Техника и вооружение 1993 01

СРЕДСТВА ХОЛОДНОГО ПУСКА ДИЗЕЛЕЙ

По материалам иностранной печати.

Отправной точкой при разработке средств обеспечения пуска двигателей в условиях отрицательной температуры окружающего воздуха считают минимальную температуру пуска. В Англии первоначально требовали, чтобы дизельный двигатель в Европе уверенно пускался при температуре 273 К (0 °C), затем при 266,5 К (-6,5 °C), позднее этот показатель составил 255,5 К (-17,5е С). Американские специалисты считают, что для США минимальной температурой холодного пуска дизеля должно быть 243 К (-30 °C) или 238 К (-35 °C). Приводимые в печати сведения показывают, что зарубежные военные специалисты ориентируются на наиболее трудные условия эксплуатации. Так, военный стандарт США MIL-STD-1400A устанавливает требуемую величину температуры пуска двигателей армейских машин стран НАТО равной 241 К (-32 °C), а для перспективных автомобилей — 219 К (-54 °C). Причем для достижения поставленной цели полностью пренебрегают экономическим фактором. Успешный пуск дизеля зависит прежде всего от конструктивных особенностей двигателя, энергетических возможностей систем пуска, характеристик применяемых топлив и масел, а также от эффективности средств облегчения пуска. Последние делятся на два основных вида: средства, обеспечивающие возможность холодного пуска двигателя, и средства предпускового разогрева. Первые устройства позволяют осуществлять пуск двигателя без предварительного разогрева, а посредством вторых его тепловое состояние доводится до такого уровня, при котором происходит надежный пуск. Наиболее предпочтительными для дизелей за рубежом считают средства обеспечения холодного пуска, которые просты по конструкции, имеют невысокую стоимость, удобны а обслуживании (табл.1).

Пуск дизелей при низких температурах окружающего воздуха возможен, если обеспечена раскрутка коленчатого вала до требуемой частоты вращения и созданы условия для надежного самовоспламенения и эффективного сгорания топлива в цилиндрах. Первую задачу специалисты решают в основном за счет применения моторных масел на синтетической основе и эффективных источников питания электроэнергией (аккумуляторных батарей). Как сообщает зарубежная печать, наибольшее распространение получили синтетические масла фирм "Mobil” и "Continental ОН", которые производятся на основе изопарафинов с добавлением до 20 % эфиров неопентиловых полиолов (масло "Mobil-1) и диалкилбензолов (масло DN-600) (табл.2, рис. 1). Малая вязкость и хорошая текучесть при низкой температуре позволяют на масле DN-600 эксплуатировать технику при температуре до -40 °C. В целях повышения параметров стартерного разряда при отрицательных температурах японская фирма "Sankey” применила в аккумуляторных батареях (АБ) специальный порошок. В США создаются АБ, в которых вместо обычного используются желеобразный электролит, кислотостойкие полые волокна из стекла, полипропилена, полистирола и полиакрилнитрила.

Вторую задачу решают за счет применения пусковых жидкостей (топлив), имеющих низкую температуру самовоспламенения, а также путем увеличения степени сжатия на пусковых режимах, подогрева впускного воздуха, применения калориз. аторного воспламенения топливо-воздушной смеси и оптимизации регулировочных параметров. Применение на двигателях пусковых жидкостей, имеющих относительно низкую температуру самовоспламенения, высокое давление насыщенных’*паров и широкие пределы воспламеняемости, позволяет значительно снизить предельную температуру пуска и величину минимальных пусковых частот вращения коленчатого вала. Существует множество устройств, основанных на различных способах распыления и ввода пусковой жидкости в двигатель. Наиболее известны среди них "Start-Pilot”, "F” и "Arctlca” (Франция), "Shevron" и "Sprel” (США), ”Caltece" (Англия). На рис. 2 приведена зависимость минимальных пусковых частот вращения коленчатого вала двигателя "Deltz” F8L413 при применении пускового приспособления "Start-Pilot” VI?o F-55 и пусковой жидкости "F-Arctlca". Использование пусковой жидкости на двухтактном двигателе 1-60Мк7А.(танк "Чифтен", Англия) обеспечивает минимальную температуру холодного пуска 243 К (-30 °C).

Вязкостно-температурная характеристика масла DN-600.

Пусковая характеристика двигателя "Oeitz" F8L413 с маслом SAE10W и пускоаой жидкостью "F-Arctlca".

Схема системы наддува "Hyperbar": 1 — камера сгорания; 2 — газовая турбина; 3 — компрессор; 4 — стартер; б — спускной трубопровод; в — охладитель; 7 — перепускной патрубок; 8 — регулятор перепускного патрубка; 9 — топливный насос; 10 — выпускной трубопровод; 11 — электроискровая свеча.

Схема включения камеры BKS в систему турбонаддува: 1 — камера BKS; 2 — турбокомпрессор; 3 — цилиндры двигателя; 4 — охладитель наддувочного воздуха.

Широков распространение за рубежом получили приспособления, работающие по принципу аэрозолей. Применение дистанционного управления впрыском ("Start-Pilot 33”, ” Start-Pilot 21F”) позволяет более рационально использовать объем баллона и пускать двигатель с места механика-водителя. По данным фирмы "Kruber Jnc", производящей приспособление ”Diesel-Start КВ1", объем цилиндра с пусковой жидкостью (790 см³) позволяет осуществить до 263 пусков (по 3 см³ на пуск). Однако из-за высокой динамики пуска и возможности выхода. дизеля на неуправляемый режим данные устройства не нашли в настоящее время массового применения на объектах БТВТ. Одним из важнейших конструктивных параметров двигателя является степень сжатия. Она выбирается в зависимости от формы камеры сгорания, способа смесеобразования, применяемых топлив, наличия или отсутствия системы наддува, быстроходности дизеля. Минимальную степень сжатия для дизелей принимают исходя из условий надежного воспламенения топлива при пуске в условиях отрицательных температур. Поэтому зарубежные разработчики при создании высокофорсированных двигателей стремятся применить разнообразные конструктивные технические решения (устройства), позволяющие увеличить степень сжатия на пусковых режимах.

Примечание: ГТН — газотурбинный нагнетатель; ПЦН — приводной центробежный нагнетатель; ПОН — приводной объемный нагнетатель; ЭС — электростартер; ФП — факельный подогреватель; ПАРСС — поршень с автоматически регулируемой степенью сжатия; ВКАРО — вихревая камера с автоматически регулируемым объемом; ПЖ — пусковая жидкость.

Так, французской фирмой "Hyperbar Diesel" создана система наддува "НурегЬаг” (рис. З), приводящая при пуске двигателя во вращение компрессор от газовой турбины за счет работы автономной камеры сгорания, установленной на выпускном трубопроводе. Воздух из компрессора, нагретый в процессе сжатия, минуя охладитель, поступает непосредственно в цилиндры и обеспечивает воспламенение топлива. Двигатели с данной системой функционируют при степени сжатия 7–8 единиц.

Германской фирмой "Motoren und Turbiпеп Union” (MTU) в целях быстрейшего повышения давления наддува разработана дополнительная камера сгорания "Bennkammersystem” (BKS), которая обеспечивает энергией турбонагнетатель на режимах пуска и холостого хода (рис. 4). В отличие от системы "НурегЬаг” камера BKS включена параллельно потоку воздуха и выхлопных газов, поэтому она работает только в момент разгона двигателя.

Этой же фирмой создана система отключения части цилиндров двигателя и использования их в качестве компрессоров для дозарядки сжатым воздухом группы действующих цилиндров (рис. 5). Перепускаемая из цилиндра-компрессора в рабочий цилиндр масса воздуха при пусковой частоте вращения составляет около 30 % от находящегося в нем в начале сжатия. График изменения давления в рабочем цилиндре и цилиндре-компрессоре на пусковой частоте вращения представлен на рис. 6. Прирост температуры воздушного заряда в конце сжатия за счет дозарядки составляет 130–150 К (Е = 10, п = 140 мин-1). По данным зарубежной печати, система дозарядки отличается простотой конструкции и не требует существенных изменений в серийных дизелях. Затраты, связанные с ее внедрением, значительно ниже затрат, требуемых для создания системы "НурегЬаг”.

Стремление конструктивно обеспечить кратковременное повышение степени сжатия привело к созданию двигателей с вихревой камерой автоматически регулируемого объема (ВКАРО). В двигателях с ВКАРО (HS-110) изменение объема дополнительной камеры сгорания не влияет на объем и форму основной камеры сгорания, образуемой днищем поршня и головкой цилиндра. Приоритет в создании двигателей такой конструкции принадлежит французской фирме "Espano-Suiza”. На рис. 7а показана конструкция ВКАРО, разработанная этой фирмой для двигателя с вихревой камерой сгорания. Как видно из рисунка, конструкция головки блока цилиндров двигателя практически не изменилась.

ВКАРО имеет подвижный свод, перемещающийся под действием гидравлического сервопоршня вверх или вниз относительно неподвижной части вихрекамеры. В результате изменяются общий объеМ камеры сгорания и соответственно степень сжатия. Сервопоршнем управляют с помощью регулирующего золотника, расположенного снаружи двигателя. Системы гидравлического управления и охлаждения подвижного свода вихрекамеры питаются маслом, поступающим из общей магистрали двигателя. Следует отметить, что наряду с положительными качествами данная конструкция имеет существенные недостатки. Так, вследствие изменения степени сжатия ухудшаются условия смесеобразования и сгорания топлива. Это объясняется тем, что отношение объема вихревой камеры к объему над поршнем во всем диапазоне изменения степени сжатия не выдерживается оптимальным. Наиболее серьезным недостатком является также невысокая работоспособность уплотнительных колец подвижного свода, которые пригорают и теряют эластичность. Указанные недостатки отсутствуют в двигателях, снабженных системой ПАРСС фирмы "Continental” (США). Ее конструкция показана на рис. 76. Она состоит из наружного и внутреннего поршней, причем внутренний соединен обычным образом с верхней головкой шатуна. Головка наружного поршня имеет канавки для компрессионных и маслосъемных колец.

Между наружным и внутренним поршнями расположены полости, заполненные маслом, поступающим из масляной магистрали двигателя. При увеличении степени сжатия объем верхней полости увеличивается, а нижней уменьшается. Во время работы двигателя наружный поршень перемещается относительно внутреннего автоматически, что обеспечивает различные степени сжатия в соответствии с нагрузкой. Например, в двигателях AVCR-1100 степень сжатия снижается с 22 до 12 единиц. Таким образом, наиболее целесообразным является использование ПАРСр в дизелях с турбонаддувом. Сообщалось, что применение данных устройств позволяет обеспечить холодный пуск дизелей при температуре окружающего воздуха 253–239 К (до -34 °C). Однако, вследствие конструктивного несовершенства и низкой эксплуатационной надежности данные устройства не нашли широкого применения.

Подогрев воздушного заряда на впуске в двигатель в зимних условиях позволяет существенно повысить температуру воздуха в конце сжатия в цилиндрах и этим способствовать созданию благоприятных условий для самовоспламенения топлива. Для этой цели используется тепло, получаемое при преобразовании электрической энергии (калильные свечи, электрические нагреватели), а также при сгорании топлива во впускном тракте двигателя (факельные подогреватели). Калильные свечи устанавливают на каждый цилиндр. Это значительно усложняет и повышает стоимость двигателя, требует больших затрат электрической энергии для достижения достаточного накала. Данные устройства нашли. применение в двигателях фирмы ”MTU” с разделенными камерами сгорания (МВ-838Са-500, МВ-837Ка-501).

Схема системы дозарядки цилиндров воздухом: 1 — рабочий цилиндр; 2 — обратный клапан; 3 — управляемый клапан; 4 — цилиндр-компрессор.

Конструктивные схемы ВКАРО (а) и ПАРСС(б): а) 1 — подвижный свод вихревой камеры; 2 — гидравлический сервопоршень; 3 — регулирующий золотник; 4 — топливная форсунка; 5 — вихревая камера; б) 1 — наружный поршень; 2 — внутренний поршень; 3 — обратные клапаны; 4 — редукционный клапан; 5,6,7 — масляные полости.

Изменение давления в рабочем цилиндре (Ррц) и цилиндре-компрессоре (Рцк) при пусковой частоте вращения (п = 140 мин" 1) с дозарядкой; без дозарядки.

Использование электрических нагревателей в виде различных калильных решеток или фланцевых нагревателей исключает необходимость их установки на каждый цилиндр, так как они обычно монтируются во впускном воздушном трубопроводе двигателя. Но при этом создается дополнительное сопротивление на впуске двигателя, что отрицательно сказывается на его энергетических и экономических показателях. Более эффективны факельные подогреватели, применение которых по сравнению с электрическими не требует значительного изменения конструкции двигателя, а также новых видов топлива или жидкостей. Кроме того, на разных частотах вращения коленчатого вала исключается неуправляемый режим работы двигателя, обеспечиваются его функционирование с небольшим давлением сгорания топлива в цилиндрах и возможность длительного сопровождения при прогреве после пуска.

Электрофакельные устройства (ЭФУ) включают в себя элементы калильных свечей и работают по принципу факельных подогревателей. Их нагревательный элемент обеспечивает нагрев, испарение и воспламенение подаваемого топлива. Образовавшийся факел при провертывании коленчатого вала стартером подогревает впускной воздух и способствует образованию паров топлива, засасываемых в цилиндры двигателя. Наибольшее распространение за рубежом получило ЭФУ фирмы "Bosh” (Германия). Оно состоит из факельной свечи, электромагнитного топливного клапана, термореле, переключателя и сигнальных лампочек. Основным элементом ЭФУ является свеча (рис. 8а). Она устанавливается на впускном трубопроводе двигателя так, чтобы подогретый воздух и пары топлива равномерно поступали во все цилиндры. Нагревательный элемент выполнен в виде штифтовой свечи и представляет собой металлический кожух, внутри которого запрессована спираль из проволоки высокого сопротивления диаметром 0,7 мм, в специальном наполнителе. Наполнитель (переклаз электрический) имеет высокий коэффициент теплопроводности и, являясь хорошим диэлектриком, достаточно надежно электроизолирует спираль от кожуха. Нагревательный элемент, установленный в корпусе факельной свечи, обеспечивает нагрев, испарение и воспламенение топлива. Топливо, подаваемое к свече, очищается от посторонних примесей с помощью фильтра и дозируется жиклером. Для увеличения поверхности испарения служат две установленные последовательно сетки. Экран защищает очаг факела от срыва потока воздуха, поступающего в двигатель, а сетки являются катализатором, газифицирующим топливо.

Английской фирмой "Lukas" разработан термостат типа CAV, имеющий ряд отличительных особенностей. Его нагревательный элемент (рис. 8б) изготовлен в виде открытой спирали, одна часть которой выполняет роль нагревателя и испарителя топлива, а другая воспламеняет его. В топливной системе отсутствует электромагнитный клапан. Роль запорного устройства выполняет шарик. При нагреве спираль нагревательного элемента термостата расширяется и воздействует на шарик, который открывает топливу доступ к факельной свече. При остывании спирали происходит обратный процесс. Наличие, открытой спирали с относительно развитой поверхностью нагрева повышает надежность воспламенения и значительно сокращает время на предварительный накал свечи. Однако она достаточно быстро окисляется при высоких температурах, что снижает долговечность таких устройств.

Конструктивные схемы факельной штифтовой свечи фирмы "Bosh" (а) и термостата CAV фирмы "Lukas"' (б): а) 1 — нагревательный элемент; 2 — топливный фильтр; 3 — жиклер; 4 — сетки; 6 — экран; б) 1 — корпус клапана; 2- шарик; 3 — стержень клапана; 4 — нагревающая часть спирали; 5 — воспламеняющая часть спирали.

Пусковая характеристика двигателя "Deitz" F8L413 с маслом SAE10W и ЭФУ фирмы "Bosh”.

Схема системы подогрева впускного воздуха фирмы "Bendix": 1 — топливный фильтр; 2 — форсунка; 3- экран; 4 — электроискровая свеча; 5 — впускной коллектор; 6 — катушка зажигания; 7 — электроклапан; 8 — стабилизатор давления; 9 — топливный насос; 10 — топливный фильтр.

Термостат типа CAV не позволяет сопровождать факелом работу двигателя в режиме прогрева после пуска, так как в результате интенсивного обдува спираль нагревательного элемента охлаждается, воздействует на шарик, вследствие чего прекращается доступ топлива, и факел во впускном трубопроводе пропадает… Это является недостатком конструкции, так как снижаются эффективность и надежность пуска дизеля при отрицательных температурах окружающего воздуха. Испытания шестицилиндрового двигателя с рабочим объемом цилиндров 5,67 л, проведенные фирмой "Bosh”, показали, что благодаря применению ЭФУ предельная температура холодного пуска понижается с 266 К (-17 °C) до 235 К (-20 °C), а минимальные пусковые частоты вращения коленчатого вала двигателя с 113 мин^-1 (без ЭФУ) до 71 мин^-1. Этот факт был также подтвержден в ходе испытаний двигателя "Deitz” F8L413. На рис. 9 приведена зависимость величины минимальных пусковых частот вращения двигателя "Deitz” F8L413 от температуры окружающего воздуха. В момент пуска двигателя с ЭФУ при температуре 253 К (-20 °C) потребная частота вращения коленчатого вала двигателя снизилась со 115 до 55 мин^-1. Минимальная температура холодного пуска двигателя уменьшилась с 253 К (-20 °C) до 245 К (-28 °C). Для пуска танкового дизеля AVDS-1790-2C фирмой "Teledain Continental Motors” (танк М60А1, США) применяется система подогрева впускного воздуха ”Bendix” (рис. 10). Принцип ее действия основан на распылении топлива центробежной форсункой и воспламенении топливовоздушной смеси от искровой свечи. Используя данную систему, можно успешно пускать двигатель на масле DN-вОО при температуре до 241 К (-32 °C). Аналогичными системами оснащены двигатели БМП М-2, БТР М-113, самоходных орудий М-107А, М-109.

Полковник В.СОЛОМАЙ, кандидат технических наук; подполковник А.ШУРАЕВ; майор О.БЫСТРОВ