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:
- Ручной пуск;
- Электростартерный пуск;
- Пневмостартерный пуск;
- Воздушный (цилиндровый) пуск;
- Пуск вспомогательным поршневым двигателем;
- Пуск инерционным стартером.
Необходимые для пуска двигателя мощность, скорость вращения и вращающий момент пускового устройства (ПУ), находят из выражений:
л.с.,
где P- мощность пускового устройства; Mс — момент коленчатого вала двигателя; nmin — минимальная пусковая скорость вращения коленчатого вала; 0,85 — к.п.д. зубчатой передачи.
n=nmini об/мин;
где n - скорость вращения пускового устройства; i — передаточное отношение между шестерней стартера и венцом маховика двигателя.
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.
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: , 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]
.
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:
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].
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).
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.
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].
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.
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].
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].
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.