СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ АДАПТАЦИИ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ТОПЛИВОМ ТРАНСПОРТНОГО ДИЗЕЛЯ К НИЗКИМ ТЕМПЕРАТУРАМ
METHOD FOR INCREASING ADAPTATION OF DIESEL ENGINE FUEL SUPPLY SYSTEM TO LOW TEMPERATURES

Предлагаемое изобретение относится к мобильной технике, в частности к активным способами и техническим средствам, предназначенным для повышения надежности функционирования системы питания топливом дизельных силовых агрегатов транспортных средств в условиях низких температур.
Система питания топливом дизельного двигателя мобильной машины предназначена для хранения запаса топлива, его очистку и равномерное распределение по цилиндрам строго дозированными порциями.
Так, известна система питания топливом дизеля с системой впрыска состоящая из топливного бака, топливозаборного патрубка с сеткой-фильтром предварительной очистки топлива, фильтра грубой очистки топлива, топливоподкачивающих насосов, топливопроводов низкого давления, фильтра тонкой очистки топлива, топливного насоса высокого давления (ТНВД), топливных магистралей высокого давления, комплекта форсунок, топливопроводов для перепуска излишков топлива из ТНВД и форсунок в топливный бак [см. Иванов A.M., Солнцев А.Н. и др. Основы конструкции автомобиля. М.: ООО «Книжное издательство «за рулем», 2006. 336 с.].
Работникам, эксплуатирующим автотракторные парки, известны случаи отказов и неисправностей систем питания топливом дизельных силовых агрегатов в осенне-зимний период эксплуатации.
Так, с понижением температуры вязкость и плотность дизельных топлив возрастает. Это отрицательно влияет на процессы прокачиваемости через фильтры и форсунки, испарения и смесеобразования. Топливо сгорает не полностью, увеличивается его расход, ухудшается экономичность, повышается нагарообразование, возникает дымление, ухудшаются пусковые свойства ДВС [см. Синельников А.Ф., Балабанов В.И. Автомобильные топлива, масла и эксплуатационные жидкости. Краткий справочник. - М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2003. - 176 с.].
Одной из причин останова дизелей в осенне-зимние месяцы является применение топлива не в полной мере соответствующего температуре окружающей среды. Это часто проявляется в осенне-зимнее межсезонье.
Применяемые дизельные топлива в соответствии с ГОСТ 305-82 классифицируются на летние (ДЛ и Л, используются при температуре окружающего воздуха от t=0°С и выше), зимние (З - при t= -20°С и выше), северные (ДЗ и С - при t= -30°С и выше) и арктические (ДА и А-t= -30°С и ниже). При этом следует отметить, что зимнее дизтопливо не отличается от летнего ни по цвету, ни по запаху.
6
27
6
19
Химический состав дизельного топлива включает 10…40% парафиновых углеводородов (алканов), порядка от 20 до 60% могут быть нафтеновые и 14…30% ароматические углеводороды. Такой процентный разброс происходит из-за того, что у летнего дизельного топлива одно содержание указанных веществ, у зимнего - другое, а арктическое имеет свою формулу. Так, в состав летних дизельных топлив входят парафины с длиной цепи С-С, а в состав зимних - С-С [см. Стуканов В.А. Автомобильные эксплуатационные материалы: учебное пособие. Лабораторный практикум. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2009. - 304 с.]. Низкотемпературные свойства жидких углеводородных топлив зависят от группового и фракционного состава. Наихудшими низкотемпературными свойствами обладают парафины и ароматические углеводороды.
Наивысшую температуру, при которой дизельное топливо теряет текучесть, называют температурой застывания. Она должна быть на 8…2°С ниже температуры окружающей среды [см. Стуканов В.А. Автомобильные эксплуатационные материалы: учебное пособие. Лабораторный практикум. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2009. - 304 с.].
При определенной температуре парафиновая группа начинает преобразовываться в кристаллы и превращаться в твердую фазу (парафиновые хлопья). Вязкость дизтоплива возрастает, оно начинает мутнеть, затем перестает прокачиваться через фильтры и по окончании полностью становится застывшим [см. В.Г. Камалтдинов, В.А. Марков. Исследование процессов подачи и распыления топлива в дизеле с неразделенной камерой сгорания на режимах пуска // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Машиностроение". 2010. №3 С. 81…90].
Так, летние сорта топлива уже при минус 3…5°С загустевают и перестают нормально прокачиваться через топливные фильтры. Это обычно соответствует так называемой температуре помутнения, то есть начала кристаллизации парафинов, содержащихся в топливе. При температуре примерно - 10°С такое топливо застывает. В результате этого значительно ограничивается поступление топлива к топливному насосу высокого давления, уменьшается циклическая подача его цилиндровых секций, что приводит к затруднению пуска, увеличению неравномерности работы цилиндров и падению мощности в период прогрева и работы дизеля, вплоть до полной его остановки. И тогда попытки запуска двигателя с загустевшей летней соляркой без отогрева автомобиля практически всегда заканчиваются повреждением ТНВД. В такой ситуации не спасут и никакие средства для облегчения запуска дизелей, поскольку подача топлива в силовой агрегат нарушена. Более того, для некоторых моделей дизелей применение подобных средств опасно - известны случаи поломки поршней из-за быстрого воспламенения и сгорания веществ, содержащихся в этих средствах. И только зимнее дизельное топливо, у которого меньше вязкость и скорость ее возрастания при снижении температуры, может обеспечить надежную работу двигателя в холодное время года.
Один из неприятных периодов эксплуатации мобильной техники -осенне-зимнее межсезонье, когда температура окружающей среды колеблется от +3°С до -5°С. Если заправленное в бак летнее топливо не соответствует температуре окружающей среды, то возникает проблема транспортировки дизельного топлива в топливной системе силового агрегата, ухудшается его текучесть. Необходимо отметить, что зимнее топливо в межсезонье не всегда имеется в наличии на автозаправочных станциях. В таких ситуациях применяются наиболее распространенные виды дизельного топлива, но классом ниже.
Следовательно, имеет место проблема зимнего и межсезонного плана. Для ее разрешения науке и практике известен ряд технических решений.
Так, в известных конструкциях источником тепловой энергии для подогрева топлива служат как теплоносители, прогреваемые самим дизелем (сливаемое топливо, охлаждающая жидкость, моторное масло, отработавшие газы и др.), так и электрическая энергия от бортовой сети объекта применения дизеля. Например, топливные баки греют паяльными лампами либо при помощи специальных ТЭНов. Имеются конструктивные решения, которые также предусматривают электроподогрев дизельного топлива, но уже в фильтрах [см. А.В. Грицюк, В.Г. Кондратенко, Г.А. Щербаков. Совершенствование конструкции топливной системы автотракторного дизеля для улучшения ее работы в условиях зимней эксплуатации // Двигатели внутреннего сгорания. 2006. №1. С. 112…117]. Естественно при этом следует обратить серьезное внимание на соблюдение мер безопасности.
Также известно следующее техническое решение. Топливоподкачивающий насос низкого давления всегда подает топлива больше, чем необходимо для работы ТНВД, а избыток его вместе с попавшим в систему воздухом отводится обратно в бак [см. Вахламов В.К. Автомобили: Основы конструкции: учебник для студ. высш. учеб. заведений / В.К. Вахламов - 4-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 528 с.]. Также в бак перепускается топливо, просочившееся в полости пружин форсунок. Известны варианты, когда отвод топлива может осуществляться к топливоподкачивающему насосу [см. Двигатели внутреннего сгорания: учеб. для вузов по спец. «Строительные и дорожные машины и оборудование» / Хачиян А.С., Морозов К.А. и др.; Под ред. В.Н. Луканина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1985. - 311 с.].
Особенностью еще одного технического решения является то, что дренаж излишков достаточного нагретого топлива из ТНВД и форсунок производится также не в бак, а в топливный фильтр грубой очистки [см. Двигатели внутреннего сгорания: учеб. для вузов по спец. «Строительные и дорожные машины и оборудование» / Хачиян А.С., Морозов К.А., и др.; Под ред. В.Н. Луканина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1985. - 311 с.] для минимизации отложения парафинов в нем, а также в топливопроводах, расположенных за данным фильтром.
Недостатком указанных технических решений являются то, что парафины постепенно перекрывают сечения топливопровода низкого давления из бака и, тем самым, уменьшается поступление достаточно холодного топлива в ДВС.
В качестве прототипа принято следующее техническое решение. Подогрев дизельного топлива при низких температурах осуществляется посредством лампочки накаливания [См. Новиков Д.В. Подогрев дизельного топлива при низких температурах от лампочки накаливания в топливных баках пожарных автомобилей. С. 78. В сборнике материалов «Есть идея!» V11 Международного салона «Комплексная безопасность - 2014», 26 мая 2014 года. М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2014. 220 с.: ил.]. Приспособление представляет собой размещенную в топливном баке вблизи топливозаборной сетки электрическую лампочку, работающую от бортовой сети автомобиля 12-24 В. Патрон лампочки хомутом крепится к топливозаборнику. Данное техническое решение, по заявлению автора, позволяет бесперебойно работать дизельному двигателю в условиях низких температур, как на зимнем, так и летнем топливе.
Ниже приведен ориентировочный расчет тепловой мощности электронагревателя - N (кВт), необходимой для подогрева летнего дизельного топлива от температуры его застывания до температуры помутнения по следующей зависимости [см. Михеев, М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеева. - М.: Энергия, 1973. - 320 с.]:
р
N=С⋅Q⋅Δt/τ,
где τ - время, с;
⋅Δt - перепад температур от температуры застывания летнего дизельного топлива равной минус 10°С до температуры помутнения минус 5°С. [см. Синельников А.Ф., Балабанов В.И. Автомобильные топлива, масла и эксплуатационные жидкости. Краткий справочник. М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2003. - 176 с.]. Принимаем Δt=5°С;
р
С=2,01 кДж / (кг⋅°С) - изобарная теплоемкость летнего дизельного топлива [см. Михеев, М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И. М. Михеева. - М.: Энергия, 1973. - 320 с.];
Q - расход топлива. Так, для грузового автомобиля УРАЛ-43202 расход топлива на пробег 100 км составляет 40,5 л/100 км [см. распоряжение Минтранса РФ от 14.03.2008 г. №AM-23-p «О введении в действие методических рекомендаций «Нормы расхода топлив и смазочных материалов на автомобильном транспорте»]. На пробег 70 км за время один час соответственно 28,4 л/час = 0,0079 л/с или, с учетом плотности дизтоплива, Q=0,0079⋅0,86 кг/л = 0,0068 кг/с.
Таким образом, N=0,068 кВт = 68 Вт.
Следовательно, полученная в результате расчета мощность нагревателя соответствует мощности, потребляемой автомобильной электрической лампочкой дальнего света.
Недостатком данного технического решения является его низкая надежность. Действительно, из-за вибрации и тряски механического транспортного средства электрическая лампочка может перегореть или исчезнет контакт в ее электропитании, т.е. все электрические соединения должны быть надежными и, кроме того, необходимо исключить искрение вблизи горючей жидкости - дизельного топлива. Во-вторых, имеет место определенная сложность в контроле исправности лампочки. В-третьих, нагреватель должен подключаться к сети через плавкий предохранитель. Четвертое. Мощность нагревателя должна быть пропорциональна градиенту температур помутнения топлива и окружающей среды, а также расходу топлива, т.е. необходимо следящее автоматическое устройство.
Задачей технического решения является обеспечение усиленного подогрева дизельного топлива в баке мобильной машины не только теплотой, выделяющейся при работе ТНВД и форсунок, но также за счет утилизации теплоты, выделяющейся при работе воздушного компрессора рабочей тормозной системы базового шасси для предотвращения накапливания парафина в фильтрах и топливопроводах, приводящих к останову двигателя в условиях низких температур при минимальных конструктивных доработках.
Для решения этой задачи дополнительный подогрев топлива в баке зимой предлагается производить подачей в рубашку охлаждения корпуса работающего компрессора рабочей тормозной системы базового шасси не охлаждающей жидкости ЛВС, а излишков дизельного топлива ранее подогретого в функционирующих ТНВД и форсунках и идущего на слив в бак. Идея второй ступени подогрева топлива основана на относительно низких КПД поршневых компрессоров, которые применяются в рабочих тормозных системах. Действительно известно, например, что мощность, потребляемая компрессором ЗИЛ-130-3509009-11 составляет от 0,8 до 2,1 кВт [см. Автомобиль ЗИЛ-130 и его модификации. Модель 1970 г. Инструкция по эксплуатации. Издание восьмое, исправленное и дополненное. М.: Машиностроение, 1971. 224 с]. Кроме того, также известно, что КПД поршневых вертикальных компрессоров составляет порядка 0,9 [см. Семидуберский М.С. Насосы, компрессоры, вентиляторы. Учебник для техникумов. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1974. 232 с.]. Другими словами потери мощности в компрессоре на любом режиме его работы соизмеримы с величиной мощности нагревателя, необходимой для подогрева расхода топлива потребляемого при движении механического транспортного средства.
Задача решается тем, что на заводе-изготовителе бак оснащают узлом «слива-забора топлива» в котором «зимний» сливной топливопровод в сборе с топливозаборным патрубком конструктивно представляют собой классический струйный насос. Предлагается и другой вариант конструкции этого узла. А именно: топливозаборный патрубок с сеткой располагаются в баке коаксиально снаружи «зимнего» сливного топливопровода, т.е. по схеме «труба в трубе». Кроме того, временно на зимний период, необходимо исключить подачу охлаждающей жидкости в рубашку охлаждения компрессора. Вместо ее подводят излишки топлива уже подогретые в ТНВД и форсунках через переключатель типа трехходового крана. Топливо, дополнительно подогретое в рубашке охлаждения компрессора с помощью «зимнего» сливного топливопровода отводят в бак, тем самым передают теплоту запасу топлива в нем. Кроме того, для минимизации диссипации теплоты сливным трубопроводом, размещенным после воздушного компрессора и до «зимнего» сливного топливопровода в топливном баке, его поверхности эффективно теплоизолируют, например быстротвердеющей полиуретановой пеной.
На фиг. 1 представлена одна из возможных схем реализации предложенного способа повышения адаптации системы питания топливом транспортного дизеля к низким температурам (положение переключателя-трехходового крана и направления циркуляции топлива согласно стрелкам соответствует работе системы в низкотемпературных условиях). Где 1 - топливный бак, 2 - топливопроводы низкого давления, 3 - фильтр грубой очистки топлива, 4 - топливоподкачивающие насосы, 5 - фильтр тонкой очистки топлива, 6 - топливный насос высокого давления (ТНВД), 7 - топливные магистрали высокого давления, 8 - комплект форсунок, 9 - топливопроводы для дренажа излишков топлива из ТНВД и форсунок в топливный бак, 10 - переключающее устройство (трехходовой кран) с двумя положениями: «зима» и «лето», 11 - компрессор рабочей тормозной системы базового шасси с рубашкой жидкостного охлаждения, 12 - «зимний» сливной топливопровод, 13 - сетка-фильтр предварительной очистки топлива, 14 - топливозаборный патрубок.
Дизель механического транспортного средства с системой питания топливом предлагаемой конструкции в условиях низких температур окружающего воздуха работает следующим образом.
В ходе сезонного технического обслуживания перед началом осенне-зимнего периода эксплуатации, дополнительно проводятся следующие работы. Отсоединяют и глушат трубопроводы подвода/отвода охлаждающей жидкости к рубашке охлаждения компрессора (На фиг. 1 условно не показаны). Затем к одному штуцеру рубашки охлаждения компрессора подключается топливопровод от переключающего устройства - трехходового крана 10, у которого предусмотрены два режима работы: «зима» и «лето». Осенью переключающее устройство необходимо установить в положение «зима». К отводящему штуцеру рубашки охлаждения компрессора подключают топливопровод 9 теплоизолированный полиуретановой пеной (на схеме фиг. 1 условно не показана), другой конец которого присоединяют к «зимнему» сливному топливопроводу 12, расположенному в топливном баке 1, где будет осуществляться слив горячего топлива, причем вблизи топливозаборного патрубка. Конструкция и взаимное расположение в баке «зимнего» сливного топливопровода 12 и топливозаборного патрубка 14 с фильтрующей сеткой 13 таково, что они агрегируются и в сборе образуют узел «слива-забора топлива» в виде струйного насоса той или иной конструкции. Так, на фиг. 1 показан вариант конструкции узла «слива-забора топлива» в виде классического струйного насоса.
Таким образом, оба потока излишков топлива, ранее нагретых в функционирующих ТНВД и форсунках и предназначенных для дренажа в бак, дополнительно интенсивно подогреваются от работающего компрессора рабочей тормозной системы базового шасси за счет теплоты, выделяющейся при его работе и только потом сливаются в бак, тем самым передают теплоту запасу топлива в нем.
Перед пуском дизеля после длительной стоянки мобильной машины водитель, посредством топливоподкачивающего насоса 4, заполняет систему питания топливом из бака 1 через сетку-фильтр предварительной очистки топлива 13 и топливозаборный патрубок 14, топливопроводы низкого давления 2, фильтр грубой очистки топлива 3, фильтр тонкой очистки топлива 5, топливный насос высокого давления 6, а также удаляет воздух из системы.
Таким образом, сразу после пуска силового агрегата оба потока излишков дизельного топлива, нагретого в ТНВД 6 и форсунках 8, будут направляться в переключающее устройство 10. Затем, уже по одному трубопроводу в рубашку охлаждения компрессора 11 для дополнительного подогрева и только потом на слив через «зимний» сливной топливопровод 12 в бак 1. В баке, благодаря струйным эффектам, элементарные струйки горячего топлива будут эжектировать молекулы находящегося там холодного топлива, смешиваться между собой в топливозаборном патрубке 14 и далее в топливопроводах низкого давления 2 и, особенно, в фильтре грубой очистки топлива 3. Другими словами, имеет место подпитка потока холодного топлива подогретым и, в результате, его температура возрастает. Для преодоления значительного гидравлического сопротивления фильтра тонкой очистки топлива 5, в системе питания имеется топливоподкачивающий насос 4. Из фильтра тонкой очистки топлива 5 топливо поступает к ТНВД 6, который, в соответствии с порядком работы цилиндров, распределяет топливо по топливным магистралям высокого давления 7 к форсункам 8. Форсунки 8 распыляют и впрыскивают топливо в камеры сгорания. Избыточное и уже несколько подогретое топливо из ТНВД 6 и форсунок 8 топливопроводами 9 нагнетаются в переключающее устройстве 10. Итак круг замкнулся, дизель - работает.
Так в низкотемпературных условиях функционирует адаптированная к низким температурам система питания топливом транспортного дизеля исполнения У (для умеренного климата), особенно на топливе не в полной мере соответствующей температуре окружающей среды.
Весной, в процессе сезонного технического обслуживания, в том числе проводятся следующие работы. К рубашке охлаждения компрессора присоединяются трубопроводы подвода/отвода охлаждающей жидкости, а переключающее устройство - трехходовой кран устанавливается в положение «Лето».
Натурные эксперименты по предварительной оценке эффективности предлагаемого технического решения по адаптации топливной системы дизеля к низким температурам был проведен зимой 2018 года в 9-м отряде Государственной противопожарной службы по Республике Бурятия (пожарная часть №16 г. Селенгинск).
Передвижная лаборатория была создана на пожарной автоцистерне АЦ-8,5-40, базовое шасси «КРАЗ-255 Б» с дизелем ЯМЗ-238М2. Во время экспериментов автоцистерна была полностью заполнена водой, пожарным оборудованием и полностью укомплектована личным составом расчета. Бак был заправлен зимним дизельным топливом в количестве 120 л. При этом конструкция бака системы питания дизеля топливом осталась типовой.
Для измерения температуры топлива в баке был применен температурный датчик марки TP-101 с диапазоном измеряемых температур - 50…+300°С и точностью измерений ±1°С.
В процессе сравнительных дорожных испытаний в режиме следования пожарного автомобиля по вызову при температуре окружающего воздуха минус 22°С были зарегистрированы следующие результаты. Дизельное топливо в баке с типового системой питания за 20 минут движения ПА остыло от температуры плюс 15 до минус 4°С. Напротив - в модернизированной топливной системой температура в баке выросла с плюс 15 до плюс 21°С.
Таким образом, очевидно, что предлагаемое техническое решение по адаптации к низким температурам топливной системы дизеля эффективно и позволяет обеспечить дополнительный подогрев топлива в баке.
Техническим результатом предлагаемого «Способа …» является возрастание температуры топлива в баке, обеспечение проходимости фильтров, топливопроводов и надежности работы двигателя в суровых условиях, в конечном счете - повышение приспособленности топливной системы транспортного дизеля к низкотемпературным условиям эксплуатации.
Сравнение заявляемого «Способа …» с прототипом показывает, что он отличается следующими техническими признаками:
применением штатных агрегатов и узлов дизеля в других сочетании и комбинации и применением того же агрегата для другой цели;
конструкцией узла слива-забора топлива в баке: «зимний» сливной топливопровод в сборе с топливозаборным патрубком в виде струйного насоса;
отсутствием электрических лампочки, проводов и контактов;
габаритными размерами и массой системы питания дизеля топливом не отличимой от типовой;
простотой конструкции и эксплуатации. Таким образом, можно предположить, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».
Изобретение может быть реализовано специалистами средней квалификации, изготовлено на стандартном оборудовании с использованием известных технологических процессов, поэтому она соответствует критерию «промышленная применимость».
Применение предложенного способа повышения адаптации системы питания топливом транспортного дизеля к низкотемпературным условиям достигаемой утилизацией теплоты, выделяющейся при работе компрессора рабочей тормозной системы базового шасси, изменяет тепловой баланс бака, позволяет интенсивнее подогревать топливо в нем. Такой 2-х ступенчатый подогрев топлива является аддитивным процессом и обеспечивает эффективную подпитку потока горячим топливом, улучшает его подачу в ТНВД, позволяет уменьшить износы деталей и узлов силового агрегата, повысить уровень тягово-скоростных свойств мобильной техники, ее производительности, экономичности и долговечности. Кроме того, по результатам экспериментов имеются основания полагать, что данное решение позволит в холодный период года применять марки дизельного топлива не вполне соответствующей температуре окружающей среды, в частности более дешевое летнее топливо, при условии содержания мобильной техники в отапливаемом гараже либо запуска ее ДВС от дополнительного бачка заправленного топливом адекватным температуре наружного воздуха.
Все это в целом повышает надежность и эффективность эксплуатации механических транспортных средств исполнения У в низкотемпературных условиях при обеспечении предлагаемой системой питания топливом их дизельных силовых агрегатов.
Предложенное техническое решение легко может быть реализовано как на вновь разрабатываемых дизельных силовых агрегатах, так и на дизелях, освоенных производством или находящихся в эксплуатации.