Устройства для облегчения пуска двигателей при низких температурах

Устройства для облегчения пуска, воздействуя на отдельные системы двигателя, температурное состояние его деталей и эксплуатационных материалов, снижают моменты сопротивления вращению коленчатого вала, улучшают условия образования и воспламенения топливовоздушной смеси. Эффективность различных способов и устройств для облегчения пуска зависит от типа двигателя, его конструктивных особенностей и условий эксплуатации.

Пуск дизелей с разделенными камерами сгорания улучшается при установке в предкамеры или вихревые камеры свечей накаливания открытого или закрытого типа, раскаленные нагревательные элементы которых являются источниками воспламенения топливовоздушной смеси.

Свечи накаливания

Свеча накаливания с открытым нагревательным элементом (рис. 1, а) устанавливается в камере сгорания двигателя таким образом, чтобы раскаленная спираль 3 находилась на некотором расстоянии от границы струи распыливаемого топлива. Если струя топлива касается спирали, процесс воспламенения улучшается, но срок службы свечи сокращается. Спираль накаливания 3 (рис. 1, б) штифтовой свечи находится в закрытом кожухе 5, заполненном изоляционным материалом с высокой теплопроводностью. Кожух свечи изготовляют из железо-никель-хромового сплава инконель. Штифтовую свечу накаливания в камеру сгорания устанавливают так, чтобы конус струи распыливаемого топлива касался раскаленного конца ее кожуха.




Как правило, чаще используют однополюсные штифтовые свечи накаливания, потребляющие токи силой 5 и 10 А при напряжениях соответственно 24 и 12 В. Двухполюсные свечи для двухпроводных схем потребляют токи силой до 50 А при напряжении 1,7 В. Время прогрева штифтовой свечи накаливания составляет 1-2 мин. Вследствие большой тепловой инерции таких свечей нет необходимости устанавливать в их цепь питания дополнительный резистор. Преимуществом штифтовых свечей по сравнению со свечами открытого типа являются большая механическая прочность и больший срок службы вследствие отсутствия оксидирования спирали кислородом. Штифтовые свечи накаливания могут быть установлены в дизелях с однополостными камерами сгорания.

Эффективность применения свечей накаливания при пуске дизелей зависит от рабочей температуры открытой спирали или кожуха штифтовой свечи, которая определяется силой проходящего по спирали тока. Пуск дизелей при использовании свечей накаливания обеспечивается до температур -10-15°C при частоте вращения коленчатого вала 60-80 мин^-1.

Свечи подогрева воздуха во впускном трубопроводе

На дизелях с однополостными камерами сгорания применяют электрические свечи и электрофакельные подогреватели для нагрева воздуха, поступающего в цилиндры двигателя на такте впуска. Целью подогрева воздуха является повышение температуры в конце такта сжатия и, тем самым, улучшение условий образования, воспламенения и сгорания топливовоздушной смеси.

Свеча СН-150-А подогрева воздуха во впускном трубопроводе (рис. 2, а) мощностью 400 Вт рассчитана на потребление тока силой 45-47 А. Спираль 1 свечи нагревается до температуры 900-950°C через 40-60 с после подключения к аккумуляторной батарее. В цепи питания свечей СН-150-А предусмотрен контрольный элемент СЭ-52 и дополнительный резистор МД-51-А. Свечи подогрева устанавливают в начале впускного трубопровода или в местах разводки по каналам цилиндров.




Лучший теплоотвод впускного воздуха от спирали 1 (рис. 2, б) обеспечивается при использовании фланцевых свечей. Фланцевые свечи устанавливают в разъемах впускного трубопровода, что приводит к большому разнообразию их конструкций и усложняет конструкцию трубопровода.

Вследствие подогрева воздуха во впускном трубопроводе свечой СН-150-А на 20-35°C увеличивается температура в цилиндре в конце сжатия, в результате чего на 5-10°C снижается минимальная температура пуска дизелей. Из-за потери теплоты при большой длине трубопровода снижается эффективность работы свечей подогрева в условиях низких температур. Поэтому их применяют на дизелях с малыми рабочими объемами, пуск которых должен обеспечиваться до температур -12-17°C.

Электрофакельные подогреватели воздуха

На дизелях устанавливают электрофакельные подогреватели воздуха во впускном трубопроводе, что в сочетании с маслом малой вязкости позволяет снизить минимальную температуру пуска холодного дизеля на 10-15°C. В электрофакельных подогревателях через электрическую спираль проходит ток небольшой силы, так как она служит только для подогрева, испарения и зажигания топливовоздушной смеси. Воздух во впускном трубопроводе подогревается за счет теплоты сгорания топливовоздушной смеси.


Электрофакельное устройство дизелей автомобилей ЗИЛ моделей 133ГЯ, 133ВЯ состоит из двух факельных штифтовых свечей (рис. 3, а), электромагнитного топливного клапана (рис. 3, б), добавочного резистора с термореле (рис. 3, в), кнопочного выключателя, реле электрофакельного устройства, реле отключения обмотки возбуждения генератора, контрольной лампы и топливопроводов.



Дозирование топлива, его испарение, смешивание с воздухом, воспламенение и сгорание происходят в факельной штифтовой свече. Топливо, подаваемое к свече, очищается фильтром 5 (см. рис. 3, а), дозируется жиклером 6, проходит по кольцевой полости между кольцевой вставкой и нагревателем 11. Объемная испарительная сетка 2 в нижней части факельной свечи имеет большую поверхность и облегчает испарение топлива. Сетка окружена защитным экраном 1 с отверстиями для прохода воздуха. Экран предотвращает затухание пламени при увеличении скорости воздушного потока во впускном трубопроводе после пуска двигателя. Ниже приведена техническая характеристика факельных свечей накаливания.

Техническая характеристика факельных свечей накаливания

Тип свечи (автомобиль)	11.3740 (КамАЗ, "Урал", ГАЗ), 111.3740 (БелАЗ, МАЗ, КрАЗ)	13.3740 (ЗИЛ-133ВЯ, ЗИЛ-133ГЯ)
Номинальное напряжение, В	19	9,5
Сила потребляемого тока, А	11-12	21-23
Температура нагрева при номинальной силе тока,°C	1040-1230	1080-1150
Время нагрева, с	90
Пропускная способность, см3/мин	5,5-6,5*	7,5-8,5
Масса, кг	0,13

* Пропускная способность указана для клапана 11.3740.

Электромагнитный топливный клапан открывает подачу топлива к факельным штифтовым свечам при подключении катушки 16 (см. рис. 3, б) к аккумуляторной батарее. При отключении электромагнитный клапан закрывается под действием пружины. Топливо к электромагнитному клапану подводится из системы питания дизеля. Ниже приведена техническая характеристика электромагнитных клапанов.

Техническая характеристика электромагнитных клапанов

Тип клапана (автомобиль)	11.3741 (КамАЗ, "Урал", ГАЗ, МАЗ, КрАЗ)	13.3741 (ЗИЛ-133ВЯ, ЗИЛ-133ГЯ)
Номинальное напряжение, В	24	12
Сила тока, потребляемого катушкой, А	0,8...1,1	1,6...2,2
Напряжение срабатывания клапана, В, не более	12	6
Ход якоря, мм	0,6...1,2
Масса, кг	0,14

Термореле имеет контакты и биметаллическую пластину 22 (рис. 3, в), расположенные внутри спирали 21 добавочного резистора. По мере прогрева за счет теплоты, выделяемой добавочным резистором, биметаллическая пластина деформируется и замыкает контакты реле. Добавочный резистор уменьшает силу тока вр время предварительного нагрева штифта факельной свечи и замыкается накоротко в момент включения стартера. Ниже приведена техническая характеристика добавочных резисторов с термореле.

Техническая характеристика добавочных резисторов с термореле

Тип добавочного резистора (автомобиль)	12.3741 (КамАЗ, "Урал", ГАЗ, МАЗ, КрАЗ)	14.3741 (ЗИЛ-133ВЯ, ЗИЛ-133ГЯ)
Номинальное напряжение, В	24	12
Номинальная сила тока, А	22,8	44
Сопротивление спирали в холодном состоянии, Ом	0,156-0,169	0,045-0,050
Диаметр проволоки, мм	1,8	2,5
Время от момента включения до замыкания контактов, с	50-65
Время замкнутого состояния контактов при отключении цепи питания, с, не менее	45	20
Масса, кг	0,12

Схема электрофакельного устройства (рис. 4) обеспечивает предварительный нагрев факельных штифтовых свечей ЕК1 и ЕК2 до температуры 1000-1100°C перед включением стартера. Спирали свечей подключены к аккумуляторной батарее через добавочный резистор R термореле КК кнопочным выключателем S2 электрофакельного устройства. Во время предпускового прогрева свечей выключатель S1 приборов находится в положении II. В конце прогрева факельных свечей замыкаются контакты термореле КК. Напряжение подается на электромагнитный топливный клапан YA и контрольную лампу HL, сигнализирующую о готовности электрофакельного устройства к пуску двигателя. При включении стартера выключателем S1 приборов (положение III) подкачивающий насос подает топливо через открытый электромагнитный клапан к факельным свечам.



После пуска двигателя выключатель S1 приборов и стартера переводят в положение II, стартер отключается, но электрофакельное устройство продолжает работать в период предпускового прогрева, если оставить включенной кнопку выключателя S2.

Для защиты факельных штифтовых свечей от перегрева при работе двигателя в режиме холостого хода после пуска, когда в связи с работой генератора повышается напряжение на выводах свечей, в схеме предусмотрено реле К2 отключения обмотки возбуждения генератора.

Техническое обслуживание электрофакельных подогревателей

Проверка технического состояния. Проверка технического состояния электрофакельного устройства включает целый комплекс мероприятий. Сначала визуально определяют исправность контрольной лампы. Техническое состояние факельных свечей оценивают по силе потребляемого тока. Большая сила тока или его отсутствие свидетельствует о неисправности свечи. Исправность дополнительного резистора с термореле проверяют по времени от момента включения до замыкания контактов и замкнутого состояния контактов при отключении цепи питания. Уменьшение времени замкнутого состояния контактов термореле после отключения тока приводит к преждевременному прекращению подачи топлива к факельным свечам.

Об исправном состоянии электрофакельного устройства свидетельствует наличие факела, наблюдаемого через отверстия во впускном трубопроводе при вращении коленчатого вала дизеля электростартером. Если факел при исправных факельных штифтовых свечах отсутствует, проверяют герметичность топливной системы электрофакельного устройства, пропускную способность факельной свечи и работу электромагнитного клапана.

Герметичность топливной системы оценивают визуально. Для проверки давления в топливной системе и исправности электромагнитного клапана топливопровод отсоединяют от факельной свечи, прокачивают систему топливоподкачивающим насосом и через 1 мин включают электромагнитный топливный клапан. Открытие клапана сопровождается характерным щелчком, после чего из отсоединенного от свечи топливопровода должна появиться струя топлива. Расход топлива и силу потребляемого факельной свечой тока определяют на специальных стендах.

Реле отключения обмотки возбуждения генератора на автомобилях КамАЗ исправно, если при работающем двигателе и включенном электрофакельном устройстве амперметр на щитке приборов показывает разряд (силой тока около 30 А), а при включенном электрофакельном устройстве - заряд.

При подготовке к эксплуатации в холодный период года топливную систему электрофакельного устройства освобождают от летнего топлива, промывают в бензине фильтр и жиклер факельной штифтовой свечи и свечу при наличии на сетке и защитном экране нагара и сажи. Для очистки фильтра чистый бензин или очищенное дизельное топливо пропускают через фильтр в направлении, противоположном перемещению топлива в рабочем режиме. После очистки рекомендуется продуть фильтр сжатым воздухом.

Неисправности. Некоторые неисправности электрофакельных устройств, возможные причины их возникновения и способы устранения приведены в таблице.

Причины неисправности	Способ обнаружения	Способ устранения
Стрелка амперметра при включении электрофакельного устройства зашкаливает
Замыкание факельной штифтовой свечи на массу	Отсоединение провода от вывода одной из свечей, что исключает возможность его замыкания на массу При зашкаливании стрелки амперметра отсоединение провода от вывода другой свечи Отсутствие зашкаливания стрелки свидетельствует о замыкании на массу другой свечи	Неисправную свечу отремонтировать или заменить
Замыкание на массу электрических проводов, термореле, реле блокировки отключения массы и реле отключения обмотки возбуждения генератора	Проверка состояния изоляции электрических проводов и обмоток реле	Провода с поврежденной изоляцией и неисправное реле заменить
Замыкание спирали добавочного резистора термореле	Отсоединение провода, соединяющего кнопочный выключатель электрофакельного устройства с выводом термореле. Отсутствие зашкаливания стрелки амперметра при включении электрофакельного устройства свидетельствует о замыкании спирали термореле	Неисправное термореле заменить
Стрелка амперметра при	включенном электрофакельном устройстве находится на нулевом делении
Перегорание факельных свечей или отсутствие контакта в цепи электроснабжения	Включение электрофакельного устройства и проверка наличия напряжения на выводах всех его элементов, начиная со штифтовых свечей	Неисправные факельные свечи заменить. Нарушенные контакты в цепи электроснабжения свечей восстановить
Наличие паров топлива при отсутствии факела
Недостаточная температура нагревательного элемента факельной штифтовой свечи	Проверка времени загорания контрольной лампы Проверка плотности аккумуляторной батареи аккумуляторным пробником Проверка надежности контакта в местах соединения выводов батареи и наконечников Проверка силы тока, потребляемого факельной свечой, по амперметру и сравнение с нормированным значением	Неисправное термореле заменить Разряженную батарею зарядить, неисправную отправить в ремонт Выводы батареи и наконечников проводов зачистить мелкозернистой шлифовальной шкуркой, соединения затянуть и смазать техническим вазелином Неисправную факельную свечу заменить
Заниженный расход топлива в факельной свече	Проверка расхода топлива в свече и степени загрязнения топливного фильтра и жиклера свечи	Промыть в бензине и продуть сжатым воздухом топливный фильтр и жиклер свечи. Неисправную свечу заменить
Отсутствие факела и паров топлива
Нарушение герметичности топливной системы электрофакельного устройства	Проверка герметичности топливной системы	Подтянуть соединения топливопроводов. Неисправные детали топливной системы заменить
Топливо не проходит через факельную свечу	По отсутствию паров топлива во впускном патрубке при работе свечи	Промыть в бензине и продуть сжатым воздухом топливный фильтр и жиклер свечи
Срыв пламени факельной свечи при одновременной работе электрофакельного устройства и дизеля
Недостаточное давление в топливной системе	Проверка давления в топливной системе на стенде и состояния клапана-жиклера и перепускного клапана	Отрегулировать давление открытия клапанов набором шайб
Преждевременное закрытие топливного клапана	Проверка времени замкнутого состояния контактов термореле и сравнение с нормированным значением	Неисправное реле заменить

Устройства для подачи пусковой жидкости

Широкое распространение при пуске получил способ использования легковоспламеняющихся жидкостей, которые содержат компоненты с низкой температурой самовоспламенения и отличаются большим разнообразием составов. Пусковая жидкость ’’Арктика" состоит из диэтилового эфира (45-60%) с температурой самовоспламенения 180-205°C, газового бензина (35-55%), изопропилнитрата (1-1,5%), различных промежуточных продуктов оксидирования (до 10%) и противоизносных, противозадирных и антиокислительных присадок (около 2,5%). В состав пусковой жидкости "Холод Д-40" входят диэтиловый эфир (58-62%), изопропилнитрат (13-17%) и масло для судовых газовых турбин (8-12%).

Пусковая жидкость подается непосредственно в цилиндры двигателя вместе с основным топливом или с помощью специальных приспособлений во впускной трубопровод. Последний способ удобнее и экономичнее.

Работа устройств для подачи пусковой жидкости во впускной трубопровод основана на пневматическом или механическом распыливании жидкости и ее дальнейшем испарении. Использование пусковой жидкости и маловязкого загущенного масла позволяет обеспечивать пуск двигателя до температуры -30°C при вращении коленчатого вала с частотой 40-55 мин^-1.

Автоматическое управление подачей пусковой жидкости возможно в устройствах, основанных на аэрозольном распыливании. Аэрозольное пусковое приспособление с электромагнитным приводом приведено на рис. 5. Пусковая жидкость находится под давлением в аэрозольном баллоне 13 с клапанным устройством. В качестве вытесняющего газа применяют пропан, бутан и другие газы, давление которых незначительно зависит от температуры. Аэрозольное пусковое устройство устанавливают с помощью кронштейна 5 в отсеке двигателя в легкодоступном для смены баллона месте.



Управление приспособлением дистанционное, из кабины водителя. При включении электромагнита 7 якорь перемещается вниз, нажимает эмульсионной трубкой на шток клапана аэрозольного баллона и одновременно открывает проход для аэрозоля в трубопровод 10 через пластинчатый клапан 9. К форсунке 11 распылителя, расположенной во впускном трубопроводе двигателя, аэрозоль поступает через эмульсионную трубку 6 и внутреннюю полость якоря электромагнита 7.

Один аэрозольный баллон может обеспечить 8—10 пусков двигателя при температуре -30°C. При установке в приспособление верхнюю часть нового баллона совмещают с корпусом и прижимают к нему опорной пятой, перемещающейся по дугам 3, с помощью регулировочного винта 1. Уплотнение в стыке баллона корпусом обеспечивается резиновым уплотнителем 12.

Электрические подогреватели

Электрические подогреватели используются для подогрева жидкости в системе охлаждения двигателя, масла в картере, топлива в топливной системе и электролита аккумуляторной батареи. По способу превращения электрической энергии в тепловую их подразделяют на нагреватели индукционные, полупроводниковые, электродные, резисторов, инфракрасные излучатели и т.д. Наибольшее распространение получили нагреватели резисторов, однако все большее внимание уделяется полупроводниковым.

Требованиям электробезопасности на автомобиле в наибольшей степени удовлетворяют герметичные трубчатые электронагреватели (ТЭНы). ТЭН представляет собой металлическую оболочку в виде трубки из жаропрочного материала любой формы, внутри которой запрессована спираль из нихромовой проволоки, изолированная от оболочки наполнителем с высокой теплопроводностью (периглаз).

На двигателе установка ТЭНов не всегда возможна, поэтому их часто размещают в теплообменнике (котле). Такие теплообменники можно устанавливать вместо индивидуальных предпусковых подогревателей, работающих на жидком топливе. Для уменьшения потерь теплоты и расхода электроэнергии поверхность котла покрывают теплоизоляционным материалом.

Разработано множество различных конструкций теплообменников и схем подогрева охлаждающей жидкости и масла. Перспективной считается схема, в которой нагретая жидкость из котла электрическим насосом подается в водораспределительные каналы блока цилиндров и одновременно в теплообменник, расположенный в масляном картере. Подогрев топлива осуществляется непосредственно электронагревателями или с помощью промежуточного теплоносителя.

Электронагреватели компактны, надежны в работе, обладают достаточным быстродействием, требуют минимальных затрат на техническое обслуживание. При использовании ТЭНов возможна автоматизация процесса подогрева. Электронагреватели можно применять не только как средство предпускового подогрева двигателя, но и в течение всего периода межсменной стоянки автомобиля. Конструкции электронагревателей моторного масла, охлаждающей жидкости и общий вид электроподогревателя приведены на рис. 6.

Предпусковой подогреватель

Двигатель может быть оборудован индивидуальным предпусковым подогревателем. Подогрев картерного масла, блока цилиндров и подшипников коленчатого вала перед пуском позволяет уменьшить вязкость моторного масла, облегчить его прокачиваемость по смазочной системе и, тем самым, уменьшить момент сопротивления вращению и износ деталей двигателя при пуске. С другой стороны, подогрев головки и стенок блока цилиндров и впускного трубопровода улучшает условия смесеобразования и воспламенения топливовоздушной смеси и способствует снижению минимальной пусковой частоты вращения коленчатого вала.

Индивидуальные предпусковые подогреватели отличаются по типу теплоносителя, обеспечивающего передачу теплоты двигателю, потребляемому топливу и степени автоматизации рабочего процесса. Подогреватели должны быть пожаробезопасными. Не допускаются вылет пламени во время выпуска газов из котла в установившемся режиме работы, скопление топлива в котле подогревателя как в период розжига котла, так и после его остановки. Система предпускового подогрева двигателя с жидкостным охлаждением должна надежно работать при ее заполнении жидкостью, замерзающей при низких температурах, и водой.

Дизельный подогреватель ПЖД-30 устанавливают на автомобилях семейства КамАЗ и ЗИЛ-133ГЯ. Образование, воспламенение и сгорание топливовоздушной смеси происходит в съемной горелке 5 (рис. 7) котла 9. Первоначально воспламенение топливовоздушной смеси осуществляется свечой зажигания 4, высокое напряжение к которой подводится от транзисторного коммутатора. Топливо из топливного бака 14 подается к горелке 5 топливным насосом 16 и распыливается форсункой 6. Расход топлива регулируется редукционным клапаном топливного насоса 16.



В электромагнитном клапане 7 и в форсунке 6 предусмотрены фильтры тонкой очистки. Электромагнитный топливный клапан конструктивно объединен с штифтовой электрической свечой и установлен на горелке.

Воздух под напором подается в горелку вентилятором 18. Для обеспечения циркуляции жидкости между котлом 9 подогревателя и водяной рубашкой блока цилиндров в предпусковой период в насосный агрегат включен гидравлический насос 2. Привод гидравлического, воздушного и топливного насосов осуществляется от одного электродвигателя 17.

Электрическая схема предусматривает возможность дистанционного управления подогревателем. В схеме используется переключатель 5 (рис. 8), имеющий четыре положения. Электродвигатель М насосного агрегата и электронагреватель ЕК топлива, потребляющие токи большой силы, включаются переключателем 5 через реле К1 и К2.



Для приведения в действие подогревателя переключатель 5 из положения I (все выключено) устанавливают в положение II, включая электродвигатель М насосного агрегата и электронагреватель ЕК топлива. Через 15—20 с переключатель переводят в нефиксируемое положение III. В этом положении включаются электромагнитный клапан YA и транзисторный коммутатор. После подключения транзисторного коммутатора к источнику питания через первичную обмотку L1 катушки зажигания проходит ток заряда конденсатора С. Индуктируемая при этом ЭДС в управляющей обмотке L2 открывает транзистор VT1. Сила тока в первичной обмотке и ЭДС в управляющей обмотке возрастают. Конденсатор С разряжается через открытый транзистор VT1. Когда сила тока в первичной обмотке не индуктируется, транзистор закрывается. Сила тока в первичной обмотке и магнитный поток резко уменьшаются и во вторичной обмотке L3 катушки зажигания индуктируется ЭДС, достаточная для пробоя искрового промежутка свечи зажигания EV. Стабилитроны VD1 и VD2 обеспечивают защиту транзистора VT1 от перенапряжений.

При установившемся горении, признаком которого является равномерный гул в котле подогревателя, после снятия усилия с рукоятки переключателя она автоматически переходит в положение IV, при котором транзисторный коммутатор отключается, а электродвигатель М насосного агрегата продолжает работать.