Анализ условий эксплуатации дизельных двигателей в условиях пониженных температур Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 631.372

Г. А. Борисов, д-р техн. наук, профессор,

И. Н. Колодяжная, канд. техн. наук,

Ю. В. Ичанкин, аспирант, Рязанский государственный агротехнологический университет имени П. А. Костычева

АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ПОНИЖЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР

Вопрос эксплуатации техники, оснащенной дизельными двигателями, в холодный период является очень острым, так как основу машиннотракторного парка АПК 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. Однако, по-прежнему острой остается проблема обеспечения хозяйств зимними сортами топлива (рисунок 1). Так, проведенный журналистами авторитетного автомобильного издания в декабре 2011г. рейд по АЗС Центрального Федерального округа показал, что даже на фирменных заправках под видом зимнего продается обычное летнее дизельное топливо (ДТ).

Начиная с 2010 года восстановление экономики привело ко вновь возникшему спросу на ДТ, и уже в 2011 потребление ДТ достигло максимального докризисного уровня - 1284,4 млн. тонн. По оценкам экспертов, прогнозируется его дальнейший рост примерно на 4,4-4,9% ежегодно. Такие перспективы обусловлены увеличением дизельного автопарка не только в России, но и во всем мире.

Основными потребителями дизельного топлива являются: железнодорожный транспорт, грузовой автотранспорт, водный транспорт и сельскохозяйственная техника, в последнее время также легковой дизельный автотранспорт.

Из приведенных данных видно, что прогнозируемая динамика спроса на дизельное топливо, вероятнее всего, приведет к его дефициту и увеличению цен в этом сегменте, так как суммарный объем производства дизтоплива всех российских НПЗ не в состоянии покрыть такой уровень спроса. Как уже отмечалось, особенно остро дефицит ощутим в межсезонье и зимний период, когда возрастает интерес к зимнему ДТ, которое, в свою очередь, выпускается в недостаточном количестве из-за более высокой стоимости производства.

Нехватка зимних и арктических сортов дизельного топлива, вызванная прежде всего технологическим отставанием отечественной переработки нефти и повышенным спросом, в том числе и на зарубежных рынках, приводит к постоянному росту цен на дизельное топливо, а также к увеличению доли низкокачественных и фальсифицированных продуктов.

А так как крупнейшим потребителем дизельного топлива в стране является агропромышленный сектор, то при отсутствии единой системы поставок и контроля качества топлива, предназначенного для сельскохозяйственной техники, велика вероятность приобретения и использования некачественных эксплуатационных материалов и даже круглогодичное использование летних сортов дизельного топлива.

А если используется низкокачественное зим-

© Борисов Г. А., Колодяжная И. Н., Ичанкин Ю. В., 2013

нее или вообще летнее топливо, то пуск дизеля в условиях пониженных температур затруднен или просто невозможен. Причиной является нарушение работоспособности системы топливоподачи, то есть невозможность обеспечения определенной прокачиваемости в топливной системе.

Нарушения в прокачиваемости могут быть связаны с обильным загрязнением топлива механическими примесями, смолистыми веществами, микробиологическими осадками. Важное значение имеют также конструктивные особенности топливных насосов, фильтров, топливопроводов, форсунок.

Но наиболее важным фактором является скорость нарастания вязкости при охлаждении топлива, которая зависит от строения и молекулярной массы углеводородов. Исследования показали, что в первую очередь выпадают парафиновые

углеводороды нормального строения, причем это зависит не столько от их количества, сколько от их распределения по молекулярным массам. Необходимым условием начала процесса выпадения из топлива твердых углеводородов является наличие центров кристаллизации. Выделение кристаллов парафина приводит к забиванию фильтров и топливопроводов, что может привести к их повреждению и выходу из строя прецизионных деталей топливной аппаратуры.

На рисунке 2 приведены основные пути повышения работоспособности топливоподающей системы дизелей в условиях пониженных температур.

Известно, что основными параметрами топливных фильтров, влияющими на их работоспособность при пониженных температурах окружающего воздуха, являются площадь фильтрующего

Рис. 1 - Процентное соотношение видов дизельного топлива

Рис. 2 - Основные пути повышения работоспособности топливоподающей системы дизелей в условиях пониженных температур

элемента и размер пор фильтрующего материала.

Увеличение площади фильтрующего элемента при определенных условиях может предотвратить полное его забивание до того времени, пока топливо, поступающее к фильтру, не прогреется и не растворит слой парафина, образующийся на поверхности элемента. Поэтому рекомендуется использовать фильтры больших размеров. Данный способ можно отнести к общим рекомендациям, применимым не только при эксплуатации в условиях пониженных температур, к тому же фильтры с повышенным запасом фильтрации имеют высокую цену.

Чем крупнее поры фильтрующего материала, тем медленнее происходит их забивание кристаллами парафиновых углеводородов. Однако размеры пор не могут превышать определенного значения, необходимого для надежной защиты прецизионных пар топливной аппаратуры. К тому же производители, стремясь повысить эксплуатационные и экологические качества дизельных двигателей, постоянно повышают степень фильтрации. Например, стандартные топливные фильтры Caterpillar задерживают частицы размером от 15 микрон, а фильтры CAEFF благодаря мелкоячеистому фильтрующему материалу способны уловить 98% частиц размером от 4 микрон.

На рисунке 3 показано, что даже невидимые частицы (менее 80 микрон) способны привести к износу форсунок и ухудшению эксплуатационных характеристик дизеля.

Таким образом, применение крупнопористых фильтрующих материалов оправдано лишь в топливных фильтрах с последовательно расположенными фильтрующими элементами, где второй фильтрующий материал имеет высокую степень фильтрации. Однако такие фильтры сложны в изготовлении и имеют высокую стоимость.

Для улучшения низкотемпературных свойств дизельного топлива, в том числе прокачиваемо-сти, его разбавляют другим видом топлива (керосин, бензин) или добавляют специальные депрес-сорные присадки.

Разбавление летнего дизельного топлива бен-

зином или керосином допускается лишь в качестве временной меры. Кроме повышения материальных затрат, ухудшения смазывающих качеств, падения мощности двигателя, это приводит еще и к повышению пожарной опасности. А уже при незначительной отрицательной температуре в дизельном топливе начинают образовываться кристаллы парафина.

Известно, что зимнее дизельное топливо получают двумя способами. Первый - депарафини-зация, когда на стадии производства из состава солярки удаляют углеводороды с высокой температурой плавления. Однако, данный способ дорог и малопривлекателен ввиду того, что выход дизельного топлива из сырой нефти уменьшается по сравнению с летним почти в два раза.

Другой способ, напротив, широко распространен благодаря своей дешевизне и технологичности. Он заключается в добавлении депрес-сорных присадок, способствующих замедлению роста кристаллов парафиновых углеводородов и уменьшению их размеров до 3-5 мкм, в результате чего уменьшается интенсивность снижения пропускной способности фильтров и трубопроводов. Правильно подобранная депрессорно-дисперги-рующая присадка, добавленная к летнему дизтопливу, позволит эффективно использовать летнее топливо даже при -15°С. Начиная с 1981г. таким образом вырабатывают зимнее дизельное топливо марки ДЗп. Добавка сотых долей присадки обеспечивает снижение предельной фильтруемости до -15°С, а температуры застывания - до -30°С. Основную часть зимнего дизельного топлива у нас получают именно по этой технологии.

В таблице 1 представлены результаты испытаний дизельного топлива Л-0,2-62 и смеси (дизельное топливо Л-0,2-62 + 0,02% ДДП-Антигель).

Влияние присадок зависит от фракционного состава топлива; получение топлива с высокими потребительскими качествами требует дорогостоящего оборудования, что вызывает удорожание топлива. К тому же введение присадки депрессор-но-диспергирующего типа должно производиться при температуре дизельного топлива как минимум

Рис. 3 - Соотношение частиц, способных привести к повреждению топливной системы дизеля

Таблица 1 - Результат испытании дизельного топлива Л-0,2-62 и смеси (дизельное топливо Л-0,2-62 +

0,02% ДДП-Антигель)

Наименование показателя Метод испытания (ГОСТ) Результат испытаний

Дизельное топливо летнее (Л-0,2-62) Смесь (дизельное топливо Л-0,2-62 + 0,02% ДДП-Антигель)

Предельная температура фильтруемости, °С ГОСТ 22254-92 -9 -20

Температура застывания, °С ГОСТ 20287-91 -17 -32

на 2-7°С выше, чем температура начала помутнения данного топлива. В ином случае присадка ДДП-Антигель может не сработать или сработает слабо. Если дизельное топливо уже помутнело, то перед добавлением присадки его следует разогреть до полного растворения парафинов и только потом добавлять депрессор (растворение парафинов происходит при 30-40°С).

Эффективным средством предотвращения образования кристаллов парафиновых углеводородов, а также льда, является применение подогрева дизельного топлива в системе топливоподачи двигателя до температуры выше температуры плавления парафиновых кристаллов. Источником тепловой энергии для подогрева дизельного топлива могут служить как теплоносители, прогреваемые самим дизелем (сливаемое топливо, охлаждающая жидкость, моторное масло, отработавшие газы и др.), так и электрическая энергия, получаемая из промышленной сети электрического тока или бортовой сети дизеля. Подогревательные устройства могут быть расположены на различных участках системы питания, начиная от топливного бака до форсунки. Однако, с целью поддержания работоспособности топливных фильтров, наиболее приемлем подогрев топлива в непосредственной близости от них, так как накопление кристаллов парафиновых углеводородов и льда в фильтрующем элементе более вероятно и опасно.

Подогреватели дизельного топлива, использующие тепловую энергию теплоносителей, циркулирующих в системах дизеля, являются теплообменниками или смесителями. Такие устройства обеспечивают достаточный нагрев дизельного топлива только после пуска и прогрева дизеля до рабочей температуры. Данные устройства очень эффективны в борьбе с парафинизацией топлива в системе топливоподачи после запуска. Но все же их применение оправдано только совместно со средствами облегчения пуска.

На сегодня наиболее перспективным является применение подогревателей, использующих электрическую энергию. Источником обычно служит промышленная сеть 220В, но популярность набирают и подогреватели, получающие энергию от бортовой электрической сети дизеля. Для со-

средоточенных машинных парков предпочтителен первый вариант как более быстрый, безопасный и экологически чистый. Однако опыт показывает, что при недостаточной мощности электросети не обеспечивается необходимая потребляемая мощность бортовых электроподогревателей. Кроме того, этот вариант предпускового подогрева хорош для машин, работающих сосредоточенно. Поэтому широко предлагаются и бортовые подогреватели, возрастающая популярность которых объясняется универсальностью и возможностью в любой момент обеспечить подогрев дизельного топлива перед пуском и после него. Однако в этом случае необходимы мощные аккумуляторные батареи и генератор повышенной мощности для питания большего числа потребителей.

С целью обеспечения надежного пуска дизеля в период работы стартера электрический подогрев топлива, как правило, автоматически отключается.

Мощность Р, потребляемая электрическим подогревателем, приближенно рассчитывается, исходя из количества тепловой энергии, требующейся для подогрева потока топлива через фильтр до определенной температуры,

P=Qc|t1-t2 |/п,

где Q - расход дизельного топлива через фильтр; с - удельная теплоемкость дизельного топлива; 1, и ^- температура дизельного топлива до подогревателя и после него; п- тепловой КПД подогревателя.

В зависимости от размерности дизеля мощность электрического подогревателя заметно меняется и для мощных дизелей достигает 600Вт.

В настоящее время широко известны и активно применяются подогреватели фильтров предварительной и тонкой очистки топлива. Менее известны подогреватели топливных магистралей, топливных баков и топливозаборников. И только узкому кругу специалистов известны устройства подогрева дизельного топлива в головке топливного насоса и форсунке.

Из наиболее удачных конструкций следует отметить фильтры-сепараторы SEPAR 2000 с подогревом топлива фирмы SEPARTM (ФРГ).

Расположенный внутри отстойника Separ 2000 нагревательный элемент подогревает поток то-

плива, растапливая парафиновые хлопья и предотвращая их новообразование. Тем самым удается избежать забивания фильтра тонкой очистки и других элементов топливной системы автомобиля.

При использовании стандартных настроек подогрев топлива в фильтре происходит только при работающем двигателе.

Управление подогревом осуществляется автоматическим реле, включающим нагревательный элемент при температуре топлива ниже +5°С и выключающим его при температуре выше +10°С. Это означает, что даже если система активирована, при температуре топлива выше +10°С потребления электроэнергии не происходит. О включении нагревательного элемента сигнализирует контрольная лампочка на блоке управления фильтром в кабине водителя. В аварийных случаях, когда температура превышает +80°С, нагревательный элемент отключается с помощью теплового предохранителя, смонтированного внутри корпуса фильтра вместе с реле.

Для предотвращения замерзания топлива в подающем топливопроводе специалисты рекомендуют использовать подогреватели топлива ThermoLineтм фирмы ЕЬегера^егтм, обеспечивающие бесперебойную работу двигателя при любых морозах. Они обладает свойствами саморегулирования, отличается надежностью и долговечностью конструкции и не имеет движущихся узлов. Этот подогреватель экономит ресурс двигателя, так как обеспечивает подачу уже подогретого топлива при запуске, уменьшает расход топлива на 5-10%, предотвращает издержки при простое по причине замерзания топливопроводов.

Особенностью подогревателей топлива ThermoLine, является саморегулирование - без термостата, путем применения саморегулиру-

ющихся нагревательных элементов с положительным температурным коэффициентом (пози-сторов). Применение ThermoLineТМ исключает потерю мощности и остановку двигателя, обусловленную забиванием фильтра, и обеспечивает запуск двигателя при температурах до -40°С. Управление осуществляется с приборной панели в кабине водителя. Устанавливается очень просто - заменяется отрезок топливопровода (рисунок 4).

Но все же, применение локального подогрева участков топливной системы во многих случаях является недостаточным для восстановления подачи топлива к двигателю. И общепризнано, что будущее за применением комплексных систем подогрева дизельного топлива, отличающихся своей высокой эффективностью. На сегодняшний момент на постсоветском пространстве лидером в разработке, производстве и внедрении комплексного подогрева дизельного топлива является белорусская фирма НОМАКОН ^ОМАСО^, осуществляющая свою деятельность с 1993 года. Специалистами данной фирмы разработаны системы подогрева дизельного топлива автоматические (СПА), которые предназначены для комплексного решения задачи подогрева дизельного топлива с использованием отдельных подогревателей, объединенных в единую систему, управляемую автономным электронным блоком (таблица 2). СПА осуществляют предпусковой и маршевый подогрев топлива без участия водителя, чем существенно упрощают эксплуатацию дизельной техники в условиях пониженных температур. Помимо подогревателей, СПА включают датчик температуры топлива (Д1) и блок управления (БУ1), устанавливаемые в моторном отсеке, а также пульт управления (ПУ1), устанавливаемый в кабине автомобиля.

Система подогрева дизельного топлива авто-

Рис.4 - Обогреватель топливопровода ThermoLine ^N-024-600

Таблица 2 - Основные технические характеристики систем подогрева дизельного топлива автоматических (СПА) фирмы НОМАКОН™

№ Наименование СПА-101

1 Напряжение питания постоянного тока, В 24

2 Максимальная потребляемая электрическая мощность, потребляемая в автоматическом режиме, Вт 425

Максимальная электрическая мощность, Вт, по каналам, обозначение

Максимальная электрическая мощность, Вт, по каналам, обозначение 250

2 (ПП) - подогреватель проточный ПП-101 (102), ЭНГЛ-1 400

3 3 (ПФ) - подогреватель фильтра-сепаратора ПС-101, ПС-201 ЭНГЛ-1 400

4 (НЭ) - насадка топливозаборника подогреваемая НТП-101 (102), НТП-201 (202), электрический нагреватель топливозаборника 150

5 (КР) - электромагнитный клапан управления жидкостным подогревом топливозаборника 25

4 5 (КР) - электромагнитный клапан управления жидкостным подогревом топливозаборника -40°С до +45°С, ХЛ2

5 Управление подогревом Автоматическое, ручное

6 Маркировка взрывозащиты 1ExibIIT3

7 Максимальный ток при включении, А, не более 20

матическая обеспечивает:

• автоматическое включение подогрева при понижении температуры топлива ниже предельной температуры подогрева;

• автоматическое выключение подогрева при повышении температуры топлива выше предельной температуры подогрева;

• оперативное управление подогревателями по заданной программе с изменением времени и режима подогрева в зависимости от температуры топлива;

• отключение подогрева при падении напряжения бортовой сети автомобиля ниже порогового уровня, при выходе из строя подогревателей, при коротком замыкании.

Эффективность применения системы подогрева дизельного топлива (СПА) Номаконтм доказана опытом эксплуатации как на отечественных, так и на зарубежных образцах дизельной техники. Имея определенные недостатки, в первую очередь, уступая в надежности иностранным образцам, СПА имеет большой потенциал и низкую цену. Нами на базе данного изделия белорусской фирмы создается его аналог, отличающийся иной конструкцией подогревателя топливопровода. Данное усовершенствование позволит повысить надежность и температуру подогрева дизельного топлива, не увеличивая цены устройства, при этом сохраняя простоту установки и эксплуатации.

Библиографический список

1. Двигатели внутреннего сгорания: Устрой-

ство и работа поршневых и комбинированных двигателей: Учебник для студентов вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания»/ В.П.Алексеев, В.Ф.Воронин, Л.В.Грехов и др.; Под общ.ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова.- 4-е изд., пере-раб. И доп.- М.:Машиностроение, 1990.-288с.:ил. Оберемок В.З., Юрковский Ю.М.

2. Пат.2102438 Российская Федерация МПК C10L1/18. Депрессорная присадка для получения зимнего дизельного топлива/Никитин Н.А., Никонов.А.М., Попович П.Р,Токарев М.С.,Черников Г.Е., Шерстнев М.П..; заявитель и патентообладатель ЗАО «Регул-ТМ»-96116639/04; заявл.15.08.99; опубл.20.01.98, -2.с.

3. Григорьев М.А., Борисова Г.В., Пхакадзе

Г.А. Пути обеспечения работоспособности топливных фильтров дизелей в условиях отрицательных температур/ Григорьев М.А., Борисова Г.В., Пхакадзе Г.А.//Двигателестроение.-1991.-№10-

11.-с.40-42.

4. Топливо для автотракторной техники: Справочник: учеб. Пособие для студентов учреждений сред. Проф.образования/ А.П.Картошкин.-М.: Издательский центр «Академия», 2012.-192с.

5. Фильтры Caterpillar: взгляд изнутри. 2008 CaterpiNar.-^a

6. Сайт фирмы НомаконТМ [Электронный ресурс]. - Минск: НомаконТМ, 1993.- Режим доступа: http://www.nomacon.by, свободный. - Загл. с экрана.