Системы подогрева, пуска двигателя и выпуска отработавших газов

При пуске холодного двигателя зимой из-за низкой температуры воздуха нарушается процесс образования горючей смеси, снижаются температура и давление в цилиндре в конце такта сжатия, т. е. создаются неблагоприятные условия для воспламенения топлива. Кроме того, повышение вязкости масла вследствие низкой температуры приводит к увеличению момента сопротивления прокручиванию валов двигателя. Все это затрудняет, а иногда делает невозможным пуск двигателя в зимних условиях без предварительного подогрева. Особенно трудно запустить холодный дизель.

Температура двигателя при пуске существенно влияет на износ его деталей. Экспериментальные исследования показали, что за время одного пуска-прогрева холодного двигателя Детали его кривошипно-шатунного механизма изнашиваются в такой же степени, как и в процессе работы с эксплуатационной нагрузкой при номинальной температуре в течение 2…4 ч.

Система подогрева предназначена для прогрева двигателя перед пуском или поддержания его готовности к пуску в условиях низких температур окружающего воздуха. К ней предъявляются следующие требования:

  • обеспечение быстрого и надежного подогрева двигателя (а иногда и других агрегатов транспортного средства) при низкой температуре окружающего воздуха
  • компактность
  • простота устройства и управления
  • экономичность
  • безопасность в пожарном отношении
  • отсутствие концентрации в транспортном средстве (особенно в тех местах, где могут находиться люди) опасных для здоровья веществ, являющихся результатом функционирования системы подогрева
  • соответствие топлива двигателя и подогревателя (в случае использования жидкостных подогревателей)

Подогреватели двигателей гражданских ТС должны обеспечивать их подогрев от -30 °С до пусковой температуры максимум за 25..,30 мин. Для военных машин требования более жесткие: в течение 25 мин двигатель должен быть прогрет до пусковой температуры, если температура окружающего воздуха равна -50 °С.

На ТС возможно применение электрических, воздушных, жидкостных, химических и комбинированных подогревателей.

В электрических подогревателях электроэнергия аккумуляторных батарей или внешних источников преобразуется в тепловую за счет введения в цепь большого омического сопротивления (установка спиралей). Такие подогреватели используются весьма ограниченно из-за значительного потребления электрической энергии.

Воздушные подогреватели обеспечивают обдув двигателя и других агрегатов ТС нагретым воздухом или нагревают воздух, находящийся во впускном коллекторе двигателя. Чаще всего для нагрева воздуха применяется электрическая энергия. Преимуществом воздушного подогревателя, обеспечивающего обдув двигателя горячим воздухом, является то, что он непосредственно подогревает подшипники коленчатого вала, а также другие элементы двигателя и трансмиссии. Однако интенсивный подогрев жидкостного тракта системы охлаждения не обеспечивается, поэтому общая эффективность подогрева двигателя с жидкостным охлаждением оказывается недостаточной. В связи с этим воздушные подогреватели, обдувающие нагретым воздухом двигатель перед пуском, используются в основном в силовых установках с двигателями воздушного охлаждения.

Нагрев воздуха во впускном коллекторе холодного двигателя перед его пуском широко применяется в дизелях небольшой мощности. В этом случае используются свечи предпускового и последующего подогрева с открытой спиралью, которые установлены во впускном коллекторе и питаются от штатной аккумуляторной батареи транспортного средства.

В силовых установках с жидкостными системами охлаждения наиболее широкое распространение получили жидкостные форсуночные подогреватели с принудительной циркуляцией жидкости в контуре, соединенном с контуром системы охлаждения двигателя.

Схема жидкостной системы подогрева показана на рисунке. Ее основными частями являются насосный узел, котел-подогреватель, трубопроводы и органы управления. Насосный узел включает в себя электродвигатель 2, топливный насос 7, нагнетатель воздуха 3 и жидкостный насос 4. В корпусе 5 котла-подогревателя находятся рубашка подогрева 6, камера сгорания 7, топливная форсунка 9 и свеча накаливания 10.

При пуске подогревателя открывается электромагнитный клапан 8, и насос 1 подает топливо через форсунку в камеру сгорания, где оно смешивается с воздухом, подаваемым нагнетателем, и воспламеняется от свечи накаливания. Затем свеча выключается, поскольку горение поддерживается автоматически. Сгорая, топливовоздушная смесь нагревает стенки тепло-обменника котла-подогревателя, через которые теплота передается охлаждающей жидкости, поступающей в рубашку подогрева от жидкостного насоса. Нагретая в котле жидкость, циркулируя по контурам систем подогрева и охлаждения двигателя, подогревает его цилиндры и головку блока. Кроме того, в СУ с сухим картером подогревается моторное масло в масляном баке, основной маслоподводящей магистрали и предпусковом маслозакачивающем насосе. На некоторых ТС жидкостный подогреватель используется также для подогрева трансмиссионного масла.

Схема жидкостной системы подогрева

Рис. Схема жидкостной системы подогрева:
1 — топливный насос; 2 — электродвигатель; 3 — нагнетатель воздуха; 4 — жидкостный насос; 5 — корпус котла-подогревателя; 6 — рубашка подогрева; 7 — камера сгорания; 8 — электромагнитный клапан; 9 — топливная форсунка; 10 — свеча накаливания

Недостатком жидкостной системы подогрева является то, что она не обеспечивает быстрого нагрева подшипников коленчатого вала двигателя и других агрегатов моторно-трансмиссионного отделения. Этот недостаток можно частично устранить путем применения комбинированной воздушно-жидкостной системы подогрева, в которой часть теплоты отработавших в котле-подогревателе газов используется для подогрева агрегатов, не имеющих жидкостной связи с подогревателем. В этом случае очень важно не допустить концентрации отработавших газов ни в моторно-трансмиссионном, ни в других отделениях ТС.

Перспективными являются химические предпусковые подогреватели, в которых необходимая для нагрева двигателя теплота образуется в процессе химической реакции. Например, существуют подогреватели, в которых теплота выделяется при образовании гидридов металлов, т.е. в процессе соединения металла с водородом.

Система пуска двигателя предназначена для проворачивания его коленчатого вала с такой частотой, при которой удовлетворительно протекают процессы смесеобразования, сжатия и воспламенения, а также нормально работают остальные системы двигателя.

К системе пуска двигателя предъявляют следующие требования:

  • надежный и быстрый пуск, в том числе при низких температурах окружающего воздуха
  • энергоемкость системы, достаточная для выполнения необходимого числа повторных пусков и быстро восстанавливающаяся при работе двигателя
  • низкая стоимость
  • минимальная масса и габариты
  • простота в обслуживании и ремонте

Различают следующие виды пусковых устройств:

  • электрический
  • инерционный и гидравлический стартеры
  • а также устройства пуска сжатым воздухом и при помощи вспомогательного двигателя

На ТС наиболее широкое распространение получили электростартеры. Основными элементами конструкции типичного электростартера являются электродвигатель с питанием от аккумуляторной батареи транспортного средства, цилиндрическая зубчатая передача с передаточным отношением 8—18 и органы управления, причем ведущее зубчатое колесо установлено на валу, который связан с ротором электродвигателя через обгонную муфту, а ведомое является частью маховика двигателя. Во время пуска поршневого двигателя зубчатые колеса входят в зацепление, и вращающий момент от электродвигателя передается на коленчатый вал через маховик до пуска ДВС.

Мощность электростартера обычно составляет 1,0… 2,5 % мощности бензинового двигателя и 5… 10 % — дизеля. К достоинствам электростартера относятся его малые габариты, низкая стоимость, возможность дистанционного управления и заряда аккумуляторной батареи во время работы двигателя. Основные недостатки электростартера: потребность в тяжелых и сравнительно малонадежных аккумуляторных батареях, рассчитанных на большую силу разрядного тока и подверженных существенному влиянию температуры окружающего воздуха.

В СУ с мощными дизелями в качестве резервного, а часто и основного средства пуска применяется система пуска сжатым воздухом. Принцип действия данного устройства заключается в подаче сжатого воздуха в цилиндры двигателя во время тактов рабочего хода. Схемы системы пуска двигателя сжатым воздухом представлены на рисунке.

При пуске двигателя сжатый воздух из ресиверов 6 (баллонов) поступает в воздухораспределитель 3, проходя через кран-редуктор 5, который ограничивает давление воздуха, регистрируемое манометром 4. Планшайба воздухораспределителя, имеющая отверстия для прохода воздуха, вращается синхронно с коленчатым валом двигателя и во время тактов рабочего хода направляет воздух в соответствующие цилиндры 1 через пусковые клапаны 2, которые открываются под действием давления сжатого воздуха, преодолевая усилие пружины. Попадая в цилиндр, воздух давит на поршень и тем самым проворачивает коленчатый вал. Система действует до тех пор, пока не произойдет пуск двигателя.

Схемы системы пуска двигателя сжатым воздухом

Рис. Схемы системы пуска двигателя сжатым воздухом:
а — общая схема; б — участок между цилиндром двигателя и воздухораспределителем; 1 — цилиндр; 2 — пусковой клапан; 3 — воздухораспределитель; 4 — манометр; 5 — кран-редуктор; 6 — ресивер

Если система пневмопуска резервная, то во время работы двигателя баллоны не подкачиваются и при падении давления в них до 4…6 МПа заменяются. В новых баллонах давление сжатого воздуха должно составлять 15… 20 МПа, что достаточно для 5 — 10 пусков двигателя. Если же система пуска двигателя основная, то во время его работы баллоны должны подкачиваться с помощью компрессора (на рисунке не показан).

Действие инерционного стартера основано на использовании кинетической энергии вращающейся массы. В настоящее время инерционные стартеры почти не используются из-за относительной сложности конструкции и недостаточной надежности в работе.

Пуск дизеля с домощью вспомогательного (пускового) бензинового двигателя малой мощности также почти не применяется. Ранее такой способ пуска использовался в основном на трактора. С этой целью был разработан целый ряд карбюраторных двигателей мощностью 5… 18 кВт. Их практическое применение показало, что для обеспечения надежного пуска дизеля необходимо, чтобы мощность пускового двигателя составляла примерно 20 % номинальной мощностей пускаемого.

Самым «экзотическим» пусковым устройством можно считать гидравлический стартер. Процесс пуска с его помощью заключается в том, что в гидромотор, соединенный с валом пускаемого двигателя, под давлением подается незамерзающая жидкость, вытесняемая цз специальных баллонов-аккумуляторов сжатым газом.

Для облегчения пуска двигателя иногда пользуются специальными устройствами. Их можно разделить на две основные группы:

  • уменьшающие сопротивление прокручиванию коленчатого вала
  • облегчающие воспламенение рабочей смеси

В первой группе относятся декомпрессоры. На начальном этапе пуска они соединяют внутренние полости цилиндров с атмосферой через впускные или выпускные клапаны, снижая тем самым сопротивление прокручиванию коленчатого вала от сжатия воздуха (рабочей смеси) в тех цилиндрах, в которых в данный момент происходит такт сжатия. Устройства, облегчающие воспламенение рабочей смеси, временно обеспечивают один из следующих процессов: обогащение смеси, уменьшение угла опережения впрыска (угла опережения зажигания для бензиновых двигателей), замена основного топлива легко воспламеняющимся (например, этишовым спиртом), воспламенение от свечи с открытой спиралью, подогрев воздуха во впускном коллекторе дизеля с помощью свечей накаливания и др.

Система выпуска отработавших газов предназначена для удаления продуктов сгорания из цилиндров двигателя, снижения уровня аэродинамического шума и токсичности отработавших газов, а также улавливания твердых частиц (в основном сажи) в отработавших газах дизелей.

Данная система в общем случае состоит из выпускного коллектора, выпускных труб с различными переходниками и элементами крепления, одного или нескольких глушителей, резонаторов и каталитических нейтрализаторов, а также фильтра твердых частиц (для некоторых дизелей).

Необходимо, чтобы система выпуска отработавших газов оказывала минимальное сопротивление прохождению отработавших газов, снижала до определенного уровня аэродинамический шум при выпуске, исключала выброс из выпускной трубы искр и пламени, снижала токсичность отработавших газов и улавливала в отработавших газах твердые частицы (для дизелей).

Минимальное сопротивление прохождению отработавших газов необходимо обеспечить для того, чтобы снизить противо-давление при выпуске, повысив тем самым среднее эффективное давление в цилиндре и соответственно свободную мощность двигателя. Для двигателей с турбонаддувом снижение сопротивления в выпускном коллекторе позволяет более полно использовать энергию отработавших газов для обеспечения наддува. В случае применения эжекционной системы охлаждения уменьшение сопротивления в системе выпуска повышает эффективность этой системы.

Добиться уменьшения сопротивления в системе выпуска только за счет снижения скорости газов (увеличения проходных сечений) нельзя, так как при этом возрастают габариты и масса двигателя и всей силовой установки. Кроме того, уменьшение скорости газов в выпускном коллекторе двигателя с турбонаддувом приводит к снижению их кинетической энергии и ухудшению теплоиспользования. То же самое можно сказать и в случае применения эжекционной системы охлаждения. Поэтому при проектировании выпускной системы главное внимание уделяется снижению гидравлического сопротивления ее элементов. Трубопроводы системы выпуска должны иметь минимально возможную длину, без резких поворотов и изменения сечений.

С целью уменьшения уровня, шума, создаваемого двигателем, в системе выпуска отработавших газов устанавливают один или несколько глушителей. Данный элемент выпускной системы пропускает звуковые колебания с частотой ниже некоторой граничной и поглощает колебания, частота которых выше граничной (ее значение лежит в пределах 100… 105 Гц). На колесных и гусеничных ТС наиболее широкое распространение получили камерно-резонансные глушители как самые простые и дешевые. Их конструкции могут быть разнообразными, но основной принцип работы один: в глушителе должна резко меняться скорость течения отработавших газов, что достигается неоднократным изменением площади сечения каналов выпускного тракта.

В нейтрализаторе отработавших газов основные токсичные компоненты — оксид углерода СО, углеводороды СН и оксиды азота NOx(применительно к бензиновым двигателям) — образуют нетоксичные газы в результате химических реакций с кислородом, между собой или с другими газами, добавляемыми в отработавшие.

В ТС находят применение главным образом каталитические нейтрализаторы. В качестве катализаторов используют преимущественно благородные металлы — платину, палладий, платинопалладиевые сплавы с добавлением радия, рутения и иридия, которые очень тонким слоем наносят на керамический носитель, имеющий пористую структуру и расположенный в выпускном тракте.

На современные «экологичные» силовые установки с дизелями с целью снижения уровня вредных выбросов кроме нейтрализаторов устанавливают фильтры для улавливания твердых частиц (сажа, продукты сгорания серы и моторного масла, а также износа двигателя) в отработавших газах (их часто называют сажевыми фильтрами).

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.