Пуск двигателя с наддувом

Известно, что для пуска двигателя необходимо его коленчатый вал привести во вращение от постороннего источника энергии и довести частоту вращения до некоторой величины, обеспечивающей удовлетворительное протекание процессов смесеобразования, сжатия и воспламенения горючей смеси. Необходимая для начала работы пусковая частота вращения зависит от способа смесеобразования, зажигания или самовоспламенения, от типа двигателя, его конструктивных особенностей, степени изношенности, от температуры воздуха и теплового состояния самого двигателя.

Конструктивной особенностью двигателя с наддувом, особенно повышенным наддувом, является пониженная, по сравнению с двигателем с естественным всасыванием, степень сжатия. Следовательно, отсюда возникают проблемы обеспечения эффективного пуска. Особые сложности эта проблема представляет при необходимости обеспечения холодного пуска (пуска непрогретого двигателя, особенно в условиях пониженных температур окружающего воздуха и особенно в условиях высокогорья, т. е. пониженных давлений окружающей среды). В сравнении с дизелем пуск бензинового двигателя можно на-звать лёгким и быстрым. И объясняется это применением внешнего смесеобразования, использованием легко испаряющегося топлива, наличием возможности обогащения пусковой смеси. Всё это позволяет иметь минимальную пусковую частоту вращения для бензиновых ДВС на уровне 50 мин-1, даже с учётом пониженных температур окружающего воздуха. Минимальная пусковая частота вращения вала автотракторного дизеля значительно выше (150 — 250 мин-1 даже при температуре окружающего воздуха 10 — 15°С для дизелей с неразделёнными и разделёнными камерами сгорания соответственно), вследствие особенностей смесеобразования и воспламенения.

Сложности холодного пуска хорошо известны. К ним относятся проблемы проворачивания вала с достаточно высокой частотой, когда масло из-за низких температур является чрезмерно вязким и создаёт большие сопротивления прокрутке вала. Но ещё более сложна для решения проблема самовоспламенения топлива. Низкая начальная температура заряда, а также низкая степень сжатия не обеспечивают получения достаточно высокой температуры сжатия. Холодные стенки цилиндров дополнительно отводят тепло от сжатого заряда, ещё более снижая его температуру.

По мере усовершенствования систем пуска дизелей пришлось столкнуться с необходимостью предварительного прогрева двигателя, с необходимостью иметь аккумуляторные батареи повышенной ёмкости и мощности, а следовательно повышенной мощности электрогенераторы.

В автотракторных высокооборотных двигателях проблема самовоспламенения топлива решается применением высокой степени сжатия, которая часто составляет 20 и более. Малоразмерные автомобильные дизели ранее выполнялись преимущественно с разделёнными камерами сгорания, и поэтому не составляло больших сложностей установить в камере свечу накаливания, которая и обеспечивала после предварительного прогрева достаточный уровень температуры заряда (в сравнительно малом объёме камеры сгорания). Двигатели с неразделёнными камерами требуют более мощного источника прогрева, больших размеров свечи накаливания и больших источников электропитания.

Все эти средства дают хороший эффект для дизелей без наддува. Однако для дизеля с наддувом проблема пуска усложняется. Как отмечено ранее, у такого двигателя часто приходится уменьшать степень сжатия. При степени сжатия 13 (очень низкой для безнаддувного двигателя и достаточно высокой для двигателя с наддувом) температура сжатия достигает 630°С на режиме полной нагрузки, но значительно ниже на режимах частичных нагрузок, когда турбокомпрессор имеет малую или даже нулевую производительность. (Двигатель без наддува в тех же атмосферных условиях при степени сжатия 16 обеспечивает получение температуры сжатия, равной 720°С). Очевидно, что у дизеля с наддувом на режиме пуска компрессор не работает, и в результате температура сжатия получается очень низкой. Ситуацию улучшает применение электронагревателей масла. Такой нагреватель обычно устанавливается в картере двигателя совместно с охладителем масла, и в режиме длительной стоянки автомобиля (двигателя) прогревает масло и двигатель, чем и обеспечивается повышение эффективности пуска.

Другим методом может служить установка нагревателей воздуха на впуске в дизель, как это было показано, например, в первой главе. Нагреватель воздуха подключается к аккумуляторной батарее двигателя и включается за несколько секунд до начала пуска дизеля. Воздух, проходя через спираль нагревателя, нагревается, что обеспечивает повышение температуры сжатия и облегчение пуска. Если пуск не состоялся, то необходимо выждать одну-две минуты перед очередной попыткой пуска, чтобы не иметь затем проблем с аккумуляторной батареей.

Рис. Схема системы облегчения пуска дизеля из холодного состояния:
1 — бак дизельного топлива, 2 — свеча накаливания, 3 — соленоидный клапан, 4 — топливоподкачивающий насос, 5 — топливный фильтр, 6 — аккумулятор, 7 — выключатель, 8 — впускной коллектор двигателя.

Система работает следующим образом. При необходимости холодного пуска выключателем 7 включают подачу электрического тока на свечу накаливания 2 и одновременно на соленоидный клапан 3. Последний открывает доступ небольшого количества топлива на свечу накаливания. В результате происходит испарение топлива и затем вход паров в цилиндр двигателя. Этим облегчается смесеобразование и самовоспламенение смеси при циклах пуска. При неудавшейся попытке пуска соленоид 3 автоматически перекрывает подачу топлива и выключает спираль нагрева 2. Через одну-две минуты можно повторить попытку пуска.

Одним из наиболее эффективных способов холодного пуска является способ подачи на всасывании в цилиндры горючих смесей на базе специальных легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ). Простейшим из них является применение аэрозольных баллонов с ЛВЖ, из которых горючая смесь подаётся на впуск двигателя. Недостатком такой системы в частности является невозможность достаточно точно дозировать подаваемую смесь, что приводит к чрезмерным нагрузкам на детали двигателя и проч.

Системы CAV и BOSH имеют специальную ёмкость с ЛВЖ, расходом из которой управляет водитель, дозируя горючую смесь более точно и эффективно.

На рисунке показана система обеспечения холодного пуска дизеля с помощью подачи испарённого топлива на впуске в цилиндры.

Недостатком всех систем внешнего смесеобразования по пусковой жидкости является возможность чрезмерно раннего самовоспламенения смеси в цилиндре, т. е. существенно до ВМТ. Это происходит, если температура двигателя или окружающего воздуха оказывается несколько выше, чем предусмотрено инструкцией на применение данной ЛВЖ. Или если после первого неудачного запуска вскоре проводится вторая попытка, а двигатель уже несколько прогрелся. Т. е. при сжатии горючей смеси, содержащей ЛВЖ, происходит слишком раннее самовоспламенение, возникают высокие механические нагрузки на детали цилиндро-поршневой группы, удары в цилиндрах, возникают отрицательные крутящие моменты и даже возможности проворачивания вала в обратном направлении.

Устранение такого недостатка возможно, если ЛВЖ подавать внутрь цилиндра, т. е. организовать внутреннее смесеобразование по пусковой жидкости. В этом случае самовоспламенение пусковой смеси происходит вблизи ВМТ, исключаются возможности появления отрицательных крутящих моментов на валу, исключаются возможности опасных ударов в цилиндрах. Более того, появляется возможность подавать ЛВД уже во время работы двигателя, с тем чтобы контролировать его разгон и выход на устойчивую частоту вращения без самопроизвольной остановки, «заглохания». Для реализации такого метода целесообразно применять систему топливоподачи с так называемым клапаном регулирования начального давления (РИД) 6, установленным между источником ЛВЖ 8 и линией высокого давления (ЛВД) 3 топлива.

Рис. Схема системы топливоподачи с клапаном регулирования начального давления (РИД) для ввода в дизельное топливо легковоспламеняющейся жидкости (ЛВЖ):
1 — плунжер ТНВД, 2 — нагнетательный клапан с разгрузочным объёмом, 3 — линия высокого давления ЛВД, 4 — ограничитель хода клапана РНД, 5 — возвратная пружина, 6 — клапан РНД, 7 — вентиль, 8 — источник ЛВЖ, 9 — направляющий хвостовик клапана, 10 — седло клапана РНД, 11 — форсунка (закрытого типа), 12 — дизель.

Клапан РНД 6 имеет направляющий хвостовик 9 и может перемещаться в седле 10. Его ход ограничен величиной hpнд благодаря ограничителю хода 4. Возвратная пружина 5 определяет перепад давления, при котором клапан РНД 6 открывается. Вентиль 7 регулирует величину подачи ЛВЖ. Клапан РНД (по существу, обратный клапан) открывается в периоды между циклами впрыскивания топлива, и ЛВЖ подаётся в ЛВД вблизи форсунки 11, где смешивается с дизельным топливом. В очередном цикле нагнетания топлива плунжером 1 ТНВД через натетательный клапан 2 полученная смесь ЛВЖ с дизельным топливом впрыскивается в цилиндр дизеля 12.

Некоторые фирмы — производители двигателей с наддувом идут на сохранение повышенной степени сжатия, т. е. на повышение механических нагрузок на детали ЦПГ, с целью решения проблемы пуска. Очевидно, что применимость этого метода ограничена как уровнем применяемого наддува, так и запасом прочности двигателя, его надёжностью и долговечностью.