Подогрев воздуха во впускном трубопроводе

Подогрев впускного воздуха улучшает условия пуска дизелей с неразделенной камерой сгорания. Примером устройства, обеспечивающего повышение температуры конца сжатия за счет подогрева впускного воздуха, служит свеча подогрева СН-150. Свеча мощностью 400 Вт устанавливается на впускном трубопроводе тракторных дизелей с рабочей объемом до 4-5 л. Учитывая ее малую мощность, для роста температуры всасываемого воздуха устанавливаются две и более свечи. Но при использовании более одной свечи повышается расход электроэнергии и увеличивается аэродинамическое сопротивление впускного трубопровода.

Спираль свечи изготовляется из проволоки высокого омического сопротивления с диаметром 2 мм. Свеча устанавливается в специальном гнезде на впускном трубопроводе и закрепляется накидной гайкой. Место установки свечи выбирается экспериментально, исходя из максимально возможного приближения ее к впускным окнам, с учетом количества и схемы расположения цилиндров двигателя. Номинальное напряжение свечи 8,5 В, номинальная сила тока 45-47 А, время нагрева до рабочей температуры (900-1000 С) составляет 40-60 с. Последовательно со свечой включены в электроцепь дополнительный резистор, который закорачивается во время пуска, контрольный элемент, спираль, заключенная в кожух или контрольная лампочка. Время, необходимое для нагрева спирали свечи, контролируется по степени нагрева спирали контрольного элемента или по накалу лампочки.

При использовании свечей подогрева впускного воздуха в сочетании с маловязкими маслами и увеличенной цикловой подачей топлива предельная температура надежного пуска холодного дизеля снижается примерно на 5 С.

Рис. Свеча подогрева впускного воздуха СН-150: 1 — спираль накаливания; 2 — стержень; 3 — корпус; 4 — контактная гайка

Рис. Фланцевая свеча: 1— корпус; 2 — спираль; 3 — контакты

Для повышения эффективности и снижения температуры пуска применяются фланцевые свечи. У фланцевых свечей за счет удлинения спирали увеличивается поверхность теплоотдачи, ее мощность при этом не меняется. Кроме того, уменьшаются потери теплоты в результате их установки непосредственно около впускных окон. Однако такие свечи не получили широкого распространения из-за невозможности унификации их конструкций для применения на различных типах дизелей.

Эффективность применения свечей подогрева снижается с понижением температуры. Поэтому их применяют для облегчения пуска дизелей с неразделенной камерой сгорания до температур не ниже -15 С», а при температурах ниже -15 С» подогрев всасываемого воздуха осуществляют электрофакельными подогревателями.

Одним из достоинств электрофакельных подогревателей является возможность их работы как на дизельном топливе, так и на бензине. Это позволяет их использовать для облегчения пуска, кроме дизелей, и на многотопливных двигателях. По сравнению со свечами электрофакельные подогреватели потребляют меньшее количество электроэнергии. Кроме того, наряду с эффективным подогревом воздуха они газифицируют часть несгоревшего топлива, что улучшает внешнее смесеобразование. Несгоревшие частицы топлива в виде паров или газов попадают в цилиндры двигателя и, являясь там очагами воспламенения, способствуют более быстрому сгоранию топлива. Данное свойство используется для облегчения пуска бензинового двигателя. Для этого снижается температура поверхности нагревательного элемента электрофакела, что позволяет получить во впускном трубопроводе пары бензина, которые, попав в цилиндры, способствуют надежному пуску и прогреву бензинового двигателя. Работа подогревателя после пуека дизеля в режиме сопровождения ускоряет прогрев двигателя, уменьшает дымность и снижает токсичность отработавших газов.

На продолжительность пуска двигателя влияют расположение электрофакела во впускном трубопроводе по отношению к впускным окнам, а также величина выступания его нагревательного элемента в коллекторе. При проектировании двигателей, на которых планируется установка подогревателей, необходимо предусматривать во впускном трубопроводе специальные выступы, снижающие скорость всасываемого воздуха и способствующие устойчивому горению факела при самостоятельной работе двигателя. При наличии у двигателя двух впускных трубопроводов подогреватели располагают в каждом из них.

Эффективность пуска дизеля с электрокафельным подогревателем повышается при правильно выбранном начальном угле опережения впрыскивания Уоп топлива. Величина Уоп для каждого типа дизеля опредедяется экспериментально. На рисунке в качестве примера отечественной конструкции предлагается электрофакельный подогреватель ЭФП-8101500, устанавливаемый на тракторные дизели Минского моторного завода и Харьковского завода тракторных двигателей. Нагревательным элементом такого подогревателя является спираль из нихромовой проволоки. Для поддержания пламени при самостоятельной работе дизеля спираль имеет двойную навивку, с тем чтобы ее внешняя часть предохраняла от переохлаждения внутреннюю. Спираль заключена в колпачок с отверстиями, который создает оптимальные условия для воспламенения топливовоздушной смеси и предотвращает от попадания в цилиндры двигателя частиц сгоревшей спирали в случае ее перегорания. Спираль соединяется параллельно обмотке электромагнитного клапана, обеспечивающего подачу топлива на спираль подогревателя.

Срабатывание электромагнитного клапана осуществляется после предварительного нагрева спирали одновременно с включением стартера. Нагрев спирали до рабочей температуры (900 С») обеспечивается за 15-20 с. Спираль к источнику тока подключается через добавочный резистор СЭБ-50В (закорачиваемый при пуске), контрольный элемент ПД-50В и выключатель типа ВК-316Б. При включенном электромагнитном клапане топливо попадает на раскаленную спираль электрофакельного подогревателя, на которой оно, воспламеняясь, образует факел пламени, с помощью которого поступающий в цилиндры воздух нагревается. Электрофакельный подогреватель выключают из электросети после выхода дизеля на устойчивый режим работы.

Рис. Электрофакельный подогреватель ЭФП-8101500:
1 — спираль накаливания; 2 — защитный колпачок; 3 — катушка электромагнита; 4 — фильтр; 5 — топливный клапан

Более совершенной конструкцией электрофакельного подогревателя является конструкция, устанавливаемая на дизели автомобилей КамАЗ, ЗИЛ, ГАЗ. и некоторые другие типы дизелей ЯМЗ. В его комплект входит одна (две) факельная одноштифтовая свеча, электромагнитный топливный клапан, добавочный резистор с электротермическим реле, а также кнопочный выключатель, реле блокировки и отключения обмотки возбуждения генератора, контрольная лампа готовности к пуску и топливопроводы. У подогревателя имеются топливная и электрическая схемы, подключаемые к соответствующим системам автомобиля. Основным устройством, обеспечивающим получение факела для нагрева поступающего в цилиндры воздуха, является факельная штифтовая свеча. Их количество и место расположения зависят от конструкции впускного трубопровода и рабочего объема двигателя. В связи с тем, что отечественной промышленностью не выпускаются двухштифтовые свечи для дизеля ЯМЗ-240 с рабочим объемом 22 л, требуется установка четырех одноштифтовых свечей. Свечи на впускном трубопроводе размещают таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение нагретого воздуха по цилиндрам. Конструкция свечи допускает их установку в вертикальном, горизонтальном и промежуточном положениях.

Рис. Комплект электрофакельного устройства подогрева впускного воздуха автомобиля КамАЗ: 1 — факельная штифтовая свеча; 2 — реле блокировки н отключения обмотки возбуждения генератора; 3 — добавочный резистор с электротермическим реле; 4 — электромагнитный топливный клапан

Факельная штифтовая свеча имеет корпус, внутри которого расположен нагревательный элемент, выполненный в виде однопроводной свечи закрытого типа, рассчитанной на напряжение 19 или 8,5 В при силе тока соответственно 11 и 22 А. Спираль свечи помещена в тонкий металлический кожух, заполненный периклазом, и поверхность ее нагревается до 1000-1100 С. На корпусе расположен штуцер для подсоединения свечи к топливопроводу, а в нижней части имеется резьба для крепления ее на впускном трубопроводе. В нужном положении свеча фиксируется контргайкой. В топливном штуцере располагается фильтр, изготовленный из высокопористой бронзы, и жиклер, обеспечивающий дозирование топлива. Поступающее под низким давлением топливо попадает во внутреннее пространство свечи, смачивает испарительную сетку, расположенную между кольцевой вставкой и штифтом нагревательного элемента. Наличие испарительной сетки способствует более равномерному распределению топлива вокруг штиф, та и препятствует быстрому его вытеканию.

Рис. Факельная штифтовая свеча (слева): 1 — корпус; 2 — спираль нагревательного элемента; 3 — топливный жиклер; 4 — фильтр; 5 — кольцевая вставка; 6 — испарительная сетка; 7 — защитный кожух

Рис. Схема топливной системы ЭФУ автомобиля КамАЗ (справа): 1 — сливная магистраль; 2 — топливная форсунка; 3 — перепускной клапан; 4 — топливный насос высокого давления; 5 — клапан — жиклер; б — факельные свечи; 7 — электромагнитный топливный клапан; 8 — фильтр тонкой очистки топлива; 9 — топливоподкачиваюший насос; 10 — фильтр грубой очистки топлива; 11 — топливный бак

Факел пламени образуется в результате смешивания испарившейся части топлива с поступающим во впускной трубопровод воздухом в нижней части свечи. От переохлаждения нагревательный элемент защищен кожухом с отверстиями. Это обеспечивает поддержание устойчивого горения при работе двигателя на режиме самостоятельной работы после его пуска (режим сопровождения), что необходимо для быстрого прогревания цилиндров.

Топливо из системы питания двигателя поступает к свече через электромагнитный клапан. Его нормальная работа обеспечивается при условии, что магистраль низкого давления от фильтра тонкой очистки до топливного насоса высокого давления (ТНВД) будет заполнена топливом и топливоподкачивающий насос будет обеспечивать давление 20-40 кПа. На автомобиле КамАЗ этой цели служат перепускной клапан ТНВД и клапан-жиклер, установленные в крышке фильтра тонкой очистки.

Давление клапана-жиклера находится в пределах 25-45 кПа, а перепускного 60-80 кПа. Отклонение от данных величин приводит или к задержке появления факела, или к его затуханию. Электромагнитный клапан открывается после предварительного нагрева свечи. Управление клапаном и нагревом свечи осуществляется с помощью электротермического реле, размещенного в одном корпусе с добавочным резистором. Добавочный резистор служит для исключения падения напряжения в момент предварительного нагрева факельной штифтовой свечи и закорачивается в момент включения стартера.

Продолжительность предварительного нагрева факельной штифтовой свечи зависит главным образом от температуры окружающей среды (при вертикальном положении электротермического реле составляет 70-110 с). Оно определяется временем нагрева биметаллической пластины, по которой протекает ток свечей. Вследствие нагрева биметаллической пластины контакты реле замыкаются, в результате чего одновременно включаются топливный электромагнитный клапан и контрольная лампочка, сигнализирующая о необходимости включения стартера.

В электрической схеме электрофакельного подогревателя предусматривается реле блокировки, отключающее электроцепь факельной штифтовой свечи от обмотки возбуждения генератора при работающем двигателе. Это предотвращает перегорание свечей из-за высокого напряжения электрической цепи автомобиля после пуска, когда добавочный резистор устройства закорочен. Кроме того, в электроцепи должен быть амперметр, по показанию которого судят от работоспособности электрофакельного подогревателя.

Рис. Термостат CAV-367 фирмы Лукас: 1 — корпус клапана; 2 — корпус термостата; 3 — защитный кожух; 4 — спираль; 5 — стержень; 6 — запорный шарик; 7 — штекер

Другой разновидностью конструктивного решения электрофакельного подогревателя является термостат CAV-357 английской фирмы Лукас. Термостат имеет корпус с размещенным в нем топливным клапаном, внутри которого существует канал определенного диаметра, перекрываемый шариком под воздействием стержня, находящегося в холодном состоянии. Один конец спирали соединен с массой через защитный кожух, завальцованный ь корпус, другой в виде шггекера выведен наружу термостата и изолирован от массы. Форма навивки спирали и расположение отверстий на защитном кожухе выбраны таким образом, чтобы обеспечить устойчивое горение факела при работающем двигателе. Крепить термостат рекомендуется горизонтально или под углом 30″. Однако, как показали эксперименты, его можно устанавливать и вертикально. Питание туитивом обеспечивается от отдельного бачка вместимостью 25 см3, что гарантирует бесперебойную подачу топлива при малой частоте вращения коленчатого вала и способствует его широкому использованию на дизелях с различными схемами топливоподачи. Бачок располагают на высоте не менее 100 мм над уровнем топливного клапана. Это в некоторых случаях вызывает затруднения при компоновке термостата на автомобиле.

Термостат включают за 15-20 с перед пуском двигателя. Нагреваясь, спираль тянет стержень, в результате чего шарик перестает прижиматься к седлу клапана, и топливо самотеком по стержню попадает внутрь спирали. Нагреваясь, топливо испаряется и, смешиваясь в нижней части термостата с поступающим воздухом, воспламеняется.

Зависимость проходного сечения клапана от температуры приводит к затуханию пламени при температурах пуска ниже -15 С» и не обеспечивает горение в процессе самостоятельной работы двигателя при низких температурах окружающей среды. Имеющаяся модификация термостата с отдельным топливным клапаном позволяет повысить эффективность его использования при температурах ниже -15 С».

Необходимо отметить, что основным недостатком электрофакельных подогревателей является отсутствие у водителя информации о наличии факела в процессе пуска двигателя. Для устранения этого в настоящее время ведутся исследования. В частности, предусматривается установка фотодиодного датчика.

Применение электрофакельных подогревателей обеспечивает пуск различных типов дизелей на малорязких маслах при температурах -20, -25 С» при n равной 70-80 мин.