Эффективность использования тракторов в хозяйстве в течение всего календарного года в значительной степени зависит от технического состояния наиболее сложного и дорогостоящего агрегата – двигателя, долговечность и безотказность работы которого определяются климатическими условиями, нагрузочными, скоростными, температурными режимами работы, качеством обслуживания и многими другими факторами. Влияние этих факторов усиливается с понижением температуры окружающей среды. В условиях зимней эксплуатации, особенно в период пуска-прогрева, увеличиваются отказы двигателей [6], трудозатраты на их устранение и простои машин при подготовке двигателей к работе. Можно отметить, что простои машин из-за затрудненного пуска двигателя при температуре –25...30 °С и ниже часто достигают 1,0–1,5 ч и более [1].
Суровые климатические условия регионов северных стран предопределили разработку большого количества различных средств и способов облегчения пуска тракторных дизелей в холодное время года (рис. 1). Существующие средства облегчения пуска дизельного двигателя можно классифицировать как с предварительной тепловой подготовкой ДВС [5, 7, 8], так и без предварительной тепловой подготовки [1, 2].
Рис. 1. Средства облегчения пуска дизельного двигателя [2]
Применение для запуска двигателя устройства без предварительной тепловой подготовки приводит в основном к увеличению норм выбросов выхлопных газов, форсированному износу цилиндропоршневой группы двигателя [6]. По результатам многочисленных исследований, многими авторами приводится статистика [3], что за 100 холодных пусков с последующим разогревом цилиндропоршневая группа двигателя изнашивается как за 1 000–1 100 ч нормальной работы, при этом износ предварительно подогретого (при температуре охлаждающей жидкости в головке блока двигателя 30…40 °С) в 1,5–2 раза меньше [4]. Поэтому перед пуском двигатель желательно прогреть различными доступными средствами и способами.
Разогрев двигателей с целью сокращения времени пуска и прогрева до рабочей температуры целесообразно применять даже при небольших отрицательных температурах окружающего воздуха. Выбор способа и устройства, облегчающих пуск, определяется конструктивными особенностями двигателя, экономическими факторами и условиями эксплуатации [6]. В России практически для всех моделей отечественных тракторов и грузовых автомобилей выпускаются жидкостные подогреватели двигателей типа ПЖБ и ПЖД, которые благодаря работе в течение нескольких десятилетий зарекомендовали себя как достаточно надежные и эффективные агрегаты. Тем не менее, несмотря на широкое применение и апробацию данных агрегатов в реальных суровых условиях нашей страны, стоит выделить некоторые недостатки этих агрегатов:
- засорение отверстий электромагнитного топливного клапана, что приводит к незапуску подогревателя или его затуханию во время работы;
- попадание охлаждающей жидкости из рубашки теплообменника подогревателя в газоход вследствие появления трещин по сварным швам;
- для получения тепловой энергии осуществляется процесс сгорания топлива, при этом в автоматическом режиме он производится без контроля со стороны машиниста, что является нежелательным с точки зрения пожаробезопасности и надежности.
- отмечены случаи возникновения пожаров вследствие большого расхода топлива, замыкания электропроводки или выхода из строя электродвигателя вентилятора.
- в зависимости от свободного места в подкапотном пространстве и от конструктивных особенностей моделей жидкостных подогревателей выбор места крепления может быть нерациональным, что приводит к неудобству его обслуживания из-за трудности доступа.
На наш взгляд, наиболее перспективным направлением решения вопросов, связанных с проблемой предпускового разогрева дизельных двигателей в условиях аграрных хозяйств, является использование в качестве теплового модуля предпускового подогревателя более упрощенной конструкции в виде спирально-трубчатого подогревателя, где в качестве источника тепловой энергии выступают широко используемые в быту бензиновые горелки.
Предложенную конструкцию предпускового подогревателя частично апробировали на двигателе Д-240 трактора МТЗ-80 в реальных условиях эксплуатации (рис. 2, 3).
В процессе экспериментальных исследований устанавливали основные закономерности изменения температуры охлаждающей жидкости моторной установки в процессе предпускового разогрева двигателя трактора в условиях отрицательных температур под действием изменяющихся внешних и внутренних факторов (температура окружающей среды, температура жидкости на входе и выходе из подогревателя, температура жидкости в головке блока двигателя, скорость потока жидкости через подогреватель).
б
Рис. 2. Предпусковой подогреватель ДВС на базе бензиновой горелки:
а – схема устройства; б – внешний вид корпуса спирально-трубчатого подогревателя
а 
б
Рис. 3. Установка автономного предпускового подогревателя двигателя на трактор МТЗ-80:
а – схема установки предпускового подогревателя двигателя на трактор МТЗ-80; б – внешний вид спирально-трубчатого подогревателя на тракторе МТЗ-80; 1 – спирально-трубчатый теплообменник; 2 – дизельный двигатель Д-240; 3 – бензиновая горелка; 4, 6 – трубопровод для соединения горелки с жидкостной системой охлаждения двигателя; 5 – жидкостный насос
Предварительные результаты исследований (рис. 4), показывают форсированный разогрев охлаждающей жидкости двигателя. Температура жидкости в блоке двигателя, в процессе подогрева, за 10 минут поднялась на 45 0С, что показывает высокие показатели эффективности предпускового подогревателя на базе бензиновых горелок, а также простоту изготовления и использования.
Рис. 4. Интенсивность разогрева охлаждающей жидкости в блоке двигателя Д-240 предпусковым бензиновым подогревателем (температура окружающей среды –10 °С)
В процессе наблюдений за тракторами, эксплуатирующимися на аграрных предприятиях, было установлено, что большинство тракторов работают в зимний период на летних сортах моторного масла.
Данное решение, на наш взгляд, связано в первую очередь с низкой наработкой отдельных групп тракторов в течение года при средних показателях 400–600 мото-ч с рекомендуемым периодом замены моторного масла 480 мото-ч (в весенне-летний период ресурс моторного масла не в полной мере реализуется), что, по мнению эксплуатационников, приводит к не всегда оправданным издержкам эксплуатационных материалов.
Однако применение моторных масел не в соответствии с условиями зимней эксплуатации приводит к форсированным пусковым износам элементов моторной установки машин и, как правило, к снижению показателя надежности всей машины.
Поэтому нами в дальнейших исследованиях предполагается разработанную конструкцию спирально-трубчатого подогревателя реализовать для комплексной тепловой подготовки моторной установки не только на разогрев охлаждающей жидкости, но и для предпускового разогрева моторного масла.
Суть технического решения заключается в том, что внутри поддона картера устанавливается погружной теплообменник в виде змеевика (рис. 5), по которому циркулирует охлаждающая жидкость, подогретая в предпусковом подогревателе.
Масляный теплообменник последовательно установлен в систему разогрева двигателя и посредством резиновых шлангов соединен с блоком двигателя и предпусковым подогревателем. Предложенная схема разогрева моторной установки работает следующим образом: разогретая жидкость из предпускового подогревателя принудительно, посредством насоса, направляется в головку блока двигателя, частично отдает тепло на разогрев цилиндропоршневой группы, далее жидкость выходит из блока двигателя через сливное отверстие и подается в змеевик масляного теплообменника для частичного разогрева моторного масла, потом на вход спирально-трубчатого подогревателя, в дальнейшем цикл разогрева повторяется до необходимых температурных параметров, необходимых для уверенного запуска двигателя.
Рис. 5. Масляный поддон картера трактора с жидкостным теплообменником
Минимальные температурные параметры для охлаждающей жидкости, при которых обеспечивается уверенный запуск дизельного двигателя, рекомендуются не ниже 30 °С при температуре окружающей среды –30 °С [1], а разогрев летнего моторного масла в поддоне картера необходимо обеспечить до плюсовой температуры. Максимальные температурные параметры для нагреваемых сред ограничиваются плюсовыми температурами от 60 до 80 °С, при которых пусковые износы моторной установки минимальны.
Для своевременного и оперативного контроля температуры охлаждающей жидкости в двигателе и моторного масла необходима дополнительная установка температурных датчиков дистанционного термометра.
В целом можно отметить, что предложенная конструкция устройства предпускового подогревателя при дальнейшей доработке и адаптации к параметрам моторной установки позволит повысить эффективность тепловой подготовки дизельных двигателей тракторов перед пуском при сокращении времени разогрева моторной установки и стоимости конструкции предпускового подогревателя.
Выводы
1. Тепловой подогрев дизельных двигателей перед пуском позволяет обеспечить уверенный их пуск и снижение величины пусковых износов моторной установки в условиях отрицательных температур.
2. Серийно выпускаемые модели предпусковых подогревателей тракторных двигателей, несмотря на ряд преимуществ, не в полной мере отвечают требованиям эксплуатационников небольших аграрных предприятий, что связано в первую очередь с высокими издержками на их приобретение и обслуживание.
3. Реализация на практике предложенной конструкции спирально-трубчатого подогревателя позволит сократить издержки на изготовление и обслуживание данной конструкции, снизить величину пусковых износов моторной установки, повысить готовность техники в зимний период эксплуатации и, как следствие, увеличить эффективность использования тракторов в сельском хозяйстве.
Рецензенты:
Бураев М.К., д.т.н., процессор, заведующий кафедрой «Технический сервис и общеинженерные дисциплины» ФГБОУ ВПО Иркутская государственная сельскохозяйственная академия, г. Иркутск.
Полтавцев В.И., д.т.н., профессор ФГБОУ ВПО Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт, г. Кемерово.