Совершенствование конструкций трактора МТЗ-80 оборудованного средствами облегчения пуска в зимних условиях.

Введение

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) широко применяются во всех областях народного хозяйства и являются практически единственным источником энергии в автомобилях.
Первый поршневой ДВС был создан французским инженером Ленуаром. Этот двигатель работал по двухтактному циклу, имел золотниковое газораспределение, посторонний источник зажигания и потреблял в качестве топлива светильный газ.
Двигатель Ленуара представлял собой крайне несовершенную топливную установку, неконкурентоспособную даже с паровыми машинами того времени.
В 1870 г. немецким механиком Н. Отто был создан четырехтактный газовый двигатель, работавший по предложенному французским инженером Бо де Рошем циклом со сгоранием топлива при постоянном объеме. Этот двигатель и явился прообразом современных карбюраторных двигатель.
Бензиновый двигатель транспортного типа впервые в практике мирового двигателестроения был предложен русским инженером И.С. Костовичем. В двигателе было использовано электрическое зажигание.
В 90-х годах XIX века началось развитие дизелей. Немецким инженером Р.Дизелем был разработан рабочий цикл двигателя, а в 1897 г. Р.Дизель построил первый образец работоспособного стационарного компрессорного двигателя. Но он не получил широкого распространения из-за конструктивного несовершенства. Внеся ряд изменений в конструкцию двигателя Р.Дизеля, русские инженеры создали образцы двигателей, получивших признание в России и за рубежом.
Первые образцы бескомпрессорных дизелей были разработаны русским инженером Г.В. Тринклером и построены в России. Особое внимание привлекала конструкция бескомпрессорного дизеля для трактора, разработанная русским изобретателем Я.В. Маминым.
Дальнейшее развитие двигателестроения сопровождается непрерывным интенсивным улучшением их технико-экономических показателей, увеличением моторесурса и снижением их металлоемкости.
Поэтому, и в работе, будет выполнено совершенствование конструкций двигателя Д-245 оборудованного средствами облегчения пуска в зимних условиях.

 
1. Объект и задачи исследования

1.1. Воздействие отрицательной температуры на двигатель при холодном запуске

Холодное время года является самым сложным периодом для эксплуатантов автомобильной и тракторной техники. И дело не только в том, что ухудшаются дорожные условия из-за гололеда и снега, намного больше неприятностей приносят минусовые температуры, поскольку являются причиной повышенного износа для всех узлов и агрегатов двигателя [1, 2].
Для успешного прохождения сезона необходимо заранее подготовить автомобильные и тракторные транспортные средства, чтобы адаптация двигателя к запуску в холодном климате прошла как можно безболезненней. Грамотная подготовка включает в себя целый комплекс проведенных работ, таких, как: подбор специального сезонного масла (для мотора и трансмиссии), жидкости в гидравлический усилитель руля, антифриза, проверка состояния аккумуляторной батареи и др. [3-5]
Холодный запуск двигателя, даже если температура окружающего воздуха понизилась незначительно, запуск двигателя в холодную погоду однозначно происходит хуже [1, 6]. А при сильном похолодании, даже если двигатель в прекрасном техническом состоянии будет испытывать определенные трудности.
Одним из примеров [7], может быть графическое представление расхода топлива двигателя автомобиля «Фольксваген-Паллас» в зависимости от подогрева перед выездом (рис. 1.1).
Также, в соответствии с [8], можно привести зависимость потерь топлива (рис. 1.2), которое необходимо в процессе прогрева двигателя от его первоначального состояния.


Рисунок 1.1 – Расход топлива двигателем автомобиля «Фольксваген-Паллас» в зависимости от подогрева перед выездом: 1 – без обогрева; 2 – обогрев 1час; 3 – обогрев 2часа; 4 – двигатель прогрет в движении автомобиля [7]



Рисунок 1.2 – Зависимость потерь топлива, которое необходимо в процессе прогрева двигателя от его первоначального состояния [8]
Отрицательные температуры пагубно влияют на все компоненты, от которых зависит, как работает силовая установка. Масло, как моторное, так и трансмиссионное становится значительно гуще, аккумуляторная батарея теряет свою ёмкость, дизельное топливо становится вязким, а бензин перестает хорошо испаряться [7-9].
Кроме того, мороз оказывает пагубное влияние на металл, из которого сделан двигатель. Сжимаясь, он увеличивает зазоры между деталями, тем самым уменьшая компрессию и усложняя воспламенение рабочей смеси.
В результате того, что масло сильно густеет, оно плохо проходит по системе подачи и при заводе, первое время мотор работает без смазки. Эксплуатация на сухую сильно изнашивает детали, самое большое трение испытывают: поршень, кольца, цилиндры, шейки коленчатого вала, вкладыши [10, 11]. Именно поэтому принято считать, что один пуск двигателя при низких температурах приравнивается к нескольким сотням километров пробега.
При плохой компрессии для запуска требуется больше топлива. Поступая в цилиндр на холодном двигателе, рабочая смесь проходит в увеличенные зазоры между поршневыми кольцами и оказывается в поддоне картера [1, 12].
Смешиваясь с маслом, топливо значительно ухудшает его свойства. При большом увеличении концентрации топлива (бензин или солярка) в масле, материал уже не способен полностью уберечь мотор от износа. Как следствие, мотор не только быстро изнашивается и глохнет, но и может полностью выйти из строя [1, 4].
В период зимней эксплуатации от низких температур страдают уплотнители, прокладки, сальники, все изделия, выполненные из резины. Как правило, качественная резина без проблем выдерживает температуру до
-25°С, а вот при более низких температурах начинает твердеть и пропускать рабочие жидкости [1, 5].
Кроме того, негативное влияние на резину оказывают перепады температур. После того, как происходит холодный пуск, мотор быстро и неравномерно начинает нагреваться. Как результат резких температурных перепадов, трещины в резиновых изделиях и утечки жидкостей.
Так как повлиять на погодные условия мы не в состоянии, а эксплуатации силовой установки автомобильной и тракторной техники при низких температурах не избежать, основная задача, не полениться и провести все работы по подготовке двигателя к зиме. Как показывает практика, правильно выполненные действия способны помочь избежать большинства проблем, возникающих в морозную погоду [2, 5].
В регионах, где зимние условия соответствуют средним температурным показателям, при подготовке к сезону необходимо выполнить следующие виды работ.
Первое, что необходимо сделать, производя холодный запуск двигателя, привести в движение все детали цилиндропоршневой группы. Соответственно, необходимо убедиться в способности аккумулятора и стартера выполнять свою функцию. Эффективность работы стартера напрямую зависит от того, как работает батарея. Необходимо провести её техническое обслуживание: проверить наличие и состояние электролита, провести зарядку и т.п.
Исходя из условий эксплуатации, правильно подобрать и заменить моторное масло, учитывая его характеристики. Согласно технической документации и рекомендаций производителя, подобрать нужную вязкость. Стоит помнить, что жидкие смазки облегчают пуск, но менее надежны с точки зрения защиты мотора. Кроме того, ввиду своей повышенной текучести, могут протекать через резиновые уплотнения при смене температурных режимов [1, 6].
Зимой холодный двигатель плохо заводится в случае, когда появляются пропуски зажигания. Для устранения проблемы необходимо проверить и поменять свечи в бензиновых силовых установках, а форсунки – в дизельных. Кроме того, проверить надо и другие элементы, связанные с зажиганием, например, высоковольтные провода.
Перед эксплуатацией двигателя в холодное время года не лишним будет поменять фильтры: воздушный, масляный, топливный.
Чтобы не повредить мотор, во время резкого похолодания, необходимо проверить состояние и уровень антифриза. Наличие в нем большого количества воды чревато замерзанием и последующим разрывом рубашки охлаждения агрегата [12-17].
Залить в бак качественное топливо. Особенно это актуально для дизельных двигателей, чувствительных к содержанию парафина в солярке. Топливо должно соответствовать климатическим условиям эксплуатации, поскольку бывает зимним и летним. Зимнее топливо адаптируют под низкие температуры, у бензина повышают испаряемость, солярку делают более жидкой.
Перед поездкой двигатель заводится и обязательно прогревается. В зимний период это особенно важно, поскольку запустить и сразу нагрузить холодный мотор чревато еще большим износом [17, 18].
В случае, если температура понижается до -30°С и ниже, самым простым и в то же время правильным вариантом будет поставить автотракторную технику в отапливаемый гараж.
Провести утепление двигателя и капота, это позволит быстрей прогреть только что заведенный мотор и не даст ему быстро остыть при коротких остановках.
Если есть возможность, реализовать подогрев моторного масла в поддоне двигателя. Особенно актуально для районов с экстремально низкими температурами. На рынке существует большое количество различных приспособлений, подогревателей, которые значительно могут облегчить жизнь автомобилисту. Единственным их недостатком является цена.
Реализация всех этих решений потребует немалых затрат и времени, однако, все это стоит того, поскольку сохранит силовую установку в рабочем состоянии даже в самый лютый мороз, когда двигатель очень плохо заводится на холодную.
Благодаря проделанной работе двигатель автотракторной техники сможет легко завестись, ровно работать, меньше потреблять топлива при прогреве и не так быстро остывать.


1.2. Краткий обзор средств облегчения пуска дизельных двигателей

Большую неприспособленность к условиям зимней эксплуатации имеют дизельные двигатели. Это вызвано тем, что достичь самовоспламенения топлива внутри цилиндров холодного дизельного двигателя гораздо труднее, чем принудительного воспламенения топлива от искры – для карбюраторного двигателя. Так, чтобы обеспечить самовоспламенение топлива при температурах от нуля до минус 5 С, уже требуются минимальные пусковые обороты коленчатого вала значительно выше 50 мин-1, а при температурах ниже минус 15 С пуск дизеля без применения специальных средств облегчения пуска становится невозможным. Объясняется это тем, что с дальнейшим понижением температуры резко увеличивается величина необходимых минимальных пусковых оборотов двигателя. Именно в связи с этим, системы пуска многих дизельных двигателей тракторов до настоящего времени оснащаются специальными пусковыми бензиновыми двигателями, от которых раскручиваются коленчатые валы дизелей до нужной пусковой частоты вращения [11-15, 18-27].
На большинстве отечественных автомобильных дизельных двигателях, с целью снижения минимальных пусковых оборотов коленчатого вала и для достижения возможности использовать более дешевую и удобную в эксплуатации электростартерную систему пуска дизеля, используется электрофакельное (или аналогичное по назначению) устройство (ЭФУ), которое обеспечивает разогрев воздуха во впускном трубопроводе перед его поступлением в цилиндры двигателя. Благодаря такому устройству предельная температура пуска может снизиться до минус 25 С (конечно при условии использования зимнего дизельного топлива и соответствующего масла). Однако, в реальных условиях достичь этого оказалось возможностью также маловероятной, так как эксплуатация автомобильной техники с ЭФУ выявила их низкую надежность работы из-за частого засорения жиклеров и закоксовывания свечей накаливания, а также существенного потребления энергии аккумуляторных батарей на разогрев свечей (величина потребляемого тока ЭФУ достигает 24А, а время включения - не менее 45 сек.). Это особенно сказывается при разряде аккумуляторных батарей близкому к предельному (25%), для зимних условий эксплуатации. Кроме того, эффективное применение ЭФУ требует определенных знаний и навыков умелого обращения с ним [11, 28].
Для более качественного решения проблемы пуска двигателей в холодное время года, заводы-изготовители оснащают некоторые свои изделия (как правило, только по согласованию с заказчиком) автономными индивидуальными подогревателями, обеспечивающими разогрев двигателей перед их пуском. В последнее время появились подогреватели, обеспечивающие не только предварительный разогрев, но и автоматическое поддержание теплого состояния двигателя в заданном интервале температур и времени. Однако, из-за существенного увеличения стоимости готового изделия и отсутствия необходимости в таком устройстве в летний период времени, да и в зимнее время оно востребуется лишь периодически – широкомасштабного применения индивидуальные подогреватели пока не находят.
Для решения проблемы пуска холодных двигателей в крупных автотранспортных предприятиях используют различные стационарные установки для разогрева двигателей паром, горячим воздухом, применяют источники инфракрасного излучения, передвижные пусковые установки (тележки), монтируют теплоэлектронагреватели в систему охлаждения двигателей и т.п. В некоторых автохозяйствах выделяются на ночное время специальные люди, которые осуществляют периодические пуски двигателей не давая им остывать.
Понятно, что такие способы облегчения пуска двигателей и поддержания их в горячем состоянии требуют очень больших затрат, как на оснащение ими автотранспортных предприятий, так и на дальнейшую их эксплуатацию и содержание. Стоимость каждого такого пуска двигателя получается очень высокой.
Значительно уменьшить затраты времени и средств для пуска холодного двигателя позволяет применение пусковой жидкости (ПЖ), которая впрыскивается во впускной тракт двигателя в момент вращения стартером коленчатого вала двигателя. Эффект достигается за счет снижения минимальных пусковых оборотов, т.к. основу ПЖ составляет этиловый эфир, обладающий по сравнению с основным топливом, более низкой температурой самовоспламенения, очень большой летучестью (температура кипения 34,5 С) и широкими пределами принудительного воспламенения, что обеспечивает его сгорание в