Введение. В ряде работ отмечается необходимость использования динамических характеристик дизельного двигателя при создании мобильных машин и в частности системе подачи воздуха [1, 2, 3].
Цикл работы любого двигателя внутреннего сгорания применяемого на тракторах и мобильных машинах берет начало с процесса пуска, который представляет собой особый интерес ввиду многообразия и сложности происходящих в данный период изменений различных параметров. Подобные процессы очень сложно описать конкретными математическими зависимостями, но поскольку пуск является кратковременным периодом работы двигателя, то он не получил особого внимания в различных областях исследований, [4, 5, 6]. Именно качество процесса пуска определяет эксплуатационные возможности двигателя и его ресурс.
В данной работе уделим внимание устройствам предпусковой тепловой подготовки и самому процессу пуска двигателя внутреннего сгорания в условиях низких температур, где особенные затруднения испытывают дизели. Это обусловлено тремя основными причинами:
1) гарантированный процесс воспламенения топливо-воздушной смеси в камере сгорания возможен при температуре не менее 300°С согласно ГОСТ 305-82 «Топливо дизельное». Технические условия»;
2) охлажденное дизельное топливо распыляется на достаточно крупную фракцию, что значительно затрудняет процесс смешивания и воспламенения;
3) для обеспечения достаточной компрессии в процессе пуска дизельного двигателя частота вращения его коленчатого вала должна быть не менее 100 оборотов в минуту, что бывает достаточно проблематично ввиду понижения выдаваемой мощности тока аккумуляторной батареей в условиях низких температур и загустения моторного масла в картере двигателя. Поэтому уже при температуре окружающей среды ниже -10ºС могут возникать проблемы с запуском дизельного двигателя.
Целью представленных практических и теоретических исследований является определение минимальной необходимой предпусковой температуры дизельного двигателя путем анализа зависимости компрессии в цилиндрах дизеля от его температуры.
Условия, материалы и методы. Представим расчетные зависимости температуры топливо-воздушной смеси, образующейся в цилиндре дизельного двигателя Д-243 в момент его пуска (при условии, что температура двигателя равна температуре окружающей среды):
-температура воздуха в цилиндре двигателя в процессе работы, [7]:
Т=(Та+ΔТ+Tr·ɣr)/(1+ɣr); (1)
где Та – температура воздуха окружающей среды, ºК;
ΔТ – увеличение температуры воздуха при его прохождении по воздушному тракту двигателя, ºК;
Тr – температура остаточных газов двигателя, ºК;
ɣr – коэффициент остаточных газов.
Для процесса пуска холодного двигателя формула (1) приобретает вид:
Т= Тa. (2)
Температура воздуха в цилиндре двигателя в конце такта сжатия в процессе работы двигателя определяется из выражения, [7]:
Тв=Т·Ɛᵏ¹, (3)
где Ɛ – степень сжатия двигателя, для двигателя Д-243 Ɛ=17;
к1 – показатель адиабаты сжатия, для процесса пуска примем к1=1,376.
Данная зависимость абсолютно несправедлива для процесса пуска, поскольку она не учитывает множество факторов, основополагающим из которых является низкое давление в камере сгорания в конце такта сжатия (компрессия). И если брать за основу расчета именно выражение (3), то в него следует ввести поправочный коэффициент «К», учитывающий пониженное значение фактической компрессии в процессе пуска дизеля.
Тогда выражение (3) примет вид:
Тв=К·Т·Ɛᵏ¹. (4)
Для обеспечения точности расчетов необходимо знать точное значение коэффициента «К». Но поскольку данный коэффициент зависит от множества факторов, то его определение достаточно сложно.
Определим основные факторы, которые влияют на снижение значения компрессии в процессе пуска дизеля в условиях низких температур:
К=К1·К2, (5)
где К1 – поправочный коэффициент, учитывающий низкое число оборотов коленчатого вала двигателя вследствие пониженной мощности тока стартерной аккумуляторной батареи и высокой вязкости моторного масла;
К2 – поправочный коэффициент, учитывающий увеличенные значения тепловых зазоров цилиндро-поршневой группы.
В свою очередь, значения поправочных коэффициентов К1 и К2 являются переменными величинами и имеют явно выраженную зависимость от температуры. Определить данную зависимость математическими методами достаточно сложно. Одновременно практические исследования в данной области позволили определить достаточно точную связь между вышеуказанными параметрами и температурой.
Анализ и результаты исследования.
Группа аспирантов и преподавателей (ФГБОУ ВО Ижевская государственная сельскохозяйственная академия и ФГБОУ ВО Казанский аграрный университет) провели ряд практических исследований на базе одного из ведущих сельскохозяйственных предприятий Удмуртской республики АО «Путь Ильича». За объект исследования был взят трактор МТЗ-82. Предметом исследования стал пуск его двигателя Д-243 в условиях низких температур в реальных эксплуатационных условиях. Выбор данной модели дизельного двигателя обусловлен его широким применением на тракторах.
Исследования проведены согласно утвержденной программе испытаний, заключающейся в пуске двигателя Д-243 трактора МТЗ-82 при температурах от -30ºС с интервалом в 5ºС до +5ºС (температура двигателя равна температуре окружающей среды), а также от +5ºС до +90ºС с интервалом 20ºС (температура окружающей среды +20ºС). Замеры проведены с целью определения величины компрессии в цилиндрах двигателя и частоты вращения коленчатого вала при определенных температурах. Эксперименты проводились при помощи пуско-зарядного устройства, обеспечивающего полную электрическую мощность стартера дизеля.
В результате испытаний были получены следующие данные, которые представлены в таблице 1.
Проанализировав представленные данные, стоит отметить, что компрессия в двигателе при пуске снижается в геометрической прогрессии в зависимости от линейного снижения температуры окружающей среды. Поправочный коэффициент “К” можно определить, зная номинальное значение компрессии для данного типа двигателя и значение компрессии при определенной температуре окружающей среды:
К=Pф/Pн, (6)
где Pф – фактическое значение компрессии при определенной температуре окружающей среды, атм;
Pн – номинальное значение компрессии для данного типа двигателя, атм. (для дизеля Д-243 Pн=27 атм.).
Таким образом, согласно выражению (6) для температуры -30ºС по данным таблицы 1, поправочный коэффициент К:
К=9,75/ 27=0,36.
Тогда температура воздуха в конце такта сжатия при пуске двигателя Д-243 при -30ºС (243ºК) согласно выражению (4):
Тв = 0,36·243·170,376=253ºК= -20ºС.
Как видим, полученное значение температуры слишком мало для процесса пуска дизельного двигателя.
Для гарантированного процесса самовоспламенения топливо-воздушной смеси необходимым условием является обеспечение минимальной необходимой температуры. Для зимнего сорта дизельного топлива по ГОСТ 305-82 «Топливо дизельное» данная температура должна быть не менее 300ºС. Необходимо учитывать не только температуру сжатого в цилиндре дизеля воздуха, но и температуру впрыскиваемого топлива. Приведем следующий расчет:
Масса воздушного заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процессе впуска[7]:
Мв=Vц·ρ·ηv, (7)
где Vц - рабочий объем цилиндра, для двигателя Д-243 Vц = 0,0011 м³;
ρ – плотность воздуха при заданной расчетной температуре, кг/м³;
ηv – коэффициент наполнения, при пуске двигателя ηv = 0,95.
Цикловую подачу топлива в процессе пуска двигателя Д-243 определим исходя из характеристик настройки топливного насоса УТН-5. Производительность секции насоса при пуске двигателя составляет не менее 120 мм³/цикл.
Поэтому принимаем цикловую подачу топлива gц = 120 мм³/цикл = 0,00012 · 10¯³ м³/цикл.
Масса топлива цикловой подачи:
Мт = gц × ρт, (8)
где ρт – плотность дизельного топлива при заданной расчетной температуре.
Температура топливовоздушной смеси в процессе пуска двигателя Д-243:
Тсм=(Срв·Мв·Тв+Срт·Мт·Тт)/(Срв·Мв+ Срт·Мт), (9)
где Срв – удельная теплоемкость воздуха при заданной расчетной температуре,
Дж/(кг·град);
Срт – удельная теплоемкость топлива при заданной расчетной температуре,
Дж/(кг·град).
Для обеспечения гарантированного пуска дизеля в идеальном случае следует подавать в цилиндры разогретый воздух, но практически реализовать это сложно. Но если провести анализ зависимости (5), то можно утверждать, что температуру воздуха в цилиндре двигателя в конце такта сжатия можно существенно увеличить двумя способами:
1. снижением передачи тепловой энергии холодным деталям путем их предварительного нагрева (снижение коэффициента К1);
2. увеличением давления в цилиндре за счет увеличения частоты вращения коленчатого вала двигателя в процессе пуска путем предварительного подогрева моторного масла и снижения его вязкости (снижение коэффициента К2). Данными техническими решениями возможно получить аналогичный эффект, что и при подаче подогретого воздуха непосредственно в цилиндры двигателя. Но здесь гораздо проще осуществить процесс в реальной эксплуатации.
Произведем расчет температуры топливо-воздушной смеси в конце такта сжатия в цилиндрах дизеля серии Д-240 согласно выражению (9) от -30ºС до значений нормальной температуры (+20ºС) с интервалом в 5ºС.
Таким образом, при анализе расчетных данных таблицы 2 видим, что гарантированный пуск дизеля при применении зимнего сорта топлива возможен при температуре от +5°С и выше. И это условие можно распространить на большинство моделей дизелей. Такую рекомендацию дает и сам завод-изготовитель двигателей данной модели, полученную по статистическим данным эксплуатации от потребителя. Эту рекомендацию возможно распространить на все основные модели дизелей. Это говорит о том, что значения поправочного коэффициента «К» определены верно и могут быть использованы в дальнейших расчетах. Также, полученные данные таблицы 2 позволяют оптимизировать режимы работы устройств предпусковой тепловой подготовки. Подобные устройства должны гарантировать прогрев дизельного двигателя минимум до температуры +5°С.
На сегодняшний день широкое распространение получил электрический подогрев систем охлаждения двигателей, а также применение автономных жидко-топливных подогревателей, обеспечивающих поддержание заданной температуры охлаждающей жидкости и моторного масла [7]. Также, для обеспечения запуска в условиях низких температур, множество моделей дизельных двигателей имеют в своей конструкции свечи накала, расположенные в камере сгорания и служащие для подогрева поступающего в цилиндры двигателя воздуха. Стоит отметить, что все представленные методы имеют ряд существенных недостатков, среди которых общим для всех является необходимость затрат дополнительной энергии, что в условиях реальной эксплуатации либо является затратным процессом, либо не во всех ситуациях имеется доступ к дополнительной энергии [8].
В настоящее время начинают приобретать все большее распространение тепловые аккумуляторы для двигателей, предназначенные для сохранения тепловой энергии охлаждающей жидкости в период стоянки или хранения техники в период между сменами.
Приведем таблицу сравнительного анализа методов тепловой подготовки автотракторного двигателя, где знаком «+» отмечены преимущества, а знаком «-» отмечены недостатки методов [9, 10, 11].
Таким образом, проанализировав данные таблицы 3, можно заметить, что в сравнении с другими типами подогрева двигателя применение теплового аккумулятора является самым перспективным методом, имеющим наибольшее преимущество [12].
Выводы. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования, связанные с условиями запуска дизельного двигателя Д-243, позволили определить его минимальную необходимую предпусковую температуру, обеспечивающую гарантированный процесс пуска. Данная температура составляет +5ºС. С учетом данной температуры появляется возможность оптимизации параметров систем предпусковой тепловой подготовки дизельных двигателей, что позволит снизить конечные затраты на эксплуатацию техники в целом.
Также проведен краткий обзор и сравнительный анализ методов предпускового подогрева, который показал, что система теплового аккумулирования для предпусковой подготовки двигателей внутреннего сгорания является достаточно перспективным методом, не требующим использования дополнительных источников энергии.
