Повышение надежности пуска двигателя 12ЧН15/18 при низких температурах использованием систем подогрева воздуха на впуске

В соответствии с ГОСТ 20000-88 [1] тракторные двигатели должны запускаться без подогрева при температуре –10 °С на зимнем масле класса вязкости 8 и до –20 °С на загущенном масле типа М-4 3 /8В 2 (SAE 5W). При этом допускается применение средств облегчения пуска (СОП), входящих в комплект двигателя. Двигатели типа 12ЧН15/18 народнохозяйственного назначения не комплектуются СОП и их пуск без подогрева гарантируется при температуре окружающего воздуха до +5 °С. Целью выполненного исследования являлась проверка пусковых качеств этих двигателей с использованием систем подогрева впускного воздуха (ПВВ), разработанного ГСКБД ООО «ЧТЗ-Уралтрак», и бесфорсуночного подогревателя впускного воздуха (БФП) производства завода АТЭ-3 (г. Ржев) по лицензии фирмы «Bosch».

Объект исследования

Объектом исследования являлся двигатель 12ЧН15/18 (В-35ИН), оборудуемый последовательно:

• 1.    Системой ПВВ. Воздушный тракт двигателя снабжен дополнительным патрубком, на который устанавливался подогреватель. Система ПВВ состоит из подогревателя впускного воздуха, блока управления БУФ-2, электропневматического клапана ЭК-48, редуктора ИЛ-611-150/25К и соединительных трубопроводов. Установка ПВВ показана на рис. 1, а схема системы воздухо-пуска двигателя с ПВВ – на рис. 2. Редуктор понижает давление воздуха в системе ПВВ до 2,5 МПа. Программой, заложенной в БУФ-2, предусмотрена работа устройств системы пуска следующей продолжительностью: от момента нажатия кнопки «пуск ПВВ» прогрев свечей ПВВ – 2 мин; работа маслозакачивающего насоса (МЗН) – 0,5 мин, причем включение МЗН производится через 1,5 мин прогрева свечей. Через 2 мин включается лампа готовности к пуску, после чего необходимо начинать пуск двигателя.

• 2.    Системой БФП. Система БФП включает в себя четыре факельных свечи 11.3740, электромагнитный топливный клапан 11.3741 и соединительные трубопроводы. На рис. 3 приведена схема включения БФП в топливную систему двигателя. Здесь же показаны места установки свечей БФП на впускных коллекторах двигателя. Свечи как ПВВ, так и БФП включаются через дополнительное сопротивление для снижения сопротивления на свечах до 18,5...19,5 В. БУФ-2 и с системой БФП работает аналогично ПВВ.

При пусковых испытаниях двигателя с БФП тройник, предназначенный для установки ПВВ, демонтировался, при этом обеспечивалась возможность наблюдения за образованием и горением факелов во впускных коллекторах.

Рис. 1. Установка ПВВ: 1 – свеча накаливания; 2 – тройник; 3 – фильтр; 4 – штуцер подвода топлива; 5 – штуцер подвода воздуха; 6 – воздушный клапан – жиклер; 7 – топливный клапан; 8 – распылитель; а – воздушный канал; б – топливный канал; в – топливовоздушный канал

Рис. 2. Схема воздухопуска двигателя с ПВВ:

1 – воздушный баллон; 2 – пусковой электроклапан; 3 - воздухораспределитель двигателя; 4 – электропневмоклапан ЭК-48; 5 – редуктор ИЛ 611-150-25К; Р1, Р2 – манометры

Рис. 3. Схема включения БФП в топливную систему: 1 – топливный бак; 2 – электрический подкачивающий насос; 3 – топливоподкачивающий насос НТП-46; 4 – топливный фильтр;

5 – топливный клапан БФП; 6 – суммарный жиклер; 7 – впускные коллекторы; 8 – свечи БФП;

9 – делительная перегородка; 10 – дренажный трубопровод; Р1, Р2 – манометры

Краткие сообщения

Методика исследования

Двигатель устанавливался в климатической камере на перекатной платформе и оборудовался топливной системой, системой смазки и предпусковой прокачки масла, системой охлаждения и системой воздушного пуска. Система смазки заправлялась моторным маслом вязкостью «8». Топливная система заправлялась дизельным топливом А-0,4 ГОСТ 305-82 [2]. Система охлаждения была заправлена охлаждающей жидкостью 65. Пуск двигателя с применением ПВВ или БФП производился в следующем порядке:

• •    открывался вентиль на баллоне сжатого воздуха;

• •    включался электрический топливоподкачивающий насос и нажималась кнопка «Пуск ПВВ» на блоке БУФ-2;

• •    рычаг подачи топлива устанавливался в положение 1/2 полной подачи;

• •    при появлении сигнала о готовности к пуску нажималась кнопка пульта «Пуск»;

• •    продолжительность включения воздухопуска была не более 8 с;

• •    непосредственно после пуска устанавливался режим 900...1000 мин^–1 и работа на этом режиме продолжалась до момента автоматического отключения ПВВ или БФП блоком БУФ-2.

Пуск двигателя считался удачным, если был осуществлен не более, чем с трех попыток и после отключения ПВВ или БФП двигатель управлялся рычагом подачи топлива и при этом давление в системе смазки соответствовало требованиям конструкторской документации.

Пуск двигателя производился после выдержки заданной температуры окружающего воздуха, деталей двигателя, топлива, масла и охлаждающей жидкости в течение одного часа (не менее) при разности температур не более 2 °С. Испытания со средствами облегчения пуска начинались с температуры –20 °С. При удачном пуске опыты повторялись, а при неудачном пуске температура повышалась на 5 °С для проведения последующего опыта. Контроль за работой ПВВ и БФП осуществлялся визуально через входные отверстия впускных коллекторов.

При проведении испытаний регистрировались следующие параметры:

• •    температура окружающей среды;

• •    температура масла в баке;

• •    температура топлива в баке;

• •    температура охлаждавшей жидкости в расширительном баке;

• •    давление масла на входе в главную магистраль;

• •    давление масла на восьмой опоре коленчатого вала;

• •    давление топлива после топливоподкачивающего насоса;

• •    давление топлива перед ПВВ или БФП;

• •    температура воздуха во впускных коллекторах;

• •    время прогрева свечей ПВВ или БФП;

• •    время пуска двигателя.

Результаты исследования

Первоначально были проведены пусковые испытания двигателя с ПВВ. За период испытаний осуществлено 12 опытов по пуску двигателя с системой ПВВ, из них три опыта – при температуре окружающего воздуха от +10 до –10 °С с целью определения параметров функционирования системы питания топливом ПВВ. Остальные девять опытов проведены при температуре –20 °С, из них пять опытов – с использованием блока управления БУФ-2.

Первые опыты показали, что штатная топливная система двигателя 12ЧН15/18, выполненная без дросселя в дренажном трубопроводе на протоке топлива, не обеспечивает давления топлива, необходимого для эффективной работы ПВВ. При работе топливоподкачивающего насоса давление топлива составляло 0,04 МПа, при работе дизеля совместно с насосом – 0,08...0,1 МПа. При таком давлении воспламенение топлива и образование факелов происходит нестабильно. После установки дросселя диаметром 0,8 мм в дренажном трубопроводе давление топлива в системе повысилось и составило 0,07 МПа и 0,18...0,2 МПа соответственно, что обеспечило более стабильное воспламенение и более устойчивый факел в процессе пуска.

Пусковые испытания двигателя показали, что с применением ПВВ обеспечивается запуск двигателя воздушной пусковой системой с исходным давлением воздуха в системе 9,0 МПа при температуре окружающего воздуха –20 °С. Однако после пуска в процессе сопровождения работы двигателя на холостом ходу работой ПВВ выхлопные патрубки (выход из головки) правого блока оставались холодными или были чуть теплыми (определялось прикосновением руки), что свидетельствует о самопроизвольном отключении цилиндров этого блока или об их нестабильной работе. Это явление можно объяснить срывом и угасанием факела в правом коллекторе. Самопроизвольное отключение цилиндров и их нестабильная работа приводят к таким нежелательным явлениям как смывание смазки со стенок цилиндра в первом случае и осмолению газовоздушного тракта – во втором.

Частота вращения коленчатого вала двигателя перед запуском составлял а 70...75 мин^–1. Продолжительность пуска двигателя с ПВВ при температуре –20 °С не превышала 4 с. Сопровождение работы двигателя после пуска работой ПВВ составляло 2 мин (соотве т ствует заложенной в БУФ-2 программе). После отключения ПВВ двигатель управляется рычагом подачи топлива. Образец осциллограммы процесса пуска двигателя с ПВВ показан на рис. 4. Анализ осциллограммы показал, что до начала «разгона» двигателя температура воздуха во впускных коллекторах достаточно высокая (до 500 °С). С набором частоты вращения температура воздуха существенно снижается и при 1000 мин^–1 она составляет: в левом блоке – t в лев = 39 °С, в право м блоке – t в пр = 28 °С.

Рис. 4. Осциллограмма процесса пуска двигателя 12ЧН15/18 с ПВВ (пуск воздушный, Р в исх = 9,0 МПа, t окр = t дв = –20 °С)

Испытания с БФП и с ПВВ проведены с установ л енными на заводе ко л лекторами. Первые опыты по пуску двигателя с БФП проведены с установленным на дренажном трубопроводе 10 дросселем диаметром 0,8 мм и жиклером диаметром 1,0 мм перед свечами БФП. Давление топлива при этом перед запуском двигателя и после запуска составляло соответстве н но 0,065...0,07 МПа (работа топливоподкачивающего насоса) и 0,18...0,2 МПа (работа двигателя и топливоподкачивающего насоса). В начале пуска двигателя образуютс я мощные факелы, но через 3...7 с на левой стороне и практически сразу после начала работы дви г ателя на правой стороне они гаснут, после чего работа двигателя становится неустойчивой и в некоторых опытах он останавливался. Затухание факелов можно объяснить как переохлаждение м свечей БФП от избыточного расхода топлива, так и срывом факела впускным воздухом при высоких частотах вращения коленчатого вала двигателя.

С целью снижения расхода топлива через БФП был снят дроссель с дрен а жного трубопровода, а жиклер диаметром 1,0 мм перед БФП оставлен. Давление топлива перед БФП после этого при работе топливоподкачивающего насоса понизилось до 0,04 МПа, а при работе двигателя и насоса – до 0,07...0,08 МПа. Это привело к более стабильному горению факелов БФП, установленных в левом коллекторе, где они горели вплоть до отключения свечей БФП. Продо л жительность включения свечей БФП по программе БУФ-2 составляла 30 с от начала пуска двигателя. В правом впускном коллекторе факелы прекращали го р еть практически сраз у после разгона двигателя до 900...1000 мин^–1. Выхлопные патрубки пра в ого коллектора так же, как и при пуске

Краткие сообщения с ПВВ, оставались холодными. После отключения свечей и прекращения горения БФП в левом коллекторе работа продолжалась, двигатель управлялся рычагом подачи топлива. Повторные опыты по пуску двигателя с БФП при температуре –20 °С дали аналогичные результаты.

Выводы

Проведенные экспериментальные исследования показали, что система ПBB, установленная на впускных коллекторах двигателя 12ЧН15/18, также как и система БФП (установка по две свечи на каждый впускной коллектор), позволяют производить пуск двигателя при температуре окружающего воздуха до –20 °С без предварительного разогрева, что обеспечивает его соответствие требованиям ГОСТ 20000-88.

Применение БФП, как средства облегчения пуска двигателя 12ЧН15/18, более предпочтительно, так как при прочих равных условиях отпадает необходимость в сжатом воздухе, следовательно, в установке на тракторе компрессора.

Для повышения надежности работы системы БФП необходимо разработать и проверить в климатической камере дополнительные мероприятия по стабильному горению факела в режиме сопровождения с разделенными впускными коллекторами.

Результаты исследования были использованы ООО «ЧТЗ-Уралтрак» при совершенствовании пусковых качеств дизелей типа 12ЧН15/18.