Устройство автомобилей

Устройства для облегчения пуска холодного двигателя

Общие сведения о пуске холодного двигателя

К системе пуска автотракторных двигателей относятся не только элементы, непосредственно придающие импульс коленчатому валу двигателя, но и вспомогательные устройства, позволяющие осуществить запуск при низких температурах окружающей среды или в других нештатных условиях.

Пуск двигателя в условиях низких температур затруднен в результате действия ряда факторов.
Так, например, при низких температурах ухудшаются характеристики электропусковой системы из-за ухудшения характеристик аккумуляторной батареи. Кроме того резко возрастает момент сопротивления вращению коленчатого вала двигателя при пуске из-за повышения вязкости масла при понижении температуры.

На пуск дизелей оказывает влияние и температура воздуха, поступающего в цилиндры. Холодный воздух при сжатии не нагревается до температуры, необходимой для воспламенения впрыскиваемого топлива. Кроме того, дизельный двигатель оказывает большее сопротивление проворачиванию коленчатого вала пусковыми устройствами, поскольку имеет высокую степень сжатия, и в условиях загустевшей смазки нагрузка на стартер при холодном пуске резко возрастает.
При очень низких температурах окружающей среды работа холодного двигателя после пуска (например, с помощью эфиросодержащих жидкостей или аэрозолей) сопровождается сухим трением между сопрягаемыми деталями кривошипно-шатунного механизма, поскольку загустевшее масло длительное время не подается по подводящим каналам.

По этим причинам на автомобилях, эксплуатируемых в условиях низких температур окружающей среды, предусматриваются различные устройства и системы, позволяющие облегчить пуск двигателей и их нормальную работу после запуска.

Работы по обеспечению пуска двигателя при низких температурах ведутся по трем основным направлениям:

• поддержание при низких температурах высоких характеристик электропусковой системы;
• предпусковой подогрев двигателя, обеспечивающий повышение температуры смазочного материала и охлаждающей жидкости;
• подогрев воздуха во впускном трубопроводе дизеля.

Средства облегчения пуска двигателей

Для пуска как карбюраторных двигателей, так и дизелей при температуре окружающей среды —30 ˚С должны применяться устройства облегчения пуска холодного двигателя, а при температуре —40 ˚С и ниже – системы предпускового подогрева.
Особенное внимание уделяется средствам облегчения пуска дизельных двигателей, поскольку пуск холодного дизеля затрудняется не только недостаточным разогревом сжимаемой рабочей смеси, но и высокой степенью сжатия, способствующей увеличению моментов сопротивления.

Наибольшее распространение получили устройства, облегчающие пуск дизелей. К ним относятся следующие устройства:

• устройства, повышающие температуру в конце такта сжатия (свечи подогрева и электрофакельный подогрев воздуха, поступающего в цилиндры двигателя;
• устройства, обеспечивающие принудительное воспламенение впрыснутого в цилиндры топлива (свечи накаливания);
• устройства, осуществляющие подачу легковоспламеняющейся жидкости в цилиндры двигателя при пуске.

Для бензиновых двигателей применяют устройства впрыскивания легковоспламеняющейся жидкости, имеющей компоненты с низкой температурой воспламенения. Применение таких жидкостей облегчает воспламенение топлива и повышает эффективность его сгорания.
Пусковая жидкость впрыскивается во впускной трубопровод или патрубок воздушного фильтра. Применяются и средства подогрева аккумуляторных батарей для улучшения их характеристик перед пуском.

Электрическая система облегчения пуска сводится к обеспечению высокого напряжения питания стартера при пуске двигателя, которое достигается тремя способами:

• утеплением аккумуляторной батареи;
• применением предпусковой подзарядки аккумуляторной батареи;
• использованием вспомогательных источников питания стартера при пуске.

Утепление аккумуляторной батареи осуществляется помещением ее в теплоизолированный контейнер с войлоком или стекловатой, при этом необходимо обеспечить отвод газа из отверстий пробок.

Предпусковая подзарядка аккумуляторной батареи рекомендуется при температуре электролита ниже —10 ˚С. Заключается она в зарядке аккумуляторной батареи током 0,9 С₂₀ А в течение 10 минут. Предпусковая подзарядка позволяет резко повысить энергетические характеристики аккумуляторной батареи при низкой температуре электролита.

Некоторые водители, эксплуатирующие автомобили в холодное время года, используют способ подогрева электролита в аккумуляторной батарее путем кратковременного включения мощных потребителей (например, фар) перед пуском двигателя.
Такой прием позволяет подогреть электролит в батарее, повышая тем самым ее пусковые характеристики.
Однако, если емкость аккумуляторной батареи понижена в результате длительной эксплуатации или неисправности, такой способ не приводит к желаемому результату – включение потребителей приведет к быстрому разряду батареи.

Вспомогательные источники питания стартера бывают двух типов. Автономные, например Э536, представляют собой тележку со смонтированными в ней аккумуляторными батареями, которые снабжены переключателем на номинальное напряжение 12 В или 24 В. Такие источники питания требуют периодической подзарядки установленных на них аккумуляторных батарей.
Преимуществом автономных источников питания является возможность использовать их в полевых условиях и при отсутствии вблизи стоянки транспорта электрических цепей трехфазного тока.

Выпускаются также вспомогательные источники питания стартеров Э307 и Э312, питающиеся от трехфазной сети, которые представляют собой трехфазный трансформатор с выпрямителем, смонтированный на тележке. Установки Э307 и Э312 обеспечивают питание электропусковых систем напряжением 12 и 24 В. Очевидным недостатком таких источников питания является отсутствие автономности.

К внешней характеристике вспомогательных источников питания предъявляются определенные требования. Характеристика источника не должна быть выше характеристики для электропусковых систем. Указанное ограничение обусловлено тем, что при слишком большой мощности вспомогательного источника возможны поломки стартера.

Для подогрева двигателя применяются специальные устройства, которые устанавливаются на автомобиле. Для подогрева всасываемого в цилиндры воздуха применяют электрофакельные устройства, а для подогрева охлаждающей жидкости – жидкостные подогреватели.
Существуют различные средства подогрева двигателей, работающие от стационарной электрической или тепловой сети, а также калориферного типа (создающие поток теплого воздуха), но такие устройства лишены автономности, и в этой статье не рассматриваются.

Свечи накаливания

Свечи накаливания применяются для облегчения пуска дизелей. При этом они могут применяться для принудительного (каллоризаторного) воспламенения топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания двигателя, или для предварительного подогрева воздуха, всасываемого в цилиндры.
В первом случае свечи накаливания устанавливаются непосредственно в камере сгорания дизеля или в предкамере (у дизелей с разделенными камерами сгорания), во втором случае свечи накаливания устанавливают во впускном трубопроводе.

Наиболее эффективным средством пуска дизелей в условиях низких температур окружающей среды является установка в камеру сгорания или вихревую в предкамеру специальных свечей накаливания, которые обеспечивают каллоризаторное (принудительное) воспламенение впрыскиваемого топлива (рис. 1 и 2).

Такие свечи накаливания выполняют с открытой спиралью и со спиралью, расположенной внутри защитного кожуха (штифтовые свечи).

Свечи накаливания с открытой спиралью

Свечи накаливания с открытой спиралью выпускаются двухполюсными (оба конца спирали изолированы от корпуса). Промышленностью выпускаются двухполюсные свечи накаливания СНД-100 БЗ открытого типа. Их устанавливают в предкамеры дизелей Д-48, Д-50, СМД-15К и др.
Спираль таких свечей выполняется из нихромовой проволоки диаметром 1,6…2 мм. Конструкция отличается достаточной коррозийной и вибрационной стойкостями.

Двухполюсные свечи накаливания, установленные на двигателе, включаются последовательно с контрольным элементом типа ГЩ-50Б, дополнительным резистором СЭБ-50 и источником тока. Время нагрева спирали до рабочей температуры 850…1000 ˚С составляет 30…60 с при силе тока 45…50 А и напряжении 12 В.
Готовность к пуску двигателя определяется по степени накала спирали контрольного элемента.
Дополнительный резистор служит для компенсации падения напряжения в момент включения стартера, в результате чего сила тока в цепи остается постоянной и степень накала свечи не меняется.

Во избежание сокращения срока службы свечи накаливания с открытым нагревательным элементом устанавливают в камеру сгорания таким образом, чтобы струи распыливаемого топлива не касались раскаленной спирали. Попадание частиц топлива на спираль хотя и улучшает процесс воспламенения топлива, но резко сокращает срок службы свечи.

Свечи накаливания с закрытой спиралью (штифтовые)

В отличие от свечи открытого типа спираль накаливания штифтовой свечи (закрытого типа) находится внутри кожуха, заполненного порошкообразным наполнителем.
В качестве наполнителя используют оксид магния (периклаз), представляющий собой электроизоляционный материал с высокой теплопроводностью.
Материалом кожуха служит сплав инконель (железо-никель-хром).

Преимуществом таких свечей являются большая механическая прочность и продолжительный срок службы вследствие отсутствия контакта нагревательного элемента с агрессивной средой в камере сгорания и окисления кислородом воздуха.
Свечи накаливания с закрытой спиралью обладают бόльшим сроком службы и меньшими габаритными размерами, по сравнению со свечами с открытой спиралью.
Штифтовые свечи накаливания выпускаются однопроводными (один конец спирали на «массе») и соединяются между собой параллельно.

Штифтовые свечи накаливания устанавливают в камеру сгорания так, чтобы конус струи распиливаемого топлива касался лишь раскаленного конца ее кожуха. В связи с большой тепловой инерцией необходимость дополнительного резистора, закорачиваемого при пуске, отсутствует.
Время нагрева штифтовых свечей до рабочей температуры (1000 ˚С) зависит от конструкции их нагревательного элемента и составляет от 7 до 60 с.
Свечи с наименьшим временем нагрева предназначены для установки на вихрекамерные дизели с небольшим рабочим объемом и высокой степенью сжатия (22-23).

Минимальная пусковая частота вращения коленчатого вала при использовании свечей накаливания для дизелей с разделенными камерами при —20 ˚С на маловязком масле составляет 100…150 об/мин.
Бόльшая эффективность достигается и при установке штифтовых свечей в камеру сгорания дизеля с непосредственным впрыскиванием топлива.

Свечи накаливания для подогрева воздуха

Свечи накаливания для подогрева воздуха устанавливаются во впускном коллекторе двигателя и подогревают всасываемый воздух. Относительно невысокая мощность свечей накаливания для подогрева (0,4…1,0 кВт) ограничивает их применение на дизелях с рабочим объемом до 5 л.
Свечи накаливания для подогрева воздуха во впускном трубопроводе выполняются с открытой спиралью, поскольку такая свеча разогревается до рабочих температур быстрее, а условия ее работы менее тяжелые по сравнению со свечами накаливания, используемыми для воспламенения топлива в камере сгорания.

Вследствие подогрева воздуха во впускном трубопроводе свечой накаливания СН-150 на 20…35 ˚С увеличивается температура в цилиндре в конце такта сжатия, в результате чего на 5…10 ˚С снижается минимальная температура пуска двигателя.
Из-за потери теплоты при большой длине трубопровода снижается эффективность работы свечей накаливания в условиях низких температур. Поэтому их используют на дизелях с малыми рабочими объемами, пуск которых должен обеспечиваться до температуры окружающей среды -12…-17 ˚С.

Во время пуска двигателя спираль свечи накаливания нагревается до температуры 900…1500 ˚С. Свечи накаливания остаются под напряжением (от 1,2 до 1,7 В). После начала самостоятельной работы двигателя свечи накаливания должны быть отключены.
Лучший теплоотвод от спирали 1 (рис. 1, б) обеспечивается при использовании фланцевых свечей накаливания, которые устанавливают в разъемах впускного трубопровода, что приводит к большому разнообразию их конструкций, но усложняет конструкцию трубопровода.

Электрофакельные подогреватели воздуха

Для обеспечения пуска дизелей с большим рабочим объемом вместо свечей накаливания и подогрева применяют электрофакельные подогреватели воздуха и электрофакельные штифтовые свечи.
Перед пуском дизеля сначала включается спираль накаливания. После ее нагрева подается напряжение на катушку электромагнитного клапана, в результате чего клапан открывается и топливо подается на раскаленную спираль, испаряется и перемешивается с поступающим воздухом.

Топливовоздушная смесь воспламеняется и образуется пламя, нагревающее поступающий в цилиндры воздух. После пуска двигателя подогреватель отключают. Топливный клапан под действием пружины перекрывает подачу топлива, и горение прекращается.

Применение таких подогревателей позволяет снизить предельную температуру пуска холодного двигателя на 10…15 ˚С. Электрофакельные устройства обеспечивают пуск холодного дизеля при температурах до —25 ˚С при условии использования соответствующего топлива и масла.

Водители дизельных автомобилей иногда используют своеобразный факельный подогрев поступающего в цилиндры двигателя холодного воздуха с помощью паяльной лампы, которую разжигают и направляют пламя в воздуховод, сняв предварительно воздушный фильтр. Такой способ пуска двигателей пожароопасен, поэтому не рекомендуется к применению.

Основными деталями подогревателей, выпускаемых отечественной промышленностью, являются две штифтовые свечи накаливания, электромагнитный топливный клапан и термореле.

Штифтовые свечи накаливания (рис. 3) ввертываются во впускные трубопроводы дизеля. На резьбе корпуса свечи накаливания имеется гайка 5, которой свеча контрится при установке в трубопровод. Топливо поступает к свече накаливания через отверстие штуцера 6, фильтр 7 и жиклер 8. Вокруг нижней части электронагревателя 1 установлены сетка 3 и экран 4, которые формируют пламя в виде факела. Конструкция свечи накаливания неразборная.
На автомобилях с бортовой сетью 24 В («КамАЗ», «Урал», «БелАЗ», «МАЗ» и «КрАЗ») применяются электрофакельные свечи 11.3740, потребляющие 11…12 А и нагревающиеся до 1040…1230 ˚С за 90 с.
Подогреватели автомобилей с 12-вольтовой сетью (ЗИЛ-133ВЯ, ЗИЛ-133ГЯ, «ГАЗ») используют свечи накаливания 13.3740, потребляющие ток 21…23 А и нагревающиеся до температуры 1080…1150 ˚С за 90 с.

Термореле (рис. 4) состоит из спирали 1, рассчитанной на номинальный ток 22,8 А, биметаллической пластины 3 с подвижным контактом и неподвижного контакта 4 с выводом. Конструкция надежно смонтирована на основании 5 и закреплена с помощью болтов гайками 6 и 7.
Спираль и контакты изолированы от основания и закрыты защитным кожухом 2.

Параметры термореле подобраны таким образом, что время срабатывания контактов при протекании тока через спираль равно времени нагрева электронагревателей штифтовой свечи накаливания.
На автомобилях марки «КамАЗ», «Урал», «БелАЗ», «МАЗ» и «КрАЗ» применяются термореле 12.3741, имеющие сопротивление спирали в холодном состоянии 0,156…0,169 Ом. Время от момента включения до замыкания контактов – 50…65 с; время замкнутого состояния после отключения тока – 45 с.
На автомобилях с боровой сетью 12 В устанавливаются термореле модели 14.3741.

Электромагнитный топливный кран (рис. 5) состоит из основания 1, в котором имеются два радиальных глухих отверстия с резьбой, посредством которой в них крепятся трубки топливопровода. Через одно отверстие клапан соединяется с топливоподкачивающим насосом системы питания, начинающим подавать топливо к клапану при прокручивании двигателя стартером.
Во втором отверстии закрепляется трубка, соединяющая клапан со штуцером свечи накаливания. Отверстия соединены осевыми каналами с внутренней полостью клапана.
Одно из отверстий в исходном состоянии перекрыто прокладкой 8, поджимаемой к основанию пружиной 6 через подвижный якорек 4. Для исключения попадания топлива на обмотку 5 электромагнита клапана между основанием 1 и направляющей подвижного якорька 4 установлено уплотнительное кольцо 2.

Электромагнит клапана закрыт корпусом 3, край которого завальцован в кольцевой канавке основания. При подаче напряжения между выводом 7 обмотки и корпусом реле подвижный якорь вместе с прокладкой, преодолевая усилие пружины, втягивается, и клапан открывается, пропуская топливо к свече накаливания.

При включении стартера топливоподкачивающий насос через открытый клапан подает топливо к раскаленным свечам накаливания, где оно испаряется, смешивается с воздухом и воспламеняется. Возникающий при этом факел подогревает поступающий во впускные трубопроводы воздух, что обеспечивает пуск двигателя при отрицательных температурах.

На автомобилях с бортовой сетью 24 В применяются электромагнитные клапаны 11.3741, срабатывающие при подаче напряжения на обмотку не более 12 В. Они потребляют ток 0,8…1,1 А.
На автомобилях с 12-вольтовой бортовой сетью используются электромагнитные клапаны 13.3741 (рис. 5), срабатывающие при напряжении на выводах не более 6 В. Такие клапаны потребляют ток 1,6…2,2 А.
Вес электромагнитных клапанов примерно 0,4 кг.

Предпусковые подогреватели

Пуск двигателя при более низких температурах можно осуществлять с использованием предпускового подогрева. Современные предпусковые подогреватели двигателей, работающие в автономном режиме, подогревают не только охлаждающую жидкость, узлы и детали двигателя, но и картерное масло.
В результате подогрева смазочного материала снижается его вязкость и обеспечивается прокачиваемость масла по системе смазки, чем обеспечивается снижение момента сопротивления при пуске и быстрое поступление смазочного материала к трущимся поверхностям после пуска двигателя.

Выпускается много различных конструкций предпусковых подогревателей, которые обычно работают на том же топливе, что и двигатель транспортного средства.
Время подготовки двигателя к принятию нагрузки (разогрев, пуск и прогрев в режиме холостого хода) с применением предпускового подогревателя и подогрева аккумуляторной батареи при температуре 60 ˚С не должно превышать 45 минут.

На автомобилях марки «КамАЗ» устанавливаются подогреватели жидкостные ПЖД-30, обеспечивающие разогрев охлаждающей жидкости и масла в поддоне картера двигателя. Разогрев обеспечивается за счет выделения тепла при сгорания топливовоздушной смеси в горелке котла подогревателя.
Тепло от котла подогревателя передается циркулирующей вокруг него в теплообменнике жидкости системы охлаждения. Циркуляция жидкости по теплообменнику обеспечивается специальным насосом. Топливо в котел подается шестеренчатым насосом, воздух – вентилятором.
Воспламенение горючей смеси принудительное, от свечи зажигания. Продукты сгораяия через выпускную трубу направляются под масляный поддон двигателя, обеспечивая подогрев масла.
Конструкция подогревателя и его общий вид приведены на отдельной страничке сайта.

Более совершенные подогреватели 15.8106 обеспечивают автоматическое поддержание теплового состояния двигателей с жидкостным охлаждением не зависимо от работы самого двигателя.
Работа такого подогревателя управляется датчиками температуры и светочувствительным датчиком (индикатором пламени). Принципиальная схема предпускового подогревателя 15.8106 приведена на рис. 6.

Существуют, также, подогреватели, обеспечивающие, кроме разогрева двигателя, отопление кабин грузовых автомобилей и салонов автобусов независимо от работы двигателя. Они имеют аналогичное устройство с предпусковыми подогревателями.

Среди устройств автономного подогрева можно отметить электрические подогреватели ленточного типа, иногда применяемые для подогрева масла или дизельного топлива в баке, и устанавливаемые под поддоном картера грузовых автомобилей (или под топливным баком дизелей). Такие подогреватели работают от аккумуляторной батареи или генератора (при работающем двигателе).
Для подогрева масла в картере двигателей легковых автомобилей во время длительной стоянки в холодное время года иногда используют специальные щупы-нагреватели, работающие от аккумуляторной батареи и потребляющие незначительное количество энергии. Такие щупы-нагреватели вставляются в штатное гнездо вместо обычного маслоизмерительного щупа.