Эксплуатация и расход топлива при низких температурах

Одним из важнейших факторов, снижающих, эффективность автомобилей, работающих на территории с суровыми климатическими условиями, является большое количество времени, затрачиваемое на их подготовку к выпуску на линию в условиях их безгаражного хранения. Главным путем снижения этих потерь является применение наиболее эффективных способов и средств хранения подвижного состава.

Содержание технически исправного подвижного состава на открытых площадках, обеспечивающее его готовность или использование по назначению, называют безгаражным хранением. В настоящее время даже в суровых климатических условиях от 30 до 50% грузового парка хранится на открытых площадках.

При безгаражном хранении при низких температурах используются различные способы и средства, облегчающие выпуск автомобилей на линию. Под способом безгаражного хранения понимается комплекс организационно-технических мероприятий, направленных на обеспечение надежного пуска двигателя и подготовку автомобиля (прогрев агрегатов, кабины, салона) к работе на линии. К средствам безгаражного хранения относятся оборудование, приспособления и материалы, позволяющие применять тот или иной способ.

Как способы, так и средства безгаражного хранения могут быть индивидуальными или групповыми. Применение большей части способов связано с тепловой подготовкой автомобиля. Тепловая подготовка – обобщенный термин, не раскрывающий ее способа, но указывающий на факт подачи тепла от внешнего источника. Он осуществляется с помощью подогрева или разогрева.

Подогрев автомобиля – тепловая подготовка его в течение всего периода межсменного хранения. Разогрев – тепловая подготовка, начинающаяся за время, меньшее продолжительности стоянки автомобиля между сменами.

Важную роль в организации хранения подвижного состава играет комплекс мероприятий по подготовке автомобилей к их работе зимой.

Затруднения пуска двигателей возникают из-за сложности создания пусковой частоты вращения коленчатого вала, ухудшения условий смесеобразования и воспламенения смеси. Для обеспечения надежного пуска двигателя необходимо, чтобы частота вращения коленчатого вала была равна или превышала минимальную частоту вращения, обеспечивающую процесс подготовки рабочей смеси в карбюраторном двигателе или достаточную температуру конца сжатия в дизельном. Минимальная пусковая частота вращения коленчатого вала зависит от температуры окружающего воздуха и изменений в распределении положительных и отрицательных потоков энергии при пуске, связанных с температурой окружающей среды.

К положительным составляющим энергетического баланса двигателя при пуске относятся энергия аккумуляторной батареи (АБ) и химическая энергия топлива. Энергия АБ расходуется на привод стартера. В свою очередь, энергия стартера реализуется на сжатие воздуха, на преодоление сил трения, на преодоление сил инерции. Отрицательную часть потока энергии АБ и стартера составляет теплота, которая уходит безвозвратно в окружающую среду. Эти потери тем больше, чем больше перепад температур между АБ и стартером с одной стороны и окружающей среды – с другой.

Таким образом, в рассматриваемом диапазоне температур основной составляющей необходимого крутящего момента стартера является момент на преодоление сил трения (от 30 до 80%), на втором месте Мк (15 – 40%). Момент Ми, на преодоление сил инерции требует лишь от 1 до 3 % затрат энергии стартера. Характерно, что моменты Мк и Ми практически не изменяются при изменении температуры. Момент же Мг даже в рассмотренном ограниченном диапазоне температур изменяется почти в 3,5 раза главным образом из-за увеличения при снижении температуры вязкости масла.

Затраты на сжатие воздуха связаны главным образом с увеличением внутренней энергии рабочего тела и температурой воздуха. Полученная таким образом энергия проявляется в теплоте сгорания.

Второй положительной составляющей энергетического баланса двигателя при пуске является химическая энергия топлива.

Теплота сгорания топлива, полученная в результате суммирования энергии АБ, энергии, реализуемой в работе сжатого воздуха, и химической энергии топлива в свою очередь влияет на другие составляющие энергетического баланса двигателя при пуске.

Суммарная энергия, полученная от указанных источников, несколько повышает температуру масла и расходуется на снижение потерь на трение. Однако как температура охлаждающей жидкости, так и температура масла могут быть повышены не только описанным способом (чего при низких температурах крайне недостаточно), но и путем применения внешних источников теплоты – подогревателей масла и охлаждающей жидкости.

На получение пусковой частоты вращения коленчатого вала двигателя в большем мере влияет снижение энергетических возможностей АБ, которое в первую очередь происходит из-за изменения ее внутреннего сопротивления.

При понижении температуры ЭДС изменяется незначительно. И то же время при разряде батареи стартерными токами существенно возрастает произведение IR, что происходит не только за счет увеличения силы разрядного тока, но и за счет роста внутреннего сопротивления АБ. Сопротивление пластин и перемычек практически не зависит от температуры. С понижением температуры возрастает сопротивление электролита, а также внутреннее сопротивление сепараторов за счет сужения каналов, в которых находится электролит. Одновременно с падением напряжения U при низких температурах понижается и емкость аккумуляторной батареи. В среднем при понижении температуры электролита на 1 °С емкость АБ снижается на 1,0–1,5%. При температурах электролита ниже минус 30 °С батарея не принимает заряд и фактически эксплуатируется разряженной до 50–60% номинальной емкости. Снижение возможностей пускового устройства при низких температурах затрудняет получение максимальной пусковой частоты вращения коленчатого вала двигателя, а ухудшение условий смесеобразования и воспламенение рабочей смеси существенно затрудняют пуск двигателя.

На воспламенение смеси в цилиндрах дизельного двигателя влияет температура всасываемого воздуха, охлаждающей жидкости, масла, электролита и топлива. Снижение температуры всасываемого воздуха приводит к охлаждению стенок цилиндров и снижению температуры воздуха в конце такта сжатия. Для надежного воспламенения рабочей смеси в цилиндре дизеля температура конца сжатия должна быть выше температуры самовоспламенения топлива на 200–300 °С.

В зимнее время температура всасываемого воздуха снижается. Кроме того, из-за увеличения теплоотдачи от находящегося в цилиндрах двигателя воздуха в холодные стенки двигателя уменьшается значение показателя политропы сжатия. Таким образом, при снижении температуры окружающего воздуха температура конца сжатия уменьшается и, следовательно, ухудшаются условия воспламенения смеси и пуск двигателя. Эффект снижения температуры охлаждающей жидкости, масла и электролита АБ у карбюраторного и дизельного двигателя аналогичен.

При снижении температуры дизельного топлива с +20 °С до –20 °С вязкость дизельного топлива увеличивается в 8–10 раз. При этом топливо плохо распыляется и попадает в цилиндры двигателя в виде сравнительно крупных капель с малой относительной поверхностью. Это затрудняет его воспламенение. Кроме увеличения вязкости, охлаждение топлива приводит к перебоям и нестабильности работы двигателя.

Преодоление трудностей с пуском двигателя и поддержанием теплового режима агрегатов при безгаражном хранении автомобилей в условиях низких температур обеспечивается тремя способами: сохранением тепла от предыдущей работы двигателя; использованием тепла от внешнего источника; применением средств, обеспечивающих холодный пуск двигателя.

Сохранение тепла в двигателе от предыдущей работы. При этом способе сохранение тепла обеспечивается применением ватных стеганых чехлов, закрывающих радиатор и капот автомобиля. Аккумуляторная батарея утепляется чехлом и слоем стекловаты толщиной до 30 мм. Чехлами утепляют также картер двигателя, топливный бак и масляный фильтр.

Продолжительность остывания двигателя до допустимых пределов при утеплении чехлами и скорости ветра 1–5 м/с колеблется от 8 ч при 0 °С до 0,5 ч при –30 °С. Этот способ применяется при непродолжительных остановках автомобилей в пути или при его кратковременном хранении на стоянках в условиях умеренно низких температур. Применение чехлов при подводе тепла к агрегатам от внешнего источника уменьшает расход тепла на 40–50%.

Использование тепла от внешнего источника. Для пуска двигателя этот способ применяется при длительном хранении автомобиля – в межсменное время. Тепло от внешнего источника при этом может быть использовано в режиме подогрева двигателя или его разогрева.

Степень подогрева (разогрева) двигателя оценивают по температуре охлаждающей жидкости в рубашке охлаждения блока цилиндров. Учитывая, что при длительном подогреве разница в температурах рубашки охлаждения и наиболее холодных частей двигателя (подшипников коленчатого вала) меньше, чем при разогреве, температура в головке цилиндров должна быть при подогреве 40–60 °С, а при разогреве 80–90 °С.

Необходимая теплопроизводительность источника тепла может характеризовать капитальные затраты на оборудование средств безгаражного хранения. Эксплуатационные расходы в каждом случае можно определить по общему расходу тепла на подготовку одного автомобиля.

Применение режима использования тепла, при котором необходима высокая теплопроизводительность источника (разогрев), связана с использованием мощных источников тепла и соответственно со значительными капитальными затратами. Расчеты показывают, что эксплуатационные расходы при этом получаются в этом случае сравнительно небольшими, так как время -подвода тепла незначительно.

И, наоборот, при режиме малой теплопроизводительности (подогрев) требуются менее мощные и более дешевые источники тепла. Капитальные затраты при этом оказываются небольшими, а эксплуатационные расходы вследствие того, что т в этом случае велико, получаются весьма значительными. Поэтому первый режим целесообразно при прочих равных условиях применять тогда, когда имеется возможность использования источника тепла в течение определенного срока окупаемости, т. е. при расположении предприятия в одном месте. Второй режим должен применяться при временном размещении транспортных средств автосервиса (на строительстве линий электропередач, газопроводов и т. д.). Выбор режима использования тепла определяется, кроме того, особенностями использования подвижного состава, необходимостью постоянной готовности, наличием источников энергии и др.

Экономия и рациональное использование топлив в двигателях внутреннего сгорания могут быть достигнуты тремя комплексами мероприятий:

а) усовершенствованием конструкции и технологии производства двигателей;

б) улучшением эксплуатации двигателей;

в) повышением качества топлива и смазочных материалов.

Метод изучения проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов должен быть построен на строго системном подходе. Рассмотрим структуру этой системы, т. е. ее основные компоненты и взаимосвязи. В общем виде она должна рассматриваться как замкнутая система с обратными связями, состоящая из трех основных звеньев: двигатель — топливо и смазочные материалы (ТСМ) — комплекс эксплуатационного воздействия (КЭВ).

Каждое из этих звеньев системы в свою очередь состоит из отдельных элементов с прямыми и обратными связями. Следовательно, совокупность элементов в реальной эксплуатации представляет собой сложную, находящуюся в движении подсистему.

При эксплуатации двигателя на его топливную экономичность оказывают влияние следующие элементы, составляющие подсистемы каждого из звеньев.

Звено ДВС 1 - рабочий цикл; 2 - преобразователь индикаторной работы в эффективную (поршневая группа и кривошипно-шатунный механизм); 3 — техническое состояние двигателей.

Звено ТСМ: 1 - теплота сгорания топлива; 2 - детонационная стойкость, склонность к самовоспламенению (ОЧ, ЦЧ); 3 — фракционный состав; 4 — вязкостно-температурные свойства ТСМ.

Звено КЭВ: 1 — научно обоснованная система нормирования расхода ТСМ; 2 - уровень и эффективность контроля за расходованием ресурсов; 3 — организация перевозок грузов и пассажиров; 4 — техническое состояние транспортных средств 5 — квалификация и дисциплина технического персонала, занятого в сфере эксплуатации транспортных средств.

Для обеспечения экономии топлива необходимо осуществить ряд организационно-технических мероприятий. По первому звену: двигатель должен соответствовать современному, а лучше перспективному техническому уровню. Различными конструктивными и технологическими мерами его топливная экономичность по ездовому циклу должна быть доведена до уровня лучших мировых образцов. Если применить наиболее эффективные средства повышения топливной экономичности, например, двигателей с искровым зажиганием (комплексную адаптивную микропроцессорную систему управления силовым агрегатом, расслоение заряда, интенсификацию его вихре- образования и ряд других), то можно ожидать улучшения топливной экономичности по ездовому циклу до 15 %.

По второму звену системы: для эксплуатации транспортного средства, имеющего адаптивную систему угла опережения зажигания по критерию детонации, как показывают опытные данные, при неизменной степени сжатия октановое число бензина может быть понижено на 5—7 единиц. Например, бензин АИ-93, рекомендуемый для данного двигателя без адаптивной системы, может быть заменен бензином А-76 (имеющим меньшую стоимость).

Следует полагать, что для нового двигателя будут применены высоко индексные моторные масла с антифрикционными присадками. Использование таких масел позволит не только уменьшить расход топлива в период пуска и прогрева (сократив их продолжительность и понизив гидродинамические потери), но и увеличить механический КПД (путем уменьшения коэффициента трения). Эти мероприятия позволят сократить расход топлива на 5 - 10 %.

По третьему звену: комплекс КЭВ на различных этапах действий его элементов положительно воздействует на эксплуатационно-топливную экономичность транспортного средства в целом.

В реальных условиях все элементы этих звеньев не всегда могут дать положительный эффект, но несомненно, что их положительное или отрицательное влияние в той или иной мере проявится.

До тех пор, пока будут существовать двигатели, потребляющие масло, вопрос о его расходе будет оставаться актуальным. Для того, чтобы снизить расходы на содержание техники, не только водители легковых автомобилей, но, в основном, судовладельцы заинтересованы в минимальном расходе масла. Сегодняшние стандарты по ограничению количества выхлопных газов EURO 1 и 2 требуют минимального расхода масла, это является также необходимым условием для безотказной работы катализатора. Все эти моменты обязательно учитываются при разработке двигателя. На расход масла оказывают влияние многие факторы. В этой статье мы рассмотрим некоторые из них, связанные с ремонтом двигателя. Кроме того, очень важным моментом является тщательная сборка цилиндра, без повреждения при этом колец и канавок. Скорость и нагрузка во время обкатки влияют на количество расходуемого масла. Обычными факторами воздействия являются нагрузка и скорость при вождении, а также температура масла. Из-за таких параметров, как износ после продолжительной работы, а также образующихся в результате этого утечек, таких как сильный прорыв газов, быстро возрастает расход масла, и возникает необходимость в раннем капитальном ремонте.

Так каков же стандартный расход масла? За долгие годы использования ДВС ответ на этот вопрос значительно изменился. Обратим особое внимание на 4-х тактные двигатели, так как 2-х тактные двигатели со смазкой, которая осуществляется свежим маслом, являются отдельной темой. Ни один двигатель не будет работать без смазки. Небольшое ее количество в основном требуется для смазки поршневых колец. Несмотря на хромовое и молибденовое покрытие, им необходимо достаточное ее количество. Впоследствии это масло также расходуется. Каждый знает, что нагрузка на двигатель обуславливает расход топлива. Расход масла также зависит от нагрузки. Следовательно, соотношение удельного расхода масла с расходом топлива является подходящим стандартом для сравнения. Изготовители двигателя зачастую указывают предельно допустимым такой расход масла, который достигается при наиболее неблагоприятных условиях.

Например, значение в 1,5л / 1000 км в качестве предельно допустимого означает удельное потреблению масла в 1,5 % от расхода топлива, который в свою очередь составляет 10 л / 100 км. При постоянном использовании такой расход масла абсолютно неприемлем. Стандартные значения для новых обкатанных двигателей сегодня составляют около 0.2%. Удельный расход масла в 0,2 g/kWh приводит к расходу в 40 г/ч при допустимой нагрузке двигателя в 200 кW (что соответствует 80% номинальной выработки). При средней скорости движения около 75 км/ч расход топлива равен 0,54 г/км, т.е. приблизительно 0,6 л /1.000 км. Что приводит к высокому расходу масла? Высокий расход масла вызывает обычный износ, который возникает в результате продолжительного времени эксплуатации. Этот факт общеизвестен и поэтому претензии не возникает. Однако причины высокого расхода масла после непродолжительного времени работы вызывают интерес.

В отношении обработки цилиндра степень шероховатости особенно влияет на расход масла. Это также справедливо и для первичного расхода масла во время обкатки. Шероховатая поверхность с большим объемом снятия масла способствует хорошей смазке поршневых колец, но также приводит к его повышенному расходу из-за испарения или выгорания. Слишком малая шероховатость, конечно, приведет к отрицательным последствиям с уменьшенной смазкой и низкими показателями испарения. Поэтому рекомендации изготовителей двигателей по степени шероховатости поверхности должны всегда соблюдаться.

Такие перебои в работе, как слишком длинные интервалы между сменами масла, очень высокий уровень масла вместе с проблемой возникновения масляной пены (внимание: повреждение катализатора!) или неисправности при фильтрации воздуха также приводят к проблеме высокого расхода масла. Далее, о чем мы упомянем в этой статье - это увеличение расхода масла во время первой продолжительной поездки после частых перевозок на короткие расстояния зимой при низких температурах двигателя. При исследованиях в масле было обнаружено 20% топлива и воды, а это "симулирует" высокий расход масла, когда вода и топливо испаряются при нормальных температурах масла между 130 – 150 °С. Когда мы имеем дело с высоким расходом масел следует отметить появление четких следов царапин на контактных поверхностях поршневых колец и цилиндров. Причиной этого является, в основном, неправильная обработка цилиндра. Из-за некачественного хонингования возникает так называемое отслаивание, т.е. (сдавленный и шелушащийся) материал на поверхности цилиндра. Этот материал стирается поршневыми кольцами после непродолжительной работы. Это приводит к появлению царапин на контактных деталях и очень высокому расходу масла.