температуру
смеси в конце такта сжатия на 130˚С;снижение температуры конца такта сжатия из-за интенсивной теплоотдачи в стенки цилиндров, ведет к снижению среднего индикаторного давления, развиваемого двигателем; увеличения утечки воздуха через зазоры в сопряжениях деталей ЦПГ из-за медленного прокручивания коленчатого вала; увеличение вязкости топлива, образование парафинов и ухудшения распыла его форсунками; ухудшение работоспособности аккумуляторных батарей.
 
Для обеспечения надежного пуска тракторного двигателя необходимо, чтобы температура воздуха в конце сжатия была выше температуры самовоспламенения топлива. Температура самовоспламенения дизельного топлива в распыленном состоянии составляет 400 ˚С, а температура воздуха в конце такта сжатия достигает 700 ˚С (при нормальных условиях эксплуатации). Для нагрева воздуха до указанной температуры необходимо сжать его до (300…350) 104 Н/м2. Однако в холодное время года даже высокое давление не
обеспечивает нагрев воздуха до необходимой температуры в конце такта сжатия. Температура воздушного заряда зимой снижается в результате действия ряда факторов.
 
Во-первых, в цилиндры двигателя подается сильно охлажденный наружный воздух, который во время впуска не нагревается от холодных гильз цилиндров. Во-вторых, во время сжатия (при малой частоте вращения коленчатого вала) происходит большая утечка воздуха через зазоры между поршнем и гильзой цилиндров. При скорости вращения коленчатого вала в пределах 50…75 мин-1 утечка воздушного заряда в среднем составляет 24% (при степени сжатия =16) от всего объема воздуха, поступившего в цилиндры
двигателя. При увеличении угловой частоты коленчатого вала до 200 мин-1 утечка воздуха через зазоры снижается в среднем до 5%.
 
При пуске холодного двигателя, за счет усиленного теплообмена между воздушным зарядом и стенками цилиндра, повышение температуры сжимаемого воздуха замедляется, а, следовательно, ухудшаются условия самовоспламенения топлива. Кроме того, впрыск холодного топлива в камеру сгорания приводит к увеличению поверхностного натяжения и кинематической вязкости капель. Это сказывается на том, что увеличивается масса и кинетическая энергия каждой капли, уменьшается суммарная сила их
аэродинамического торможения. В результате интенсивность торможения капель уменьшается, и лишь небольшая часть цикловой подачи оказывается взвешенной в объеме факела. Все это приводит к тому, что увеличивается время на прогрев, испарение и воспламенение топлива, и как следствие происходит нарушение процесса горения и повышается жесткость работы двигателя. Пуск двигателя в холодное время года затрудняется еще тем, что температура самовоспламенения дизельного топлива возрастает с
понижением давления в камере сгорания. Так, например, если при давлении 30 МПа температура самовоспламенения топлива равна 200 ˚С, то при давлении 1 МПа она достигает 400 ˚С [14].
 
Зимой особенно трудно пустить двигатели с электростартерами, так как ухудшается работоспособность аккумуляторных батарей. Вязкость электролита увеличивается. Электролит медленно проникает в поры активной массы пластин аккумуляторных элементов, вследствие чего полезная отдача аккумуляторных батарей, особенно при разрядке токами большой силы, например при работе стартера, значительно уменьшается. Эксперименты по пуску двигателя ПД6-150 при различных значениях отрицательных
температур (от минус 16 до минус 34 °С) показали, что уже при температуре электролита минус 16°С в аккумуляторах с эксплуатационной степенью заряженности (80% номинальной емкости) пуск подогретого до 60°С двигателя оказался невозможным вследствие малых пусковых оборотов, развиваемых стартером, и значительной потери емкости холодных аккумуляторных батарей.
 
Большое влияние на процесс пуска и стабильность параметров рабочего процесса дизельных двигателей в зимнее время оказывают вязкость и температура застывания топлива, от которых зависит количество и равномерность подачи топлива насосом высокого давления, качество его распыливания форсунками и смесеобразования в цилиндре. С понижением температуры вязкость дизельного топлива повышается, а из-за выделения кристаллов парафинов мутнеет и даже застывает, теряя подвижность. Выпавшие
кристаллы углеводородов забивают топливные фильтры и топливопроводы, что сначала нарушает, а затем полностью прекращает подачу топлива.
 
Факторы, влияющие на воспламенение и сгорание рабочей смеси при пуске двигателя в зимних условиях, могут быть разделены на поддающиеся управлению в процессе эксплуатации и конструктивные, управление которыми невозможно. 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, выбором топлива с соответствующим значением цетанового числа,
его подогревом перед подачей в двигатель.
При низких температурах ухудшается пропускная способность фильтров вследствие забивания их кристаллами Н-алканов и кристаллами льда. Эти помехи могут быть также устранены путем обогрева топливных фильтров