Основным показателем, характеризующим климатические условия, является температура наружного воздуха, оказывающая непосредственное влияние на физико-химические свойства эксплуатационных материалов, а следовательно, на пусковые качества и работу двигателей и других агрегатов автомобилей. Скорость ветра и влажность наружного воздуха оказывают влияние на интенсивность отвода тепла от агрегатов автомобиля, приводя к снижению их температурного режима во время движения и межсменной стоянки.
Влажность воздуха влияет также на обледенение таких деталей карбюратора, как дроссельная заслонка, диффузор, жиклеры. Наиболее интенсивное обледенение дроссельной заслонки карбюратора происходит при температуре окружающего воздуха до минус 5°C и относительной влажности 95...100%. Образование льда около дроссельной заслонки приводит к ухудшению мощностных и экономических параметров двигателя, перебоям в его работе, повышению токсичности выхлопных газов. Образование льда в диффузоре вызывает значительное обогащение рабочей смеси и снижение экономичности двигателя. Обледенение жиклеров приводит к ухудшению поступления топлива в камеры сгорания двигателя.
С’понижением температуры наружного воздуха снижается его влажность, особенно при температуре минус 20°C и ниже. Влияние скорости ветра и влажности наружного воздуха уменьшается с применением на автомобилях утеплительных чехлов и
***текст отсутствует***
дин процесса пуска 90...95% топлива, поступившего в смесительную камеру, осаждается в виде жидкой пленки и только 5...10% легких фракций топлива в распыленном и испаренном состоянии поступает в цилиндры двигателя (рис. 5).
Рис. 5. Расход топлива QТ и количество топливной пленки qт.п во впускном трубопроводе при пусковых частотах n вращения коленчатого вала: 1 - общий расход топлива; 2 - количество топливной пленки; 3 - количество топлива, попадающего в цилиндры в распыленном виде
После первых вспышек в цилиндрах двигателя резко увеличивается частота вращения коленчатого вала и возрастает скорость воздушного потока во впускном трубопроводе и диффузоре, благодаря чему жидкое топливо устремляется в цилиндры, заливает стенки, днище поршня и осаждается в виде капель между электродами свечи. Смесь переобогащается, выходит за пределы воспламенения, искрообразование нарушается, а если и происходит, то не вызывает воспламенения.
Рис. 6. "Индикаторные диаграммы (давление р - угол β поворота коленчатого вала), снятые с автомобильного карбюраторного двигателя при температуре охлаждающей жидкости: 1 - 93°C; 2 - 60°C; 3 - 40°C
Большое влияние на процесс смесеобразования при пуске двигателя оказывает процесс наполнения цилиндров рабочей смесью. Различная длина трубопроводов от карбюратора до каждого цилиндра вызывает количественную и качественную неравномерность поступления смеси в отдельные цилиндры. Индицирование двигателя (рис. 6), проведенное при различных температурах охлаждающей жидкости, показало, что при понижении температуры головки и стенок цилиндра процесс сгорания затягивается, что можно объяснить замедлением реакции окисления топлива. Для уменьшения количества топливной пленки и улучшения испарения топлива на современных автомобильных двигателях применяют подогрев впускного трубопровода, который создает хорошие условия для интенсивного испарения топлива (рис. 7), находящегося на стенках. На количество пленки топлива определенное влияние оказывает температура воздуха, поступающего в карбюратор, которая при хорошем утеплении радиатора может поддерживаться такой же, как и в летний период, т. е. на уровне 20...30°C (рис. 8).
Рис. 7. Зависимость количества топливной пленки qт.п, выходящей из впускного трубопровода (попадающей в цилиндры), от температуры его стенок tс в зоне подогрева
Рис. 8. Зависимость температуры воздуха tвоз под капотом двигателя от температуры воды tвод в нижнем бачке радиатора (при наличии термостата в системе охлаждения)
При использовании сжиженного нефтяного или сжатого природного газа пусковые качества двигателя при температурах наружного воздуха не ниже 5°C не отличаются от карбюраторных двигателей. Но при более низких температурах пуск двигателя затруднен, так как температура воспламенения сжатого природного газа в 3 раза выше температуры воспламенения бензина и составляет 635...645°C. В связи с этим как при работе на сжиженном нефтяном газе, так и на сжатом природном газе пуск холодного двигателя при низких температурах наружного воздуха, как правило, осуществляется на бензине с использованием резервной системы питания.
Условия смесеобразования в дизельном двигателе (с воспламенением от сжатия) более сложны и менее благоприятны, чем в карбюраторном двигателе. При этом скорость образования рабочей смеси в дизельном двигателе зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются температура и плотность воздуха в камере сгорания, качество распыливания топлива при впрыске, испаряемость топлива.
Рис. 9. Замедление (по времени Т) воспламенения дизельного топлива в зависимости от температуры сжатого воздуха tвоз
Влияние температуры и плотности воздуха заключается в следующем. Повышение температуры воздуха вызывает сокращение периода задержки воспламенения в результате ускорения прогрева, испарения и окисления топлива (рис. 9). Температура в конце такта сжатия определяется в первую очередь температурой в конце такта впуска (рис. 10), что указывает на большую целесообразность предварительного разогрева воздуха, поступающего в цилиндры при пуске холодного дизельного двигателя. Температура и давление в камере сгорания в конце такта сжатия в большей степени зависят от частоты вращения коленчатого вала и связанными с ними утечками воздуха через неплотности колец холодного двигателя.
Рис. 10. Зависимость температуры воздуха /воз в конце такта сжатия от частоты вращения коленчатого вала (ходе сжатия и ходе расширении): 1 - минус 30°С; 2 - минус 20°C; 3 - минус 10°C; 4 - 0°C; 5 - 10°C; 6 - 20°C
Так, при изменении частоты вращения коленчатого вала с 80 до 200 мин-1 температура и давление в конце такта сжатия увеличиваются, а утечки воздуха уменьшаются примерно в 2 раза (рис. 11).
Рис. 11. Потери воздуха ΔGвоз в цилиндре автомобильного дизельного двигателя при двойном ходе h поршня (ходе сжатия и ходе расширения) и при следующих частотах n вращения коленчатого вала: 1 - 198 мин-1; 2 - 169 мин-1; 3 - 126 мин-1; 4 - 86 мин-1
Скорость смесеобразования в дизельном двигателе в значительной степени зависит от скорости испарения топлива, которая в свою очередь зависит от фракционного состава, вязкости топлива и поверхностного натяжения его. С повышением вязкости при низких температурах ухудшается прокачиваемость топлива к форсункам и качество распиливания его в цилиндрах двигателя (рис. 12).
Рис. 12. Влияние вязкости дизельного топлива на средний диаметр dcp капель
На скорость испарения оказывает влияние степень распиливания топлива (рис. 13).
Рис. 13. Зависимость количества капель N в струе (а) и поверхности испарения Sи (б) 1 мл распыленного топлива от диаметра капель dк
При уменьшении размера капель количество их и суммарная поверхность, с которой происходит испарение, сильно увеличиваются.
На период задержки воспламенения рабочей смеси большое влияние оказывает цетановое число дизельного топлива. Улучшение пусковых свойств дизельных топлив наблюдается при повышении их цетанового числа до 60...65 ед. Однако при работе дизельного двигателя наиболее эффективным оказывается применение топлив с цетановым числом до 55 ед. (рис. 14), так как дальнейшее повышение дает небольшое сокращение индукционного периода.
Рис. 14. Влияние цетанового числа (Ц.Ч.) топлива на время пуска двигателя τ
Повышение цетанового числа топлива, как правило, связано с увеличением количества нормальных парафиновых углеводородов, которые выпадают в виде кристаллов при понижении температуры, сильно ухудшая прокачиваемость его к форсункам двигателя.
При всех конструкциях камер сгорания низкие температуры наружного воздуха резко ухудшают условия смесеобразования, затрудняя пуск двигателя и ухудшая протекание процессов сгорания при его работе во время прогрева до номинальных температур Это явилось причиной того, что за последние годы разработаны конструкции двигателей, в которых сочетаются методы смесеобразования, присущие дизельному двигателю, и методы воспламенения, присущие карбюраторному двигателю, например, предложено использовать искровое зажигание в камере с пленочным смесеобразованием.
При наддуве двигателя возрастает плотность, а нередко и температура заряда в цилиндре, что приводит к улучшению смесеобразования и ускорению воспламенения смеси. Вместе с тем возникает необходимость существенного увеличения пробивной способности топливных струй в результате увеличения диаметра сопловых отверстий. Этот недостаток особенно ощутим при пуске и работе двигателей в условиях низких температур, когда с повышением вязкости топлива ухудшается его распыливание.
Для дизельных двигателей в качестве топлива используется также сжатый природный газ. Недостатками природного газа в данном случае являются относительно низкое цетановое число, уменьшенная по сравнению с жидким дизельным топливом скорость сгорания, меньшая плотность газовоздушной смеси по сравнению с плотностью воздуха. Для устранения отмеченных недостатков газового топлива и сохранения мощностных и моментных показателей автомобильных двигателей используется рабочий процесс по «газодизельному циклу», когда воспламенение газовоздушной смеси происходит в результате «запальной» дозы дизельного топлива. При низких температурах пуск двигателя осуществляется обычным способом на дизельном топливе. При этом рекомендуется после пуска прогреть двигатель на частотах вращения коленчатого вала 600 мин-1 до температуры 50...60°C.
При редуцировании сжатого природного газа происходит снижение его температуры, что при наличии в газе определенного количества влаги может привести к ее замерзанию в редукторе высокого давления. Поэтому для обеспечения нормальной работы газовой системы перед редуцированием сжатого природного газа необходимо его подогреть. На автомобилях КамАЗ, например, подогрев сжатого природного газа осуществляется теплом охлаждающей жидкости, циркулирующей в системе охлаждения двигателя. На автомобилях ЗИЛ и ГАЗ подогрев сжатого газа осуществляется теплом отработавших газов.
Воспламенение рабочей смеси. В поршневых двигателях имеют место три характерных вида сгорания рабочей смеси:
- объемное воспламенение;
- воспламенение от искрового разряда с последующим распространением пламени;
- диффузионное горение.
Воспламенение рабочей смеси в дизельном двигателе имеет многостадийный цепной характер. Очаги воспламенения располагаются вблизи наружных границ факела распыленного топлива, где понижение температуры из-за испарения меньше, чем на его оси, а состав смеси благоприятен для воспламенения. Возникновение очага воспламенения происходит по механизму объемного воспламенения, когда вследствие быстрого сжатия смеси происходит экзотермическая реакция. При этом после периода задержки воспламенения наблюдается быстрый саморазгон химических реакций (объемное воспламенение), сопровождающееся охватом всего объема пламенем.
При низких температурах длительность периода задержки воспламенения велика, процесс сгорания топлива затягивается, а неполнота сгорания приводит к выбросу увеличенного количества токсических веществ.
К затягиванию догорания автомобильного топлива приводит и наддув из-за увеличения продолжительности впрыскивания, а нередко и ухудшения распределения топлива по объему камеры сгорания.
При использовании электрического зажигания рабочей смеси искровой разряд должен обладать определенной мощностью, чтобы сообщить смеси в зоне зажигания энергию, достаточную для дальнейшего распространения процесса сгорания по всему объему. В искровом промежутке развиваются температуры более 104К. В результате термической диссоциации и ионизации в объеме искрового промежутка смесь реагирует с огромными скоростями без задержки воспламенения.
При пуске двигателя в зимнее время получается сильное отклонение от данного условия. При понижении температуры происходит большое снижение емкости аккумуляторной батареи (примерно на 1...1,5% при понижении температуры электролита на 1°C). Все это приводит к уменьшению запаса электрической энергии аккумуляторной батареи, необходимой для вращения коленчатого вала стартером, и падению напряжения (до 50%) на ее зажимах во время пуска двигателя.
Падение напряжения на клеммах аккумулятора влечет за собой падение напряжения на зажимах катушки зажигания и электродах свечей. Напряжение на зажимах катушки зажигания падает еще в результате того, что при очень малой скорости размыкания контактов прерывателя нарастающее напряжение пробивает воздушный промежуток между ними, вызывая потери части энергии в образующейся дуге, так как конденсатор не устраняет полностью искрения в контактах прерывателя.
Топливо, поступившее в цилиндры, соприкасаясь с холодными электродами, осаждается на них и в виде капель заполняет искровое пространство, приводя к чрезмерному переобогащению смеси в пространстве около искры и затрудняя ее воспламенение. В этом случае искра проскакивает около поверхности капли. Для уничтожения капли между электродами свечи недостаточно одиночного пробоя искрового промежутка, требуется несколько (от двух до пяти, а иногда и более) повторных разрядов, после чего капля сгорает и частично разбрызгивается в результате механического действия искры (волны давления, вызываемой искрой). В этом случае большую роль играет индуктивная составляющая искрового разряда, так как воспламенение смеси находится в сильной зависимости от теплового эффекта искры и обусловлено не столько ионизацией, сколько нагревом прилегающего объема газа теплотой искры, способствующей испарению сконденсировавшихся капелек топлива.
Падение напряжения на клеммах аккумуляторной батареи во время пуска двигателя, а следовательно, и на клеммах катушки зажигания сопровождается не только снижением вторичного напряжения, развиваемого системой зажигания, но и уменьшением индуктивной составляющей.
Причиной, приводящей к снижению емкости аккумуляторной батареи и резкому падению напряжения при пуске холодного двигателя в условиях низких температур, является крайне ограниченное количество электролита в парах активной массы. В обычных условиях у разряженного до предельного напряжения аккумулятора около 70...75% активной массы остается неиспользованной. Диффузия электролита в поры активной массы еще больше замедляется в результате повышения вязкости его с понижением температуры. Так, вязкость 30 %-ного раствора серной кислоты при изменении температур от плюс 30°C до минус 30°C увеличивается более чем в 1,5 раза.
Резкое падение напряжения на зажимах аккумуляторной батареи в процессе пуска объясняется еще и следующим. При данной силе тока при включении стартера напряжение на зажимах аккумуляторной батареи зависит от электродвижущей силы (э.д.с.) и внутреннего сопротивления. Влияние температуры на изменение э.д. с. аккумулятора показано на рис. 15, где видно, что при температурах от плюс 20°C до минус 60°C э.д.с. падает с 2,116 до 2,087 В на элемент. В процессе пуска двигателя напряжение на зажимах аккумуляторной батареи падает значительно сильнее. Очевидно, решающим фактором в этом случае является внутреннее сопротивление, которое состоит из сопротивления соединений, пластин, электролита и сепараторов.
Рис. 15. Зависимость э.д.с. аккумулятора от температуры окружающей среды tc
Практически можно считать, что с изменением температуры сопротивление пластин и соединений не меняется, в то время как сопротивление электролита с изменением температуры изменяется значительно. На рис. 16 видно, что удельное сопротивление электролита с плотностью 1,25 г/см³ увеличивается в 1,5 раза при изменении температуры tc плюс 25°C до минус 15°C. Кроме того, с изменением температуры изменяется и сопротивление сепараторов, которое зависит от их проницаемости.
Рис. 16. Влияние температуры окружающей среды tc на электрическое сопротивление R: 1 - электроплита плотностью 1,25 г/см³; 2 - микропористого сепаратора
Зависимость электролитических параметров аккумуляторной батареи от температуры в значительной степени сужает область ее применения. Испытания кислотных аккумуляторных батарей, проведенные в НИИАТе и НАМИ показали, что при использовании загущенного масла АСЗп-6 холодные аккумуляторные батареи обеспечивают условия, необходимые для надежного пуска холодного карбюраторного двигателя (частота вращения коленчатого вала 40...50 мин-1 и напряжение на клеммах аккумуляторной батареи 6...7 В) при температуре наружного воздуха минус 24...26°C (рис. 17).
Рис. 17. Зависимость минимальных пусковых частот n провертывания стартеров коленчатого вала двигателя ЗИЛ-130 от температуры tс: 1 - аккумуляторная батарея заряжена полностью; 2 - аккумуляторная батарея заряжена на 75% (данные НАМИ)
При применении теплых аккумуляторных батарей (с температурой электролита 10°C) температурные границы надежного пуска холодных двигателей расширяются на 7...8°C. Существуют и другие типы аккумуляторов (например, серебряно-цинковый и др.), разрядные характеристики которых превосходят характеристики кислотных аккумуляторов (рис. 18). Однако их широкое применение ограничено дефицитностью применяемых материалов.
Рис. 18. Зависимости напряжения U от времени разряда Тр различных аккумуляторов (A - никель-кадмиевый; В - кислотный; С, D - серебряно-цинковые): а - при токе 400 А и температуре -17°C; б - при токе 400 А и температуре 26°С; в - при токе 180 А и температуре 30°C
Эксперименты, проведенные в НИИАТе и НАМИ, а также опыт зимней эксплуатации, показали, что при использовании стандартных топлив и зимних масел надежный пуск холодных карбюраторных двигателей возможен до температур наружного воздуха минус 15...16°C, а дизельных двигателей — до температур минус 10...12°С. При более низких температурах применяют дополнительные средства облегчения пуска двигателей.
Смазка деталей двигателя. Система смазки автомобильных двигателей в холодное время года работает в широком диапазоне температур. После межсменной стоянки автомобиля масло в поддоне картера двигателя имеет температуру окружающей среды; при работе автомобиля с полной нагрузкой по дорогам с неусовершенствованным покрытием на низших передачах температура масла может достигать 100°C и более. Вязкостно-температурные характеристики моторных масел во многом определяют момент сопротивления при провертывании коленчатого вала стартером (рис. 19), а следовательно, и эффективность пуска холодного двигателя при низких температурах, а также энергетические потери в двигателе и связанный с ними расход топлива. Это предъявляет высокие требования к работе системы смазки, свойствам и качеству применяемых масел.
Рис. 19. Изменение момента сопротивления Мт при провертывании коленчатого вала двигателя ЗИЛ-130 с различной частотой вращения в зависимости от вязкости масла М-8Б2 или АКЗп=6 (данные НАМИ): 1 - при n=200 мин-1; 2 - при n=100 мин-1; 3 - при n=50 мин-1
Во время стоянки автомобилей масло постепенно стекает с трущихся поверхностей деталей двигателя, в результате чего на них сохраняется тонкая масляная пленка. При пуске двигателя коленчатый вал должен сделать значительное число оборотов для того, чтобы между трущимися поверхностями деталей образовалась масляная пленка достаточной толщины. Производительность масляного насоса при малых частотах вращения коленчатого вала сравнительно невелика, особенно при низких температурах, когда вязкость масла резко возрастает. Все это приводит к ухудшению прокачиваемости масла по каналам системы смазки, препятствует образованию масляного тумана, вызывая повышенный износ двигателя. Исследования показали, например, что масло вязкостью 25 сСт при температуре 50°C в 1,5...3,0 раза быстрее достигает днищ поршней по сравнению с маслом вязкостью 150 сСт при температуре 50°C при частоте вращения коленчатого вала двигателя 700 мин-1. При этом время поступления маловязкого масла к днищам поршней достигает 3...5 мин и более.
Исследования, проведенные в НИИАТе, показали, что при пуске и прогреве холодного дизельного двигателя при температурах минус 15...20°C износ стенок цилиндров в верхнем поясе возрастал в 3...4 раза по сравнению с пуском и прогревом предварительно разогретого двигателя до температуры плюс 30°C; при этом использовались стандартное дизельное зимнее топливо и зимнее масло.
За период пуска коленчатый вал двигателя успевает сделать не более 30...50 оборотов (за несколько попыток пуска). Кроме того, при малых частотах вращения коленчатого вала (30...150 мин-1) резко уменьшается количество топлива, поступающего в цилиндры двигателя, что, естественно, не приводит к интенсивному смыванию масла со стенок цилиндров и повышенному износу двигателя. Совершенно иная картина получается после пуска холодного двигателя, когда он начинает работать с большими частотами вращения коленчатого вала (1000 мин-1 и более). С этого момента плохо испарившееся топливо в больших количествах поступает в цилиндры, интенсивно смывая масло с их стенок. При низших температурах происходит интенсивная конденсация паров воды (рис. 20) и образование кислот, вызывающих коррозионный износ, особенно в тех местах, где отсутствует масляная пленка. Все это указывает на то, что наиболее интенсивный износ деталей двигателя происходит в начальный период работы после пуска.
Рис. 20. Изменение количества водяных паров Qв.п в воздухе в зависимости от температуры tс
Наряду с эксплуатацией на форсированных режимах работа автомобильных двигателей может характеризоваться короткими пробегами автомобилей, частыми остановками и пусками (двигатели городских автобусов, автомобилей-самосвалов и др.). Так, при работе в городских условиях до 80% времени двигатели работают на частичных нагрузках.
Пониженный тепловой режим двигателя при низких температурах наблюдается, когда конструктивно он не защищен от воздействия окружающей среды (например, при установке двигателя под кабиной), а также при невысокой надежности работы термостата, жалюзи и муфты отключения вентилятора. В этом случае температура двигателя составляет 60°C и ниже.
Условия работы масла в двигателе на пониженном тепловом режиме более жестки, чем на высокотемпературном режиме. Ухудшение процесса сгорания топлива увеличивает попадание продуктов неполного сгорания топлива и воды в поддон картера двигателя. В результате усиливается окисление и загрязнение масла, а наличие в нем воды способствует коагуляции загрязняющих примесей в крупные конгломераты и выпадение их в осадок.
В условиях низких температур в масле накапливаются органические и неорганические кислоты, возникающие в результате окисления самого масла и взаимодействия продуктов сгорания с парами воды. Все это в 2...4 раза повышает интенсивность износа цилиндров двигателя.