обеспечение надежной работы
дизелей на минимальных устойчивых оборотах
Доктор технических наук Г.Б. ГОРЕЛИК, О.Н. МОЗОЛЕВ
(Тихоокеанский государственный университет, г. Хабаровск)
В статье приведены основные проблемы обеспечения надёжной и эффективной работы дизелей на минимальных устойчивых оборотах холостого хода и под нагрузкой, а также задачи, которые при этом необходимо решить при расширении рабочего диапазона подач двигателя.
В 60-х годах прошлого столетия начались активные работы по форсированию мощности дизелей путём применения наддува. На выпускаемых в России двигателях была увеличена мощность более чем в 2 раза. За рубежом степень форсирования значительно выше. Российские предприятия, сохраняя старую дизельную аппаратуру, пытаются обеспечить новые режимы работы, при этом диапазон цикловых подач топлива расширился от соотношения 1:5 до 1:25. Это значит, что топливная аппаратура (ТА), отработанная для высоких режимов нагрузки и обес-„ печивающая требования стандартов 8 на номинальных режимах, на режимах £ холостого хода (ХХ) и малых нагрузок
1 практически не соответствует сущест-§ вующим требованиям. Для того, чтобы
2 при расширении диапазона стабильных 1 и устойчивых цикловых подач обеспе-^ чивать частичные режимы, необходим 1= целый ряд мероприятий, связанных не-§ посредственно с воздействием на ста-« тические характеристики систем авто-^ матического регулирования частоты * (САРч) дизелей и самой ТА. Появились = диспропорции в работе этих систем,
которые и приводят к крайне нежелательным эффектам на режимах малых
подач. Проблема состоит в том, чтобы обеспечить минимальные устойчивые подачи и снизить минимальное значение частоты вращения на соответствующих режимах работы. При этом возникает целый ряд задач, с которыми сталкивались и ранее, но они в настоящее время обострились.
Дизели автобусов во время приёма пассажиров на остановке, как правило, работают на повышенных оборотах ХХ. В условиях города двигатели легковых и грузовых автомобилей работают на частичных нагрузках, в том числе на режимах ХХ. Для дизелей маневровых тепловозов и судовых главных двигателей (особенно рыбопромысловых судов) приходится повышать обороты холостого хода и настраивать САРч на повышенные обороты, чтобы не произошла непредвиденная остановка двигателя.
Проблема обеспечения минимальных устойчивых оборотов холостого хода и под нагрузкой сопряжена как минимум с решением следующих задач: анализ и учёт статических характеристик САР и ТА и их согласование; анализ и учёт влияния степени неравномерности подач многосекционных насосов и её снижение; анализ межцикловой нестабильности процессов топливоподачи и её снижение на базе предложенных на кафедре ДВС ТОГУ критериев ус-тойчивости1; анализ работы и вопросы обеспечения работоспособности распылителей.
1 Горелик Г.Б. Процессы топливоподачи в дизелях при работе на долевых и переходных режимах: Учебное пособие. Хабаровск, 2003.
38
© Г. Б. Горелик, О.Н. Мозолев
Это в первую очередь связано с тем, что малые топливоподачи имеют пониженные давления впрыскивания, происходит подача топлива при частичном подъёме и "дробящем" ходе иглы. Распылители коксуются из-за подтекания топлива из сопел, особенно в конечной фазе впрыскивания. И после кратковременной работы распылителей на малых нагрузках при выводе двигателя на высокие нагрузки ТА не обеспечивается рабочий процесс. Закоксованные распылители полностью нарушают работу ТА и работу дизеля. Продолжительность впрыскивания увеличивается, уменьшается конус факела при снижении давления впрыскивания из-за повышенного дросселирования в соплах распылителя.
По этой причине после длительной работы на ХХ не удаётся обеспечить номинальные режимы двигателя. Вопрос обеспечения работоспособности распылителя на малых режимах и достиже-
ние допускаемой продолжительности непрерывной работы (см. табл.) следует выделить в отдельную задачу2.
Очевидно, что до сих пор успехи в решении данного вопроса не просматриваются, так для новых проектируемых главных судовых двигателей с разобщительным устройством даже увеличена минимальная устойчивая частота под нагрузкой до 45% из-за трудности её обеспечения, для тепловозных - до 40%, а время допускаемой непрерывной работы снижено на час.
Следует также выделить вопросы, связанные со смесеобразованием в условиях работы при минимальной частоте вращения ХХ и под нагрузкой, это факелообразование, вписываемость факела в геометрию камеры сгорания, мелкость и качество распыления.
ТА газодизелей отечественных конструкций обеспечивает минимальные запальные дозы топлива порядка 1820% от номинальной цикловой подачи.
За рубежом различными способами достигнуты величины 8-10%. Это значит, что проблемы обеспечения малых режимов представляют серьёзный интерес и при создании газодизелей путём конвертирования серийных дизелей.
Если обратиться к статическим характеристикам САРч и соответствующим статическим характеристикам ТА, то можно увидеть, что при анализе, как правило, не принимают во | внимание ограничитель- ^ ную характеристику хо- § лостого хода 5 (см. рис., а). § При понижении скорост- £ ного режима ТА вынужде- | на работать при повышен- ® ных активных ходах из-за 1 увеличения доли утечек Л в прецизионных элемен- 1
--с!
2 Горелик Г.Б. Неустановившие- « ся режимы работы дизельной топливной аппаратуры: Монография. Хабаровск, 1995.
Требования действующего ГОСТ 10150-88
Назначение дизеля
Минимальная устойчивая частота вращения под нагрузкой, % от номинальной
Допускаемая продолжительность непрерывной работы, час
Главные СД с прямой 30
передачей на ВФШ [30]
(или через редуктор) Главные СД с передачей 30 (45) на ВФШ с разобщитель- [45 (30)] ным устройством (или ВРШ) Тепловозные
30 (40) [40 (30)] 45 [45]
45 [45]
Промыш- для нефте-ленные буровых установок для транспортных средств (экскаваторы, краны и СДМ)
Примечание: ( ) - для новых дизелей, [ [до 1988 г. (ГОСТ 10150-70).
4.0 (3.0) [2.0 (3.0)]
4.0 (3.0) [2.0 (3.0)]
4.0 [1.0] 1.0 [1.0]
0.5 [0.5]
] - было
z/z„
1
0.5
A(Z/Z„)
l-a\
0.3 0.4
if)
(V^.™«.) ............................. h
1 •....... 1---1 .................... рн
III I h
.................. PHl
ПРИ J______К"' I .......f..... I ^P"2
Узад.ном. I........... t
I I.--"'r ..-.i*..........1 рнз
I И ••<••• I jJ- h
2 °-5.1.....-к >
м 'I I ,-••>• ...•••••' I / /
Минимальные , , ..•[ /1 , / 1 .
устойчивые I X* /*' /* ' .l--' / 1pHg под нагрузкой | | / | / | .••* | ./ / I .
- xx 0 ------1 | ■•-• | / |/ / / | рн8
ll-^V nH 0-3 0.4 1 n/„H
Статистические характеристики: а - регулятора частоты вращения; б - топливной аппаратуры
тах и снижения коэффициента подачи, что может приводить к определённым сложностям, связанным с обеспечением устойчивых минимальных оборотов. Так, по мере снижения частоты вращения скоростные характеристики при Ьр4- обрываются из-за прекращения подачи (рис., б). И регулятору приходится выводить режим в зону увеличенного активного хода. Это вызывает постоянные переходные процессы ТА и ведёт к повышенным колебаниям частоты вращения. Таким образом, к неравномерности вращения, вызванной межцикловой нестабильностью и неравномерностью подач по секциям, „ добавляется ещё один существенный § фактор, приводящий к неустойчивой £ работе ТА и соответственно дизеля при I работе на пониженной частоте враще-§ ния и нагрузке.
£ Если рассмотреть зону (рис., а) на | минимальной статической характе-® ристике регулятора Д^н) и область ДИр на скоростной характеристике | ТА (рис., б), обеспечивающей диапа-I зон цикловых подач Д^ц), можно ^ обратить внимание, что так называемый коэффициент статической пе-= редачи от регулятора к ТА к = Дкр /Д существенно влияет на возможность перемещения минимальной статичес-
кой характеристики 1 регулятора в область меньших частот вращения. Именно здесь следует искать возможности снижения минимально устойчивых частот вращения ХХ и под нагрузкой.
Регулятор корректирует неудовлетворительные скоростные характеристики ТА в области малых подач и вынужден с повышенной амплитудой перемещать рейку топливного насоса высокого давления (ТНВД) для обеспечения малых оборотов, и чем ниже нужно получить значения малых подач на режиме ХХ, тем сложнее этого добиться.
Коэффициент статической передачи возрастает. Поэтому следует выделить ещё одну подзадачу, по которой практически вообще отсутствуют наработки: располагая статическими характеристиками автоматического регулятора, определить реальную зону ограничительной характеристики 5, далее рассчитать или экспериментально определить скоростные характеристики в области малых подач, проследить, как будет меняться форма этих характеристик и коэффициент статической передачи и, исходя из этого, скорректировать скоростные характеристики ТА. Последнее возможно, например, путём реализации автоматически действующего регулятора начального (остаточного) давления (РНД), который, с одной стороны, обеспечивает постоянство остаточного давления на режиме, с другой - воздействует на коэффициент
статической передачи в направлении его снижения. Именно тогда возможен перенос минимальной статической характеристики регулятора в положение 1-а (рис., а) с обеспечением желаемого снижения минимальных оборотов ХХ и под нагрузкой. Практическое отсутствие межцикловой нестабильности процессов топливоподачи усиливает эффект и при этом обеспечивается перенос минимальной ограничительной характеристики в зону пониженных частот.
Разработку математической модели ТА в качестве инструментария для исследования, адекватно отражающей реальные процессы при пониженной частоте вращения и при малых нагруз-ках3, следует также вынести в отдельную задачу. Имея такую модель, можно проследить, как повлияют те или иные мероприятия, в том числе РНД, на улучшение работы ТА на малых режимах.
В конечном итоге, снижение минимальных устойчивых оборотов дизеля на ХХ и под нагрузкой - это сложная и комплексная задача. До сих пор её как бы и не существовало, потому что малые режимы не лимитировались стандартами. Двигатель создавался и предъявлялся заказчику на номинальных реж
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.