Электрофакельное устройство

Повышение температуры воздуха на выпуске в дизельный двигатель при отрицательных окружающих температурах дает, возможность соответственно повысить температуру конца такта сжатия в цилиндрах двигателя и этим способствовать созданию благоприятных условий для самовоспламенения дизельного топлива. Для этих целей используется тепло от преобразования электрической энергии (калильные свечи, электрические нагреватели), а также тепло, получаемое при сгорании жидкого топлива во впускном тракте дизельного двигателя (факельные подогреватели).

Применение калильных свечей, обеспечивающих воспламенение впрыснутого топлива, требует их установки на каждый цилиндр двигателя, что трудно осуществимо, удорожает конструкцию двигателя и вызывает большие затраты электрической энергии на обеспечение необходимого накала, при сравнительно невысокой эффективности и низком КПД, поэтому область применения калильных свечей весьма ограничена. Они нашли применение в основном на дизельных двигателях с разделенными камерами сгорания.

Использование электрических нагревателей в виде различных калильных решеток или фланцевых подогревателей исключает необходимость их установки на каждый цилиндр двигателя, так как они обычно устанавливаются во впускном воздушном трубопроводе дизельного двигателя, однако расход электрической энергии на их накал достаточно велик, а эффективность нагрева воздуха небольшая, к тому же создаются дополнительные сопротивления на впуске в двигатель, что может отрицательно повлиять на мощностные показатели двигателя.

Факельные подогреватели по сравнению с электронагревательными устройствами потребляют ничтожное количество электрической энергии и являются более эффективными, так как наряду с эффектом от подогрева впускного воздуха имеет место в некотором роде эффект внешнего смесеобразования: частицы несгоревшего в впускных турбопроводах топлива в виде паров попадают в цилиндры двигателя,, воспламеняются в первую очередь и способствуют воспламенению основного топлива благодаря образованию очагов воспламенения для впрыснутого через форсунки топлива. Однако существующие конструкции факельных подогревателей сложны, громоздки и недостаточно надежны.

Электрофакельное устройство или термостарты включают в себя элементы калильных свечей и работают по принципу факельных подогревателей, т. е. образуют факел, в то же время они лишены недостатков, присущих этим устройствам. Их нагревательный элемент обеспечивает нагрев, испарение и воспламенение подаваемого от системы питания дизельного двигателя топлива, а образовавшийся факел в период провертывания коленчатого вала стартером обеспечивает подогрев впускного воздуха и образование паров топлива, засасываемых в цилиндр двигателя.

Наибольшее распространение как в нашей стране, так и за рубежом получило электрофакельное устройство фирмы "БОШ" (ФРГ) (рис. 19).

Рис. 19. Схема электрофакельного устройства (термостарта) 'БОШ' на двигателе Дейтц: 1 - выключатель щитка приборов; 2 - переключатель электрофакельного устройства; 3 - контрольная лампа; 4 - добавочный резистор с термореле; 5 - электромагнитный топливный клапан; 6 - клапан избыточного давления топлива; 7 - топливоподкачивающий насос дизельного двигателя; 8 - топливный насос высокого давления; 9 - впускная труба дизельного двигателя с факельными свечами; 10 - форсунки двигателя; 11 - топливный бак автомобиля; 12 - топливный фильтр тонкой очистки; 13 - топливный фильтр грубой очистки; А - топливопроводы; Б - электропровода

Он включает в себя следующие основные узлы: факельную свечу, электромагнитный топливный клапан 5, добавочный резистор 4 с термореле, переключатель 2, контрольную лампочку 3.

Условно систему электрофакельного устройства можно подразделить на две взаимосвязанные: топливную и электрическую.

Топливная система обеспечивает подачу и дозировку дизельного топлива на сгорание. Она подключается к системе питания дизельного двигателя.

Электрическая система обеспечивает воспламенение топлива и управление работой электрофакельного подогревателя, питается от аккумуляторных батарей автомобиля.

Основным элементом электрофакельного устройства является факельная свеча. Свеча устанавливается на впускном трубопроводе дизельного двигателя с таким расчетом, чтобы обеспечивалась подача подогретого воздуха и паров топлива равномерно во все цилиндры двигателя. Количество факельных свечей и место их установки определяются конструкцией двигателя и его впускного тракта. Обычно устанавливается одна свеча на впускной трубопровод. На V-образный двигатель устанавливают две свечи (по одной на каждый впускной трубопровод).

Существенное влияние на эффективность пуска двигателя оказывает расположение свечи на впускном трубопроводе, которое устанавливается на основе экспериментальных исследований. Например, для факельной свечи электрофакельного устройства "БОШ" оптимальна вертикальная установка свечи или с отклонением от вертикальной плоскости не более чем на 45°, а свечи термостарта CAV английской фирмы "Лукас" - горизонтальная. Причем отверстия для прохода воздуха в экране не должны перекрываться стенкой впускного трубопровода.

Корпус 2 факельной свечи (рис. 20) - неразборной конструкции, имеет нижнюю резьбовую часть 9 для установки на впускной трубопровод двигателя и фиксации контргайкой 8 в определенном положении. Нагревательный элемент 1 выполнен в виде штифтовой свечи и представляет собой металлический кожух, внутри которого запрессована спираль из проволоки высокого сопротивления диаметром 0,7 мм в специальном наполнителе. Наполнитель переклаз электрический имеет высокий коэффициент теплопроводности и, являясь хорошим диэлектриком, обеспечивает достаточно надежную электрическую изоляцию спирали от металлического кожуха. Нагревательный элемент устанавливается в корпус факельной свечи и обеспечивает нагрев, испарение и воспламенение дизельного топлива.

Рис. 20. Факельная штифтовая свеча

Топливо подается по штуцеру 4, очищается от посторонних примесей с помощью фильтра 3, ввернутого в штуцер, и попадает в кольцевую полость, образуемую поверхностью нагревательного элемента и трубкой 6. Количество топлива, подаваемого на сгорание, дозируется жиклером 5.

Для увеличения поверхности испарения устанавливаются последовательно сетка 7 и объемная сетка 10, окруженная экраном 11 с двумя или одним рядом отверстий для прохода воздуха. Экран защищает очаг факела от срыва потоком воздуха, поступающего в двигатель, а сетки являются катализатором, обеспечивающим газификацию топлива. Такая конструкция за счет создания оптимальных условий для испарения и сгорания поступающего топлива дает возможность получать устойчивый факел пламени.

Включение и отключение подачи топлива к факельным свечам обеспечивается электромагнитным топливным клапаном: открывается клапан при подаче напряжения на тяговую катушку, закрывается при снятии напряжения - возвратной пружиной. Электромагнитный клапан выполняется в отдельном корпусе и подключается к системе питания дизельного двигателя. Электромагнитный клапан может подключаться на нагнетательной линии топливоподкачивающего насоса через клапан избыточного давления, как это показано на рис. 19, или на линии после фильтра тонкой очистки топлива.

На дизельном двигателе ЯМЗ-740 принято подключение после фильтра тонкой очистки. В этом случае обеспечивается поступление к факельным свечам более качественно очищенного топлива и исключается влияние электрофакельного устройства на работу топливоподкачивающего насоса в любом режиме работы двигателя.

Добавочный резистор с термореле, подключенный последовательно в цепь факельных свечей, обеспечивает необходимую выдержку времени для предварительного накала их и включает в работу электромагнитный топливный клапан. Переключатель обеспечивает ручное дистанционное управление работой электрофакельного подогревателя из кабины водителя. Контрольная лампочка сигнализирует о готовности электрофакельного устройства к образованию факела (достаточный нагрев свечей и открытие электромагнитного клапана).

Принцип работы электрофакельного устройства состоит в следующем. Перед пуском дизельного двигателя с помощью его ручного топливоподкачивающего насоса создается избыточное давление топлива.

В период провертывания коленчатого вала стартером топливоподкачивающий насос 7 (см. рис. 19) создает давление в системе питания двигателя. Оптимальная величина давления в топливной системе электрофакельного устройства устанавливается на основе экспериментальных исследований и обеспечивается специальными устройствами и их регулировкой (например, специальным клапаном и жиклером на фильтре тонкой очистки топлива дизельного двигателя или перепускным клапаном). Для электрофакельного устройства на двигателе ЯМЗ-740 оптимальная величина давления топлива 0,2-0,4 кгс/см². При этом обеспечивается минимальное время для образования факела во впускных трубопроводах. Увеличение и уменьшение этого давления приводят к задержке образования факела и соответственно к увеличению времени пуска двигателя. Топливо проходит через электромагнитный клапан и попадает к предварительно нагретым факельным свечам, где оно дозируется, нагревается и испаряется. В силу того, что в этот момент провертывается стартером коленчатый вал двигателя и во впускных трубопроводах появляется поток воздуха, обдувающий факельные свечи, происходит воспламенение топлива и образование факела пламени. Вследствие подачи нагретого воздуха и паров топлива в цилиндры двигателя создаются благоприятные условия для быстрого пуска его и выхода на режим устойчивой работы. Для сокращения времени надежного выхода двигателя на устойчивый режим предусматривается возможность сопровождения работы двигателя работой электрофакельного устройства. При этом обеспечивается устойчивое удерживание факела во впускных трубопроводах при работе двигателя на холостом ходу.

Для надежного воспламенения топлива и создания устойчивого факела пламени во впускных трубопроводах в период провертывания коленчатого вала двигателя стартером обеспечивается нагрев поверхности нагревательных элементов факельных свечей до температуры около 1000°С. При наличии определенной мощности нагревательного элемента это достигается предварительным включением свечей на 70-110 с и осуществляется в электрической схеме, изображенной на рис. 19 с помощью резистора 4 с термореле.

Принцип работы электрической схемы электрофакельного нагрева заключается в следующем.

Переключатель 2 электрофакельного устройства имеет три положения: два рабочих и одно нейтральное.

При установке переключателя в первое рабочее положение (нагрев) напряжение через резистор подается на нагревательные элементы факельных свечей и обеспечивается предварительный их накал. В то же время нагревается биметаллическая пластинка термореле, на которой установлены контакты, включенные в цепь электромагнитного клапана 5 и контрольной лампочки 3.

По истечении 70-110 с (в зависимости от температуры окружающего воздуха, состояния аккумуляторных батарей, электрического сопротивления свечей) за счет температурной деформации биметаллической пластины контакты замыкаются, подавая напряжение на электромагнитный топливный клапан, и включают контрольную лампочку. Загорание контрольной лампочки сигнализирует о том, что можно проводить пуск двигателя, который и осуществляется переводом переключателя во второе рабочее положение (старт). В этом случае включается стартер двигателя, но без отключения питания на факельные свечи, а электромагнитный топливный клапан открывает проход топлива от топливоподкачивающего насоса 7 к факельным свечам. Так как в период включения стартера происходит значительное падение напряжения на зажимах аккумуляторных батарей, то для предотвращения снижения температуры на нагревательных поверхностях факельных свечей напряжение на факельные свечи подается непосредственно от аккумуляторных батарей, минуя добавочный резистор (т. е. шунтируется добавочный резистор).

При необходимости сопровождения работы двигателя после его пуска работой электрофакельного устройства переключатель переводится в положение "нагрев", при этом отключается стартер, но продолжается подача электрического питания на свечи и электромагнитный клапан. Время сопровождения обычно составляет 20-40 с, что вполне достаточно для выхода двигателя на режим устойчивой работы при нормальном функционировании его систем и электрофакельного устройства.

Такая электрическая схема управления работой электрофакельного устройства рекомендуется фирмой "БОШ", в частности для пуска дизельного двигателя "Дейтц". Применение этой схемы управления на дизельных двигателях ЯМЗ-740 автомобилей КамАЗ не оправдалось. При переводе переключателя, рекомендованного фирмой "БОШ", в положение "старт", не исключалась возможность кратковременного электрического питания факельных свечей при закороченном добавочном резисторе напряжением 24 В, в то время как свечи рассчитаны на напряжение 19 В (происходило шунтирование добавочного резистора до включения стартера и общего падения напряжения в цепи). При повышении частоты вращения коленчатого вала двигателя в период сопровождения его работы работой электрофакельного подогревателя напряжение питания за счет вступления в работу генератора двигателя повышалось, что приводило к быстрому отказу факельных свечей в работе из-за перегорания спиралей нагревательных элементов. Это обстоятельство вынудило ввести изменения в схему управления работой электрофакельного устройства для двигателей ЯМЗ-740 автомобилей КамАЗ (рис. 21).

Рис. 21. Схема подключения и работы электрофакельного устройства на двигателе ЯМЗ-740 автомобилей КамАЗ (жирными линиями показано движение топлива); 1 - ходовой переключатель BK353; 2 - добавочный резистор с термореле; 3 - факельные свечи; 4 - топливный фильтр тонкой очистки; 5 - электромагнитный клапан; 6 - топливоподкачивающий насос; 7 - топливный бак; Р1-Р4 - реле на напряжение 24 В; KH1, KH2 - кнопочные выключатели

В этой схеме ранее используемый переключатель заменен на ходовой переключатель с четкой фиксацией рабочих положений и введена дополнительная кнопка включения электрофакельного подогревателя. Управление работой электрофакельного подогревателя происходит следующим образом.

При установке ходового переключателя в положение подается электрическое питание на контакты ВК и КЗ.

При этом срабатывает реле Р1, замыкая контакты и обеспечивая подачу питания к кнопке КН1 включения электрофакельного устройства, подготовив тем самым схему к работе. При включении этой кнопки обеспечивается подача напряжения к факельным свечам 3 через добавочный резистор 2. В это же время напряжение подается на катушку реле Р4, размыкая свободно замкнутые контакты в цепи реле напряжения, блокируя его и генератор, который на период работы электрофакельного устройства отключается автоматически.

При срабатывании термореле добавочного резистора включается электромагнитный топливный клапан 5 и контрольная лампа Л, при загорании которой ходовой переключатель 1 переводят в положение II. При этом напряжение подается на контакт СТ. К контакту СТ подключены катушки двух реле: Р2 - реле стартера и РЗ - реле, шунтирующее добавочный резистор. При подаче питания контакты реле замыкаются и обеспечивают включение стартера и питание факельных свечей, минуя добавочный резистор, что несколько компенсирует падение напряжения аккумуляторных батарей, вызванное включением стартера.

Для обеспечения сопровождения работы двигателя работой электрофакельного подогревателя при пуске двигателя ходовой переключатель переводят в положение I, при котором выключается стартер, а кнопка включения электрофакельного подогревателя удерживается в включенном положении на весь период сопровождения.

Применение такой схемы управления работой электрофакельного устройства дало возможность полностью исключить отказы в работе из-за перегорания нагревательных элементов факельных свечей.

Основные параметры элементов, входящих в состав электрофакельного устройства двигателя автомобилей КамАЗ

Наряду с электрофакельным устройством описанной конструкции английской фирмой "Лукас" разработан термостарт типа CAV, имеющий ряд отличительных особенностей.

Нагревательный элемент термостарта типа CAV (рис. 22) изготовляется в виде открытой спирали, одна часть 6 которой выполняет роль нагревателя и испарителя топлива, а другая 5 восптаменяет топливо. Спираль защищена экраном 4 с отверстиями для прохода воздуха.

Рис. 22. Термостарт CAV английской фирмы 'Лукас': 1 - корпус клапана; 2 - шарик; 3 - стержень клапана; 4 - экран с отверстиями; 5 - воспламеняющая часть спирали; 6 - нагревающая часть спирали

Второй отличительной особенностью термостарта типа CAV является отсутствие в топливной системе электромагнитного клапана Роль запорного устройства выполняет шарик 2, приводимый в действие от спирали нагревательного элемента термостарта. При нагреве спирали она расширяется и воздействует на шарик. При этом шарик открывает проход топлива к факельной свече. При остывании спираль сжимается и шарик перекрывает доступ топлива.

Кроме того, топливная система термостарта типа CAV также отличается от топливной системы термостарта фирмы "БОШ". Питание топливом в термостарте типа CAV обеспечивается самотеком от автономного бачка, в который топливо поступает из фильтра тонкой очистки двигателя при его работе.

Наличие открытой спирали с относительно развитой поверхностью нагрева обеспечивает повышение надежности воспламенения топлива и значительно сокращает время на предварительный накал свечи. Однако открытая спираль больше подвержена окислению при наличии высоких температур и соответственно долговечность таких устройств ниже.

Термостарт типа CAV не дает возможности сопровождать работу двигателя после пуска факелом, так как в результате интенсивного обдува спираль нагревательного элемента охлаждается, воздействует на шарик, при этом подача топлива прекращается и факел во впускных трубопроводах двигателя пропадает. Это также является недостатком конструкции, так как значительно снижается эффективность и надежность пуска двигателя.

Кроме того, топливо в термостарт поступает самотеком от отдельного бачка, для которого требуется место установки над уровнем установки факельных свечей, которые находятся в впускных трубах, как правило, расположенных в наиболее верхней части двигателя, а это неудобно с точки зрения компоновки автомобиля.

В нашей стране разработаны электрофакельные подогреватели для тракторных двигателей типа ВТЗ и СМД, в которых также используется нагревательный элемент в виде открытой спирали. Для автомобильных двигателей предполагается установка электрофакельных устройств типа "БОШ" с использованием закрытых спиралей в виде штифта.

По данным фирмы "БОШ", эффективность электрофакельного устройства в значительной мере зависит от конструкции самого двигателя и состояния доводки его пусковых качеств. Если двигатель без средств облегчения пуска имеет при отрицательных температурах высокую величину минимальных пусковых частот вращения коленчатого вала и невысокое значение предельных температур пуска, т. е. характеризуется недостаточно доведенными пусковыми качествами, то электрофакельное устройство может дать существенное снижение предельной температуры холодного пуска двигателя (порядка 15°С и даже больше). На двигателе с доведенными пусковыми качествами разница между пуском двигателя без средств облегчения пуска и с применением электрофакельного устройства значительно снижается и составляет 5-8°С, т. е. эффективность электрофакельного устройства менее ощутима.

Испытания шестицилиндрового дизельного двигателя с рабочим объемом цилиндров 5,67 л, проведенные фирмой "БОШ", показали, что применение электрофакельного устройства дает возможность понизить предельную температуру пуска с -7,5 до -19,5°С, т. е. на 12°С. Причем минимальные пусковые частоты вращения коленчатого вала при предельных температурах пуска составляют соответственно: без средств облегчения пуска 113, с применением электрофакельного устройства 71 об/мин.

Снижение предельной температуры пуска двигателя и величины минимальных пусковых частот вращения коленчатого вала было получено при испытаниях в холодильной камере ЗИЛ двигателя Дейтц F8L413, оборудованного электрофакельным устройством.

На рис. 23 приведена зависимость величины минимальных пусковых оборотов от температуры двигателя Дейтц F8L413 без средств облегчения пуска и с применением электрофакельного устройства. Из графика видно, что применение электрофакельного устройства обеспечивает снижение величины минимальных пусковых частот вращения коленчатого вала при температуре - 15°С с 75 до 43 об/мин, а при температуре -20°С с 115 до 55 об/мин. При этом применение электрофакельного устройства дает возможность понизить температуру предельного пуска с минус 20-21 до минус 26-28°С, т. е. на 6-7°С.

Рис. 23. Пусковая характеристика двигателя: 1 - ЯМЗ-740; 2 - Дейтц F8L413

Испытания показали, что в первом случае электрофакельное устройство позволяет снизить предельную температуру пуска на 12°С, а во втором лишь на 6-7°С, т. е. в первом случае двигатель, очевидно, менее доведен по пусковым качествам, чем во втором, что полностью подтверждает данные фирмы "БОШ".

Достаточно высокая эффективность пуска с помощью электрофакельного устройства была получена при испытаниях двигателя ЯМЗ-740 автомобилей КамАЗ. Испытания, проведенные в холодильных камерах ЯМЗ и ЗИЛа показали, что с применением электрофакельного устройства предельная температура пуска может быть снижена до - 30°С. Зависимость минимальных пусковых частот вращения коленчатого вала от температуры двигателя ЯМЗ-740 показана на рис. 23. Высокая эффективность пуска двигателя ЯМЗ-740 с применением электрофакельных устройств полностью подтвердилась эксплуатационными дорожными испытаниями автомобилей КамАЗ в северных районах нашей страны. При пусках с применением электрофакельного устройства отмечалась мягкая работа двигателя (без резких металлических стуков, характерных при пусках холодного двигателя без средств облегчения пуска и с применением пусковой жидкости) и относительно быстрое вступление в работу всех цилиндров.

В то же время следует отметить, что для обеспечений надежного пуска холодного двигателя при вышеуказанных температурах с применением электрофакельного подогревателя требуется использование в двигателе специальных загущенных масел. В соответствии с требованием нового ОСТа на пуск автомобильных двигателей вязкость масла для дизельных двигателей при пусках с применением средства облегчения холодного пуска и температуре -30°С не должна превышать 6000 сСт а это возможно лишь для специальных загущенных масел. В противном случае наличие повышенных моментов сопротивления проворачиванию коленчатого вала двигателя не позволяет обеспечить необходимую для пуска частоту вращения коленчатого вала стартером.

Электрофакельное устройство простое по конструкции вписывается в конструкцию двигателя, обеспечивает быстрый выход его на устойчивый режим работы с мягким процессом, не требует специального технического обслуживания в процессе эксплуатации, потребляет незначительную электрическую энергию на свой привод и при этом значительно снижает величину пусковых минимальных частот вращения коленчатого вала двигателя. Возможность обеспечения предельной температуры пуска до -30°С (в сочетании с загущенными маслами) дает возможность широко его применять на подавляющей части территории нашей страны.

Поэтому электрофакельное устройство должно найти применение на большинстве дизельных автомобильных двигателей как достаточно эффективное средство облегчения пуска двигателя.