Пусковые устройства дизелей

№42-1,

технические науки

Производится обзор пусковых устройств дизельных двигателей. Рассмотрены способы пуска двигателей. Представлены краткие описания систем пуска.

Похожие материалы

Важным качеством дизельного двигателя является его приспособленность к запуску в холодном состоянии. В ГОСТ Р 54120-2010 термин «холодный двигатель», определен как: двигатель при температуре его деталей, охлаждающей жидкости, масла и топлива, отличающейся от температуры окружающего воздуха не более чем на 1°С (без учета погрешностей измерений).

Также согласно ГОСТ Р 54120-2010 стартерная система пуска должна обеспечивать необходимую для надежного пуска холодного двигателя частоту вращения коленчатого вала в соответствии с требованиями к пусковым качествам двигателей и требованиями к двигателю данного ГОСТ, с общим числом попыток пуска не менее трех [1].

При создании новых конструкций двигателей стремятся снизить его минимальную пусковую скорость вращения коленчатого вала с целью уменьшения мощности, веса, стоимости и габаритов пусковых систем, а также повысить надежность пуска.

Пуск дизеля возможен при помощи следующих способов:

  1. Ручной пуск;
  2. Электростартерный пуск;
  3. Пневмостартерный пуск;
  4. Воздушный (цилиндровый) пуск;
  5. Пуск вспомогательным поршневым двигателем;
  6. Пуск инерционным стартером.

Необходимые для пуска двигателя мощность, скорость вращения и вращающий момент пускового устройства (ПУ), находят из выражений:

P=\frac{M_{c}n_{min}}{716,2\cdot 0,85} л.с.,

где

  • P- мощность пускового устройства;
  • Mс - момент коленчатого вала двигателя ;
  • nmin- минимальная пусковая скорость вращения коленчатого вала;
  • ,85- к.п.д. зубчатой передачи;

n=n_{min}i об/мин;

где

  • n - скорость вращения пускового устройства;
  • i - передаточное отношение между шестерней стартера и венцом маховика двигателя;

M=\frac{M_{c}}{i\cdot 0,85} кГм,

где M - вращающий (пусковой) момент пускового устройства.

Пуск дизелей от руки возможен для маломощных и двигателей средней мощности. Это актуально для двигателей устаревших конструкций, имеющих специальные приспособления и маломощных дизель- генераторных установок (ДГУ). Современные маломощные двигатели, устанавливаемые на легковые автомобили, коммерческую технику и малогабаритную спецтехнику, как правило, не приспособлены для ручного запуска.

Электростартерный пуск является основным способом пуска для большинства видов дизельной техники. Для воспламенения топлива нужна достаточно высокая скорость вращения коленчатого вала при пуске, это необходимо для получения достаточно большой температуры в конце хода сжатия. При этом важно чтобы сжатый воздух не успел охладиться через стенки цилиндра и камеры сгорания (КС) и чтобы утечка воздуха через компрессионные кольца заметно не влияла на давление в КС.

А в дизелях классической конструкции, скорость движения плунжера топливного насоса высокого давления (ТНВД) зависит от пусковой скорости и определяет достаточное давление впрыска топлива.

Момент сопротивления вращению и собственные пусковых качества двигателя - это два основных фактора влияющих на подбор стартера по пусковой мощности. Большую мощность стартеров дизельных двигателей определяют возросший крутящий момент, высокие степень сжатия и минимальная скорость вращения. А повышение напряжения до 24 вольт позволяет получить большую мощность электродвигателя стартера при меньших размерах. При напряжении 12 вольт, была бы слишком большая сила тока в цепи электродвигателя стартера, что привело бы к увеличению его габаритов и емкости аккумуляторных батарей. Сопротивление обмоток стартера обычно очень низкое и не превышает 1 мОм.

Характеристики электродвигателя с последовательным возбуждением

Рис. 1. Характеристики электродвигателя с последовательным возбуждением

Пусковому (начальному) режиму стартера соответствуют следующие условия: момент пуска- nст=0, электродвигатель потребляет максимальный ток короткого замыкания Iк.з., вращающий момент достигает максимума. А пусковая частота вращения коленчатого вала дизельных двигателей находится в пределах 150-250 об/мин, что в 2 – 3 раза больше, чем у бензиновых.

Максимальный крутящий момент Mвр развивается при малой частоте вращения якоря. (Рис.1.) При этом сила тока в обмотке электродвигателя может достигать наибольшего значения и составлять 200- 900 А, в зависимости от модели стартера.

По мере увеличения частоты вращения якоря, сила тока в обмотках уменьшается и соответственно уменьшается момент на валу якоря. Такой закон изменения крутящего момента наиболее благоприятен для пуска двигателя, так как в начале проворачивания коленчатого вала момент сопротивления наибольший [2].

Полезная мощность стартера P1 (л.с.):

  • меньше электромагнитной на величину механических и магнитных потерь: Р1= Рэл - Рмех - Рмагн;
  • подсчитывается по формуле: P_{1}=\frac{M_{1}n_{1}}{716,2}, где M1 - вращающий момент, кГм;
  • число оборотов якоря в минуту.
  • равна нулю при заторможенном якоре, когда n1 =0, и при холостом ходе, когда M1=0 [3].

Разделив полезную мощность стартера на угловую скорость вращения якоря ω, найдем полезный момент стартера: [13]

M_{1}=\frac{P_{1}}{\omega}=\frac{P_{1}60}{2\pi n}.

Согласно ГОСТ Р 54120-2010 термин «надежный пуск двигателя» определяется как: «Пуск двигателя, оборудованного всеми навесными агрегатами, на основном топливе не более чем за три попытки пуска "холодного двигателя" и не более чем за две попытки пуска "горячего двигателя" и двигателя после «тепловой подготовки».

Надежность электрического пуска сильно зависит от начальной скорости вращения коленчатого вала, которая в свою очередь определяется максимальным вращающим моментом Mвр и пусковой мощностью стартера Pпол. Повысить эти параметры можно увеличением силы тока в цепи и напряжения на зажимах стартера. А достичь этого возможно лишь снизив падение напряжения на выводах аккумуляторной батареи, уменьшив её внутреннее сопротивление путем увеличения ёмкости и температуры электролита, а также применением контактных соединительных проводов малого сопротивления и поддерживая стартер в исправном техническом состоянии.

На данный момент на отечественных дизельных тракторах и грузовых автомобилях применяют стартеры следующих моделей:

Таблица 1. Технические данные некоторых типов стартеров [5]

Стартеры

6441.3708000-0

8932.3708

1832.3778

8942.3708

8922.3708

8952.3778

Номинальное напряжение, В

12

24

24

24

24

24

Номинальная мощность при питании от аккумуляторной батареи, кВт

3,3, при 90 Ач

7,0, при 110 Ач

7,5, при 190 Ач

8,2, при 190 Ач

7,0, при 190 Ач

7,0, при 190 Ач

Пусковая мощность при питании от аккумуляторной батареи не менее, кВт

1,8, при 90 Ач

4,5,при 110 Ач

5,0,при 190 Ач

5,5,при 190 Ач

5,5,при 190 Ач

5,5,при 190 Ач

Число зубьев шестерни

10

10

10

10

10

10

Степень защиты

IP54

IP54

IP54

IP54

IP54

IP54

Масса стартера, кг

(9±0,1)

9

(11±0,1)

(11±0,1)

(11±0,1)

(9±0,1)

Применяемость на двигателях и их модификациях

ММЗ Д-243, Д-245

Д-243, Д-245, Д-260

КамАЗ 740.50-360, КамАЗ 740.51-320

Cummins

ЯМЗ-236, ЯМЗ-238

ЯМЗ-650, ЯМЗ-651

Климатическое исполнение по ГОСТ 15150 категории 2

О

О

О

О

О

О

Дизели отечественных автомобилей и тракторов имеют стартеры с электродвигателями постоянного тока и последовательного (сериесного) возбуждения (табл.1). В отличие от стартеров бензиновых двигателей с электродвигателями смешанного возбуждения, стартерам дизелей из-за высокой компрессии внутри цилиндра, не требуется эффект электротормоза. Также на мощных дизелях пока не устанавливаются стартеры с постоянными магнитами.

Ресурс, работа и мощность стартера целиком зависят от емкости и напряжения аккумуляторной батарей (рис.2), а в холодное время еще от сортов применяемых дизельного топлива и масла. Также вредна неправильная настройка ТНВД и наличие разжижающих присадок в топливе, так как детонация может вывести из строя не только «бендикс», но даже и вал якоря [6].

Начальные и пусковые характероистики стартера 142Б

Рис. 2. Начальные и пусковые характероистики стартера 142Б (Двигатель КамАЗ- 740)

Пневмостартерный пуск в основном применяют в случае невозможности использования или неэффективности применения электростартеров. Энергия сжатого воздуха приводит в действие пневматический мотор, который, в свою очередь, запускает двигатель — этот принцип работы позволяет пневматическому стартеру работать при любых климатических условиях и «не давать искру» (рис.3).

Схема запуска двигателя с помощью пневматического стартера

Рис. 3. Схема запуска двигателя с помощью пневматического стартера (положение «а» исходное, положение «б» рабочее)

Например, производители двигателей CUMMINS, CATERPILLAR оснащают свои двигатели для работы в условиях Крайнего Севера или в шахтах, где велика опасность взрыва от рудничных газов.

Также использование пневмостартера позволяет уменьшить количество источников питания на борту АТС. Так как в этом случае не требуется затрачивать энергию на привод электродвигателя стартера [7].

Воздушный пуск применяют на дизелях средней и большой мощности. Иногда используется в качестве резервной системы пуска. Главным преимуществом является возможность создания большого пускового момента, а недостатками возросшая масса пусковых устройств, наличие компрессора, ухудшение условий воспламенения топлива из-за сильного охлаждения пускового воздуха при расширении.

В качестве рабочего тела применяют сжатый воздух, нагнетаемый в пусковые баллоны компрессором, приводимым в движение непосредственно валом двигателя или электромотором. Также в состав системы цилиндрового пуска (рис.4), помимо компрессора и баллонов входят редукционный клапан, главный клапан, воздухораспределитель, трубопроводы, вентили, предохранительные клапаны, манометры и другая арматура. В упрощенных конструкциях в качестве рабочего тела используют сжатый в цилиндре воздух или продукты сгорания, в этом случае преимуществом является отсутствие компрессора.

Состав системы пуска сжатым воздухом

Рис. 4. Состав системы пуска сжатым воздухом:1-пусковые баллоны; 2-запирающий вентиль; 3-главный клапан; 4-автоматические пусковые клапаны; 5- воздухораспределитель

Воздух из баллона поступает в воздухораспределитель, направляющий его по цилиндрам в порядке их работы. Воздух подается в такте расширения, приводя в движение кривошипно-шатунный механизм (рис.5.). Объем пусковых баллонов позволяет произвести 3-4 повторных пусков без промежуточной подкачки [8].

Воздушный запуск тракторного дизеля

Рис. 5. Воздушный запуск тракторного дизеля

Пуск вспомогательными поршневыми двигателями находит ограниченное применение на тракторных дизелях. Для запуска основных используются одноцилиндровые двухтактные и двухцилиндровые четырехтактные карбюраторные пусковые двигатели. Технические характеристики пусковых двигателей представлены в таблице 2.

Таблица 2. Технические характеристики пусковых двигателей [9]

Показатели

Наименование пускового двигателя

ПД-10М

ПД-10М2

ПД-10У

П-46

П-23

П-23М

Марка трактора

ДТ-54

ДТ-54, Т-125

МТЗ-50Л, -80

С-100, Т-140

Т-100М

Т-130, Т-180

Тип двигателя

Карбюраторный двухтактный с кривошипно-камерной продувкой

Карбюраторный четырехтактный

Номинальная мощность л.с.

10

10

10

17

17

23

Число оборотов при номинальной мощности

3500

3500

3500

2300- 2400

2200- 2300

2600

Литраж двигателя

0,346

0,346

0,346

1,36

1,36

1,36

Способ пуска

Шнуром

Стартером

Стартером

Пусковой рукояткой

Пусковой рукояткой или стартером

Пусковой рукояткой или стартером

На отечественных дизелях наиболее распространена каскадная система пуска: сначала запускают вспомогательный пусковой двигатель вручную или электростартером, а затем производят пуск основного двигателя пусковым. Передача крутящего момента с коленчатого вала пускового двигателя на зубчатый венец маховика осуществляется через понижающий редуктор и дисковую муфту сцепления. После пуска автоматическая муфта центробежного действия выключает зубчатую передачу (рис.6.) [10].

Кинематическая схема пусковой системы дизеля Д-240

Рис. 6. Кинематическая схема пусковой системы дизеля Д-240 с пусковым двигателем П-10УД: 1-коленчатый вал пускового двигателя; 2-шестерня коленчатого вала; 3- промежуточная шестерня; 4- зубчатое колесо муфты сцепления редуктора; 5- зубчатое колесо автоматического устройства; 6- центробежное автоматическое устройство; 7- венец маховика основного двигателя; 8- вал редуктора; 9- роликовая муфта свободного хода; 10- муфта сцепления

Преимуществами использования пусковых двигателей являются возможность большего числа повторных запусков и проворачивание коленчатого вала основного двигателя до его запуска, что ценно при низкой температуре. Так как система охлаждения общая, происходит предварительный подогрев. Также в случае застревания трактора, временное подключение пускового двигателя с трансмиссии трактора позволяет выехать в натяг. Эти свойства придают уникальность пусковой системе со вспомогательным двигателем. Она незаменима при автономной эксплуатации машины.

К недостатками следует отнести преждевременный выход из строя пусковых двигателей и передаточных механизмов из-за неисправностей основных двигателей. Наиболее подвержены преждевременному износу детали кривошипно-шатунного механизма и муфты сцепления. Как результат снижение мощности и экономичности, а также затруднение пуска.

Пуск инерционным стартером. Преимуществом подобных способов заключается в том, что они совершенно не связаны с работой двигателя, аккумулятора, стартера и пневмосистемы. Известно, что человек, действуя обеими руками рывком, может выдать мощность не более 0,5 л.с., а этого недостаточно для пуска мощных дизелей, так как для проворачивания коленчатого вала 500 сильного двигателя требуется около 10 л.с. Устройство инерционных и электроинерционных стартеров основано на принципе накопления энергии в течение нескольких минут, а затем её быстрого использования за несколько секунд. Это позволяет развить достаточную мощность необходимую для прокручивания коленчатого вала [8].

Устройство электроинерционного стартера

Рис. 7. Устройство электроинерционного стартера

Заключение

Общие тенденции решения проблемы холодного пуска дизельных двигателей, развиваются в направлении совершенствования пусковых систем и конструкций двигателей с целью улучшения пусковых свойств.

Так как основу машинно- тракторного парка по-прежнему составляет отечественная техника с достаточно длительным сроком эксплуатации, имеющая значительный износ.

Основные проблемы при эксплуатации возникают при пониженной температуре окружающего воздуха именно с пуском двигателя, так как техника обычно хранится под открытым небом.

В инструкциях по эксплуатации многих двигателей указано, что их легкий пуск вполне возможен при температуре окружающей среды примерно до –15 °С. Это не всегда соответствует действительности, особенно если двигатель изношен. Иногда уже при –5 °С дизель запускается с трудом. Применение современных моторных масел и охлаждающих жидкостей, частично снизило остроту проблемы. И по-прежнему острой остается проблема обеспечения зимними сортами топлива [11].

Полностью решить проблему холодного пуска дизельных двигателей для всех встречающихся температурных зон практически невозможно без использования средств облегчения пуска и соответствующих сезону сортов дизельного топлива.

Список литературы

  1. ГОСТ Р 54120-2010. Двигатели автомобильные. Пусковые качества. Технические требования [Текст]. – Введ. 2010-21-12. – М. : Стандартинформ, 2011. 9 с.
  2. Автомобиль: Основы конструкции [Текст] : учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство»/ Н. Н. Вишняков, В. К. Вахламов, А. Н. Нарбут [и др.].; -2-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1986.- 304 c.
  3. Электрооборудование автомобилей [Текст] : учебник для автотранспортных техникумов / Ильин Н. М. [и др.].- М.: Транспорт, 1978.- 286.с.
  4. Банников, С. П. Электрооборудование автомобилей./ С. П. Банников;- М.:Транспорт, 1970.- 288с.
  5. ООО «Прамо-Электро»: Стартеры [Электронный ресурс]. - URL: http://www.pramo-electro.ru/produktsiya/startery/ (дата обращения: 22.03.2015)
  6. Лобанов, С. Современные стартеры [Электронный ресурс].- URL: http://europart.ru/ index.php/ zapchasti/381 –starters (дата обращения: 27.03.2015)
  7. Новый пневматический стартер компании INGERSOLL-RAND PHOENIX/ST 400 / Горная промышленность [Электронный ресурс] // Горная промышленность. – 1996. – N 2. – URL: http://www.mining-media.ru/ru/article/gorobor/520-novyj-pnevmaticheskij-strarter-kompanii-ingersoll-rand-phoenixst-400 (дата обращения: 22.03.2015)
  8. Танк [Текст]: учебное пособие / А. С. Антонов, А. Б. Артаманов, Б. М. Коробков [и др.].– М.: Военное издательство союза ССР, 1954.-608с.
  9. Косенко, Б. Ф. Тракторы. Справочная книга./ Б. Ф. Косенко, Б. П. Тюркин - Л.: Лениздат, 1968.- 503 с.
  10. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей [Текст]: учебник для студентов вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / В. П. Алексеев, В. Ф. Воронин, Л. В. Грехов [и др.].; под общ. ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова.- 4- е изд., перераб. и доп.- М. : Машиностроение, 1990.-288с.
  11. Борисов, Г. А. Анализ условий эксплуатации дизельных двигателей в условиях пониженных температур [Текст]/ Г. А. Борисов, И. Н. Колодяжная, Ю. В. Ичанкин // Вестник Рязанского ГАТУ имени П.А.Костычева.-2013. - №1 (17). – С.38-43
  12. Каталог Борисовского завода автотракторного электрооборудования [Электронный ресурс] // ОАО «БАТЭ» – URL: http://www.starter.by/catalog/starters/gryzovye/(дата обращения: 22.03.2015)