Повышение надежности пуска двигателя 12чн15/18 при низких температурах использованием систем подогрева воздуха на впуске

Краткие сообщения

УДК 621.43

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПУСКА ДВИГАТЕЛЯ 12ЧН15/18 ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМ ПОДОГРЕВА ВОЗДУХА НА ВПУСКЕ

А.А. Малозёмов, В.Н. Бондарь, B.C. Кукис, Д.В. Романов

Приведены результаты пусковых испытаний дизеля 12ЧН15/18, оборудованного системой подогрева впускного воздуха и бесфорсуночным подогревателем впускного воздуха в климатической камере. Сформулированы рекомендации по совершенствованию конструктивных характеристик средств облегчения пуска.

Ключевые слова: дизель, холодный пуск, подогрев воздуха на впуске, пусковые испытания, климатическая камера.

Введение

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-43/8В2 (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 мин1 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 составляла 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 (соответствует 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 - ^в лев = 39 °С, в правом блоке -

+ _ 20 °С

*в пр

температура: —Левый — Правый ----Ргмм

Время, с

Рис. 4. Осциллограмма процесса пуска двигателя 12ЧН15/18 с ПВВ

Испытания с БФП и с ПВВ проведены с установленными на заводе коллекторами. 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 соответственно 0,065...0,07 МПа (работа топливоподкачивающего насоса) и 0,18...0,2 МПа (работа двигателя и топливоподкачивающего насоса). В начале пуска двигателя образуются мощные факелы, но через 3...7 с на левой стороне и практически сразу после начала работы двигателя на правой стороне они гаснут, после чего работа двигателя становится неустойчивой и в некоторых опытах он останавливался. Затухание факелов можно объяснить как переохлаждением 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 дренажного 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. Продолжительность включения свечей БФП по программе БУФ-2 составляла 30 с от начала пуска двигателя. В правом впускном коллекторе факелы прекращали гореть практически сразу после разгона двигателя до 900... 1000 мин-1. Выхлопные патрубки правого 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 ПВВ, 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.

Литература

1. ГОСТ 20000-88. Дизели тракторные и комбайновые. Общие технические условия. -1990-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1997. - 15 с.

2. ГОСТ 305-82. Топливо дизельное. Технические условия. - 1983-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 2003. - 6 с.

Малозёмов Андрей Адиевич. Доктор технических наук, профессор кафедры «Колесные, гусеничные машины и автомобили», Южно-Уральский государственный университет (Челябинск), amalozemov@mail.ru.

Бондарь Владимир Николаевич. Кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Колесные, гусеничные машины и автомобили», Южно-Уральский государственный университет (Челябинск), scatt_74@mail.ru.

Кукис Владимир Самойлович. Доктор технических наук, профессор кафедры «Колесные, гусеничные машины и автомобили», Южно-Уральский государственный университет (Челябинск), idem37@mail.ru.

Романов Дмитрий Викторович. Аспирант кафедры «Двигатели внутреннего сгорания», Алтайский государственный технический университет (Барнаул), idem37@mail.ru.

Поступила в редакцию 7 февраля 2014 г.

Bulletin of the South Ural State University Series “Mechanical Engineering Industry” ____________2014, vol. 14, no. 1, pp. 72-77

INCREASING 12CHN15/18 ENGINE START RELIABILITY AT LOW TEMPERATURES USING SYTEMS OF INTAKE AIR HEATING

A.A. Malozemov, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, amalozemov@mail.ru, V.N. Bondar, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, scatt_74@mail.ru,

V.S. Kukis, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, idem37@mail.ru,

D.V. Romanov, Altai State Technical University, Barnaul, Russian Federation, idem37@mail.ru

The article presents results of the diesel 12CHN15/18, equipped with an intake air heating system and without nozzle heater of intake air, cold test in a climatic chamber and formulated recommendations concerning the improvement of the tools to facilitate cold start design characteristics.

Keywords: diesel, cold start, inlet air heating, cold start test, climatic chamber.

References

1. GOST 20000-88. Dizeli traktornye i kombajnovye. Obshhie tehnicheskie uslovija [State Standard 20000-88. Diesels tractor and combine. General specifications]. Moscow, Standartinform Publ., 1997. 15 p.

2. GOST 305-82. Toplivo dizel'noe. Tehnicheskie uslovija [State Standard 305-82. Diesel fuel. Specifications]. Moscow, Standartinform Publ., 2003. 6 p.

Received 7 February 2014