К проблеме повышения качества эксплуатации сельскохозяйственной техники в условиях резко континентального климата Сибири и Дальнего Востока

Современное техническое оснащение системы агропромышленного комплекса требует совершенствования организации и технологии ремонта машинно-тракторного парка в направлении снижения затрат на поддержание техники в работоспособном состоянии, с одновременным обеспечением высокого качества ремонта машин и агрегатов.

Двигатель как энергетический элемент мобильных сельскохозяйственных машин, на долю которых приходится наибольшее количество отказов (35-45 %), определяет в значительной степени срок службы машин. По статистическим данным, до 24 % отказов дизельных двигателей, которыми в большей степени оснащены сельскохозяйственные машины, наблюдается в начальный период эксплуатации, после заводской обкатки. При этом установлено, что 25 % отказов приходится на неисправность топливной системы, в том числе топливного насоса высокого давления (ТНВД) и форсунки, в результате производительность отремонтированных машин оказывается на 10-20 % ниже новых.

При совершенствовании дизельных, автотракторных двигателей неизбежно возникают вопросы улучшения качества конструкций и технического обслуживания отдельных механизмов систем, в первую очередь топливной системы. Объясняется это тем, что именно показатели работы топливной системы определяют мощностные и экономические показатели и характеристики, а также надежность и снижение токсичности выбросов отработавших газов; другими словами, правильно отрегулированный топливный насос высокого давления, форсунки и момент впрыска топлива в конечном счете лимитируют моторесурс дизельного двигателя в целом.

Оптимальный температурный режим эксплуатации автотракторных двигателей в сельском хозяйстве рекомендуется в пределах от 90 до 95 оС. Эксплуатация двигателей при более низких температурах нежелательна, так как изменение вязкости масла приводит к увеличению износа деталей и механических потерь на трение [1].

В условиях резко континентального климата Сибири и Дальнего Востока более половины календарных дней эксплуатации автотракторных двигателей приходится на период низких температур, поэтому научно-исследовательские работы по совершенствованию приемов запуска и прогрева являются актуальными.

У дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания (вихре- или форкамерные) пусковые качества значительно хуже, чем у дизельных двигателей с неразделенной камерой. Для облегчения пуска дизельные двигатели с разделенной камерой оснащаются электрическими свечами накаливания, уста- навливаемыми в форкамеру или вихревую камеру. Реже свечи устанавливаются в дизельных двигателях с непосредственным впрыском.

Свечи бывают открытого и закрытого типа, со спиралью накаливания или нагревательным элементом. Они выпускаются теми же фирмами, что и свечи зажигания («Чемпион», «Бош», «Беру» и др.). Кожух свечи располагается в камере сгорания дизельного двигателя так, чтобы конус распыленного топлива попадал только на его раскаленный наконечник.

При температурах до -25°C надежный пуск дизельного двигателя обеспечивается подогревом воздуха во впускном трубопроводе. Для этого в дизельном двигателе, в специальных бобышках, устанавливают свечи подогрева (например, СН-150). Время нагрева до 900-1000°C составляет около 1 мин. Сила тока во время подогрева доходит до 45 А, и при плохо заряженном аккумуляторе частота вращения коленчатого вала стартером может оказаться ниже пусковых оборотов. Поэтому более эффективным способом прогрева воздуха во впускном трубопроводе является электрофакельный подогреватель. Подогрев осуществляется факелом горящего топлива, которое подается ручным топливоподкачивающим насосом под давлением 0,02-0,04 МПа через жиклер на нагревательный элемент, а затем на объемную сетку. Факельная свеча нагревается до 1000°C за 1-1,5 мин до пуска, обеспечивая надежное испарение топлива.

Применение электрофакельного нагревателя позволяет понизить температуру надежного пуска на 25-30°C. Подбор свечей или подогревателей, как правило, производится по каталогам фирм-изготовителей.

Самым простым и доступным в эксплуатации способом облегчения пуска как дизельных, так и бензиновых двигателей является впрыскивания во впускную систему двигателя легковоспламеняющихся жидкостей. Для этого могут использоваться встроенные в систему впуска распылители либо специальные аэрозольные баллончики. Из отечественных препаратов такого рода назовем «Холод-40», «Автожидкость для пуска двигателя» и др.

При очень низких температурах наибольший эффект дает применение работающих на дизельном топливе предпусковых подогревателей для разогрева охлаждающей жидкости (ПЖД). Оно не только обеспечивает быстрый пуск, но и уменьшает износ двигателя, снижает эксплуатационный расход топлива. Существуют жидкостные, воздушные и комбинированные подогреватели. Нагрев охлаждающей жидкости и дизельного топлива позволяет обеспечить прогрев и пуск дизельного двигателя за 30 мин при температуре до -60°C.

Разогрев системы смазки обычно осуществляется подачей горячего воздуха на картер двигателя, а иногда и внутрь него. Существуют воздушные подогреватели-отопители, используемые для прогрева не только двигателя, но и кабины водителя. Для отечественных двигателей применяются воздушные подогреватели ПЖД-30 тепловой мощностью 30 кВт, ПЖД-600 – 69,6 кВт, жидкостный подогреватель ПЖД-400 – 43,5 кВт.

Кроме них дизельные двигатели могут снабжаться отопительными устройствами фирмы «Эбер-спехер» (Германия): жидкостными «Гидроник» моделей B4W, B5W, D4W, D5W для легковых автомобилей и микроавтобусов, D9W, D24W, D30W, D35W для грузовиков, автобусов, фургонов, судов. Этой же фирмой выпускаются воздушные отопители B1LC, D1LC, D3LC, D5LC, D8LC, D12LC. Они могут использоваться при неработающем двигателе, что снижает общие расходы на топливо и загазованность воздуха. Обогреватели могут включаться без водителя, специальным устройством, запрограммированным на 7 сут, или радиопультом, действующим на расстоянии до 1 км. Этой же фирмой выпускаются подогреватели для топливопроводов «Термолайн».

Широкое распространение получили подогреватели типа «Вебасто». Горячая жидкость обогревает блок и головку цилиндров, отработавшие газы – картер двигателя. В период, когда токсичность отработавших газов оценивалась по выбросу СО и СН (углеводородов), в широкой прессе отмечалось, что дизели имеют из всех ДВС наиболее низкую токсичность. Однако в дальнейшем, когда товарные бензины стали выпускаться без этиловой жидкости, а дизельные двигатели начали оснащаться трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами, снижающими содержание СО, СН, NО х на 90-95%, о низкой токсичности дизельных двигателей по сравнению с бензиновыми двигателями стали скромно умалчивать.

Нормальное действие системы пуска обеспечивается при сообщении коленчатому валу так называемой минимальной пусковой частоты вращения, которая у отечественных двигателей составляет от 30 мин-1 и более. Одними из основных характеристик пуска являются зависимости от температуры и момента сопротивления проворачиванию коленчатого вала. Понижение температуры окружающей среды ухудшает запуск, поэтому в исследовательских работах различают фактический режим работы системы пуска и расчетно-экспериментальный, при которых обеспечивается нормальный пуск двигателя без предварительного прогрева. По данным хронометрических исследований, за последние три года от- рицательный температурный показатель находится в пределах от -25 до -37о С [2]. По метеорологическим прогнозам ожидается дальнейшее понижение температурного режима, в пределах от -40 до -50о С [1, 2]. В таких условиях актуальным моментом в эксплуатации автотракторных двигателей становится прогрев двигателя до нормальной температуры, в соответствии с техническими условиями.

Прогрев двигателя на холостом ходу связан с затратами времени, увеличенным расходом топлива, выбросом большого количества вредных составляющих в отработавших газах, отрицательным шумовым воздействием в местах парковки.

После пуска, как только двигатель заработал устойчиво, необходимо начать движение на пониженной передаче со скоростью до 30 км/ч, с частотой вращения коленчатого вала не более 2000 мин-1. По мере нагрева двигателя надо открывать воздушную заслонку до максимума. На автомобилях иностранного производства это происходит автоматически. Такой режим прогрева сэкономит время и топливо, продлит срок службы двигателя и предотвратит сильное загрязнение окружающей среды. Вышеописанная рекомендация становится возможной в связи с усовершенствованием конструкции автотракторных двигателей, применением минеральных и синтетических масел с присадками, внедрением технических разработок системы пуска и прогрева.

Условия теплообмена между воздухом и наружной поверхностью двигателя определяются величиной коэффициента теплоотдачи, который является сложной функцией различных параметров.

Коэффициент теплоотдачи двигателя определяется методом теплового подобия при естественной конвекции, которая возникает из-за перепада температур нагретых и холодных частей теплоносителя. В условиях низких температур окружающего воздуха при закрытых жалюзях радиатора коэффициент теплоотдачи определяем для свободного движения воздуха . Такими будут процессы, протекающие в геометрически подобных системах, необходимой предпосылкой которых при естественной конвекции должно быть подобие температурных полей на поверхностях нагрева или охлаждения. При выполнении этих требований процессы будут подобны, если два определяющих критерия - Грасгофа (G_r) и Прандтля (Р_г), для таких систем будут численно одинаковы.

Согласно теории, у подобных процессов оказываются одним и тем же и определяемый критерий Нуссельта (Nu), характеризующий интенсивность процесса конвективного теплообмена:

al Nu = --- ,

X где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2 град.;

l - характерный геометрический размер, м;

X - коэффициент теплопроводности, В/м град.

Уравнение подобия для процессов теплообмена имеет вид

N u = F ( G r , Р к ).

Определяющий критерий Грасгофа (Gr) характеризует относительную эффективность подъемной силы, вызывающей свободно-конвективное движение среды, и определяется согласно

_       v ³

G r = q • Р - a t —, u где q - ускорение свободного падения;

в - температурный коэффициент объемного расширения среды;

At - разность температур стенки двигателя и воздуха;

v - коэффициент кинематической вязкости.

Второй определяющий критерий Прандтля (Рг) является теплофизической характеристикой теплоносителя, от температуры не зависит, берется по таблице. Коэффициент теплоотдачи определяется из критерия Нуссельта:

N ⋅ λ a = ^u l

.

При понижении температуры окружающего воздуха от +20^оС до -35-40^оС температура двигателя заметно снижается в среднем до 50-60^оС, а разность температур стенок двигателя и воздуха увеличивается при +20^оС до - 70^оС, при -35-40^оС - до 85-90^оС. Эта разность температур вызывает возрастание определяющего критерия Грасгофа (С_г), а это в свою очередь - рост критерия Нуссельта (N_u) и увеличения коэффициента теплоотдачи (а) [3, 4].

Вывод

С увеличением коэффициента теплоотдачи (α) при низких температурах окружающего воздуха двигатели сельскохозяйственной энерготехники эксплуатируются при пониженных температурных режимах, влияющих на их приспособленность. В связи с этим возникает необходимость в изолированном и достаточно утепленном моторном отсеке, который позволяет повысить число ступеней, а следовательно, время передачи тепла от двигателя в окружающую среду.