Улучшение работы аппаратуры на режиме холостого хода

В эксплуатации тепловозные дизели от 40 до 75 % времени работают на холостом ходу. Обеспечение качественной подачи топлива в широком диапазоне нагрузок дизеля {N^"*/1у7”п >1-4-100) и частоты вращения («ном/Яхх =Зч-5) связано со значительными трудностями. Конструктивные изменения, улучшающие характеристики топливоподачи на режимах холостого хода, как правило, влекут за собой ухудшение характеристик, обеспечивающих работу дизеля на полной и частичной мощности дизеля. Так, для повышения равномерности подачи по цилиндрам и устранения нерегулярности впрыскивания в зоне подач на режиме холостого хода можно идти по пути уменьшения диаметра плунжера и увеличения его активного хода. Однако эти мероприятия связаны с увеличением продолжительности впрыскивания на нагрузочных режимах и могут оказаться неприемлемыми для режима номинальной мощности. В то же время увеличение диаметра плунжера позволяет существенно увеличить давление впрыскивания на режимах малых подач.

Оптимальная площадь сечения сопел выбирается из условий наиболее экономичной работы дизеля на номинальном режиме по параметрам продолжительности впрыскивания и обеспечения качественного протекания его конечной фазы. Для повышения же давления впрыскивания и стабильности работы аппаратуры при малых подачах необходима уменьшенная по сравнению с установленной для номинальной подачи площадь сечения сопловых отверстий.

Смещение зоны неравномерных и нерегулярных впрыскиваний в область более малых подач, чем это необходимо для обеспечения режима холостого хода дизеля, в определенной степени может решаться уменьшением разгрузки системы после отсечки через клапанный узел и увеличением длины топливопроводов высокого давления. Не следует забывать, что разгружающее действие нагнетательного клапана, малая длина и объем нагнетательного топливопровода способствуют устранению дополнительных впрыскиваний. К мероприятиям, улучшающим качественные показатели процесса впрыскивания, следует отнести: увеличение скорости движения плунжера в пределах, не превышающих допустимых нагрузок в механизме его привода; выбор соответствующей конструкции нагнетательного клапана, удовлетворяющей требованиям процесса впрыскивания при больших и малых подачах; подбор оптимальных конструктивных соотношений по эффективной площади сечения сопловых отверстий и конусной проточной части распылителя; уменьшение объема системы и массы подвижных частей форсунки и насоса.

Оптимальные режимы топливоподачи во всем рабочем диапазоне нагрузок дизеля можно получить при использовании конструктивно более сложных топливных систем, например систем аккумуляторного типа с механическими или гидравлическими распределителями, а также электромагнитным управлением впрыскиванием в форсунках. Однако такие системы из-за сложности узлов распределения и дозирования топлива имеют пока еще низкую эксплуатационную надежность, требуют значительных модернизационных изменений в конструкции дизеля и поэтому не могут быть широко применены. Для практического использования на эксплуатируемом парке более реален путь совершенствования существующей топливной аппаратуры, обеспечивающий минимальные переделки.

Для улучшения работы дизелей на холостом ходу применяют отключение части комплектов топливной аппаратуры. В этом случае повышается нагрузка в работающих цилиндрах, а следовательно, увеличиваются цикловые подачи топлива с переходом работы топливной аппаратуры в области устойчивых и более качественных (с увеличенным давлением) процессов впрыскивания. Комплекты аппаратуры отключают путем введения в кинематическую схему управления дополнительных механизмов, обеспечивающих при холостом ходе дизеля установку реек части топливных насосов на нулевую подачу.

На тепловозных дизелях типа Д100 применена схема управления, при которой для работы на холостом ходу при всех положениях контроллера предусмотрено выключение всех десяти насосов левого ряда, а при работе на частоте вращения вала 400 об/мин - еще дополнительно пяти насосов правого ряда. При работе дизеля 2Д100 на холостом хоДу на пяти цилиндрах при частоте вращения 400 об/мин цикловая подача каждым насосом увеличивается до 0,15 - 0,18 г на цикл, а в случае отключения одного ряда насосов в частотах вращения 490-610 об/мин цикловые подачи составляют 0,11-0,125 г. Это обеспечивает переход процессов впрыскивания в зону стабильных цикловых подач (больших 0,09-0,10 г). Кроме того, увеличивается до 12-16,5 МПа максимальное давление впрыскивания вместо 6 - 9 МПа при подачах 0,06 - 0,07 г на цикл, соответствующих работе на холостом ходу всех 20 топливных насосов.

При работе на холостом ходу дизеля 2Д100 с различным количеством включенных топливных насосов (рис. 90) изменяется часовой расход топлива дизелем, а также специальный оценочный параметр С (количество несгоревшего топлива и масла, улавливаемого из выпускных коллекторов). По сравнению с работой дизеля на 20 топливных насосах при отключении 10 насосов расход топлива дизелем снижается на 5 -9 кг/ч, а 15 насосов - еще на 3 - 2 кг/ч [15]. Расход топлива дизелем уменьшается в связи с улучшением качества распыливания и смесеобразования, так как повышается давление впрыскивания, длина струи увеличивается и стабилизируются процессы подачи топлива. Кроме того, с увеличением цилиндровой мощности и уменьшением коэффициента избытка воздуха (в пределах до оптимальных значений) повышается индикаторный к. п.д. рабочего процесса в цилиндре. Значения параметра б также подтверждают целесообразность отключения части насосов с точки зрения уменьшения вероятности попадания несгоревшего топлива из цилиндра дизеля в картер с маслом. Для дальнейшего улучшения рабочего процесса в дизелях 2Д100 при пяти работающих топливных насосах осуществлен перепуск воздуха из продувочного коллектора в полость всасывания воздуходувки. Это снижает затраты мощности на привод воздуходувки, еще больше приближает коэффициент избытка воздуха к оптимальному и повышает температуру цилиндра, что сопровождается дальнейшим снижением расхода топлива дизелем (см. рис. 90, кривая 4).

В дизелях типа 1 ОД 100 конструктивные решения, аналогичные примененным в дизелях 2Д100, оказываются менее эффективными. В первую очередь это связано с тем, что на дизелях 1 ОД 100 в качестве первой ступени наддува применены турбокомпрессоры, что предопределяет недостаточную подачу воздуха в цилиндры на режимах малых частот вращения и нагрузок. Поэтому при работе на пяти включенных топливных насосах с увеличенной до 0,2 -0,3 г цикловой подачей рабочий процесс протекает при недостаточном количестве воздуха, а следовательно, некачественном и неполном сгорании топлива. При работе на 10 топливных насосах средние цикловые подачи холостого хода составляют 0,10 -0,12 г и протекают при относительно низких давлениях впрыскивания (12-15,7 МПа). Кроме того, по значению такие цикловые подачи оказываются близкими к границе цикловой нестабильности (0,07 - 0,09 г на цикл) процессов впрыскивания. Поэтому для дизелей 1 ОД 100 остается актуальной задача как совершенствования системы топливоподачи, так и системы воздухоснабжения.

Отключение цилиндров при работе на холостом ходу применено и в конструкциях новых дизелей, например типа Д49. Так, при работе 16-цилиндрового дизеля 1-5Д49 при холостом ходе на восьми ци

Изменение параметров работы дизеля 2Д100 на холостом ходу в зависимости от частоты вращения и количества включенных насосов

Рис. 90. Изменение параметров работы дизеля 2Д100 на холостом ходу в зависимости от частоты вращения и количества включенных насосов:

1 - включены насосы двух рядов; 2 - одного ряда; 3,4 - включены пять насосов одного ряда без перепуска воздуха из продувочного ресивера и при перепуске линдрах обеспечивается переход работы топливной аппаратуры из зоны неустойчивых цикловых подач в режим регулярных впрыскиваний (цп >0,1 г на цикл). Имеются также экспериментальные данные о целесообразности с точки зрения повышения экономичности и устойчивости работы топливной аппаратуры перевода работы дизелей типа Д50 на холостом ходу с шести на три цилиндра.

В последнее время появились сведения об использовании этого конструктивного решения на вывозных и маневровых тепловозах железных дорог ФРГ [52]. При этом приводятся сравнительные экспериментальные данные, указывающие на значительное (в 3 - 5 раз) снижение токсичности выбросов выпускных газов при работе на холостом ходу только части цилиндров те пловозного дизеля. Следует, однако, отметить, что возможность отключения части цилиндров при работе на холостом ходу по условиям уравновешивания, максимальным удельным давлениям на подшипники, равномерности теплового режима по длине дизеля не всегда может оказаться практически приемлемой.

Опыт эксплуатации тепловозов ТЭЗ и 2ТЭ10Л показывает также, что практическая эффективность применения топливных систем с отключением части комплектов топливной аппаратуры зависит от полноты выполнения в депо технических требований к нормальному функционированию системы управления рейками топливных насосов, а также по обеспечению в пределах допустимых значений регулировочных характеристик топливной аппаратуры. Так, на тепловозных дизелях типа Д100 при отказах электропневматических клапанов или неполном ходе тяг в сторону отключения подачи все или часть из топливных насосов, которые должны быть отключены, работают в режиме малых нерегулярных подач со всеми присущими этому режиму недостатками. Неизбежна некачественная подача топлива в цилиндр некоторыми насосами из группы отключаемых и при установке на дизель насосов разных групп минимальной подачи, а также насосов, имеющих завышенную минимальную регулировочную подачу (более 105 г за 800 ходов плунжера). Эти насосы будут подавать топливо даже при установке рейки в положение (2,5 - 3 деления) прекращения подачи.

На смещение (уменьшение) подачи у части насосов из работающих комплектов топливной аппаратуры в зону неравномерных и некачественных процессов впрыскивания влияет также разница в зазорах между упорами реек и корпусами на сосов. Так, уже при разнице в зазорах, превышающей 0,15 мм для дизелей 1 ОД 100, работающих на 10 топливных насосах, возможен переход работы отдельных комплектов в зону нестабильных цикловых подач (0,06 - 0,08 г). Еще большая вероятность работы части комплектов аппаратуры с нестабильными минимальными подачами возникает при наличии среди работающих топливных насосов разных групп с минимальной подачей.

Увеличение неравномерности подачи топлива по цилиндрам, а также смещение нестабильной работы комплектов в зону подач, превышающих 0,10 г на цикл, наблюдается также при установке в форсунки сопел с изношенными сопловыми отверстиями. Поэтому для комплектовки форсунок, работающих на холостом ходу, можно рекомендовать установку только сопел, удовлетворяющих требованиям для новых изделий, со временем истечения в интервале 18,5 - 16,5 с. Разобранные выше отклонения от технических требований в топливных системах с отключением насосов при холостом ходе дизеля, а также некачественная работа форсунок (потеря подвижности иглы и герметичности конуса) являются основными причинами случаев снижения вязкости масла от попадания в него несгоревшего топлива.

Недостатком системы топливоподачи с отключением цилиндров является то, что улучшение качества впрыскивания достигается здесь только за счет повышения цикловой подачи. При этом воздействие на параметры процесса подачи топлива, например увеличение максимального давления впрыскивания, ограничено как возможным числом отключения цилиндров, так и неизменным скоростным режимом работы аппаратуры. Поэтому остается актуальной проблема обеспечения топливной аппаратурой необходимых давлений впрыскивания и качества распиливания в широких пределах цикловых подач и частот вращения, в том числе путем разработки оптимальных профилей кулачков распределительных валов.

Исследования ЦНИДИ, проведенные применительно к топливной аппаратуре дизелей типа ДЮО, показали, что изменением профиля серийного кулачка можно повысить начальную скорость плунжера в момент перекрытия всасывающего окна в 2,3 раза за счет снижения на 20% максимальной скорости на режиме номинальной подачи. В этом случае применение опытного кулачка расширяет зону стабилизации процесса впрыскивания на малых подачах, а также позволяет увеличить на режиме 400 об/мин максимальное давление перед форсункой с 20,6-23,5 до 29,4-35,2 МПа, что обеспечивает при распыливании снижение среднего диаметра капель со 126 до 90 мкм. Подобное улучшение качества впрыскивания должно положительно сказаться при работе дизеля на малых нагрузках и холостом ходу.

Путем повышения давления в форсунке до 33,4 МПа, используя аккумуляторную систему, было получено некоторое снижение расхода топлива при испытании отсека дизеля ОДЮО на заводе им. Малышева [38].

Во ВНИИЖТе была разработана и испытана на тепловозе ТЭЗ топливная система с гидравлическим запиранием иглы в серийных форсунках и автоматическим режимом изменения давления гидрозапирающей жидкости!. Результаты испытаний показали, что при работе дизеля 2Д100 на холостом ходу с пятью отключенными цилиндрами путем повышения давления начала впрыскивания форсунок до установленного оптимального значения 31,4- 33,3 МПа за счет изменения давления гидрозапирания можно повысить экономичность дизеля на 3 - 5 % при уменьшении сажистых частиц в отработавших газах. Однако использование в эксплуатации таких систем, имеющих дополнительный контур гидрозапирающей жидкости, находящийся под постоянным высоким давлением (10 - 20 МПа), и дополнительные гидравлические узлы, вызовет снижение уровня надежности и увеличение трудоемкости в обслуживании.

В результате дальнейшей работы оказалось возможным, используя основные оптимальные параметры, полученные при испытаниях системы с гидрозапиранием, разработать пневматический догружатель иглы распылителя форсунки с подвижным уплотняющим элементом Г Конструктивное использование такого решения применительно к дизелям типа ДЮО было реализовано в виде приставки к серийной форсунке, подсоединяемой к воздушной системе, с использованием имеющейся на дизеле автоматики для отключения насосов. Таким образом, приставка включается в работу только на холостом ходу, не вызывая нарушений оптимальных характеристик топливоподачи на других режимах работы дизеля.

Корпус догружателя 3 (рис. 91) для форсунок дизелей типа ДЮО ввертывают в стакан 9 вместо нажимного штуцера,

1 А. с. 315779 [СССР]. Форсунка с гидрав- 1 А. с. 498404 [СССР]. Система управления лическим запиранием иглы. Г. Б. Федотов, топливоподачей двигателя внутреннего сгора-А. Н. Гуревич и др. Заявл. 07.01.70: иия. Г. Б. Федотов, А. Н. Гуревич и др. Заявл.

№ 1396210/24-6; Опубл. в Б. И., 1971, 24.07.73, № 1952511/24-6. Опубл. в Б. И., 1976,

№ 29-УДК 621.436.038(088.8). № 1. УДК 621.43.038(088.8).

обеспечивая регулировку нормального давления начала открытия иглы (20,6 МПа). В корпусе с помощью крышки штуцера 1 уплотнен подвижный элемент, выполненный в виде резиновой мембраны 2, опирающейся на опору 6, с ввернутым в нее штоком 8. Площадь мембраны рассчитана из условия обеспечения необходимого усилия догружения с учетом давления рабочей среды - воздуха, подводимого в верхнюю часть камеры корпуса. При монтаже мембранного узла регулируют и фиксируют контргайкой 7 длину штока таким образом, чтобы в собранной форсунке обеспечивался зазор 0,7-1,3 мм между сферической поверхностью опоры пружины форсунки 10 и опорной поверхностью штока 8. При поступлении воздуха в камеру мембрана прогибается на высоту, равную зазору, и через шток передает усилие догружения штанге форсунки 11. При снятии давления шток возвращается под действием пружины 5 догружателя в первоначальное положение. Для слива просочившегося из форсунки топлива в корпусе догружателя имеются каналы и штуцер 4, который подсоединяют к сливному топливопроводу дизеля.

Форсунка дизелей типа Д100 с до-гружателем мембранного типа

Рис. 91. Форсунка дизелей типа Д100 с до-гружателем мембранного типа

Схема управления топливоподачей на дизелях типа Д100 с применением догру-жателей запорных органов форсунок представлена на рис. 92. Система содержит основную 4 и дополнительную 5 рычажные тяги управления рейками топливных насосов 3, соединенных с помощью механизма отключения 6 части насосов. Догружателя-ми оборудованы только форсунки 1, насосы которых обеспечивают работу дизеля на холостом ходу. При переводе рукоятки контроллера в режим холостого хода воздух из системы управления через электро-пневматический вентиль 7 поступает в механизм отключения пяти насосов правого ряда. Одновременно воздух по дополнительному воздушному коллектору 8 поступает в полости над мембранами догружа-телей. Подвижный уплотняющий элемент в этом случае перемещается и увеличивает запирающее усилие иглы распылителя работающей форсунки 2. При нагрузочных режимах воздух в механизм отключения и догружатели не поступает и, следова-

Схема управления топливоподачей на дизелях типа Д100 с применением догру жателей форсунок тельно, не вызывает изменений характеристик топливоподачи. При необходимости управление отключением цилиндров и подачей воздуха в догружатели может быть разделено с помощью дополнительного электропневматического вентиля.</p>
<p>Стендовые сравнительные испытания подтвердили эффективность применения догружения запорного органа форсунок, обеспечивающих возможность повышения давления впрыскивания. При испытаниях в форсунках статическое давление начала впрыскивания устанавливалось

Рис. 92. Схема управления топливоподачей на дизелях типа Д100 с применением догру жателей форсунок тельно, не вызывает изменений характеристик топливоподачи. При необходимости управление отключением цилиндров и подачей воздуха в догружатели может быть разделено с помощью дополнительного электропневматического вентиля.

Стендовые сравнительные испытания подтвердили эффективность применения догружения запорного органа форсунок, обеспечивающих возможность повышения давления впрыскивания. При испытаниях в форсунках статическое давление начала впрыскивания устанавливалось: без включения догружения 20,6 4* 0,2 МПа, с включением догружения 31,4+0,5 МПа (рис. 93). Максимальное давление впрыски-

Рис. 93. Изменение в топливной аппаратуре дизелей типа Д100 максимального давления впрыскивания рс в зависимости от цикловой подачи дц на режиме 400 об/мии:

1 - с включенным догружателем;

2 - с выключенным догружателем

вания р?х получено по расшифровке осциллограмм изменения давления за конусом иглы (в объеме сопла). Сравнение зависимостей показывает, что в зоне цикловых подач ди ^ 0,175 г максимальное давление впрыскивания возрастает с 19,6-20,3 МПа при серийном исполнении форсунки до 29,4-32,4 МПа при включении догружения. При снижении цикловой подачи до 0,1 г максимальное давление впрыскивания в форсунках серийного исполнения вследствие неполного подъема иглы уменьшается до 12,2 МПа. Использование же догру-жателей на всех режимах, соответствующих подачам топлива в цилиндры дизелей типа Д100 при холостом ходе, позволяет поддерживать максимальное давление впрыскивания не ниже 19,6-22 МПа, что бесспорно положительно сказывается на качестве распыливания топлива.

Нестабильность цикловых подач в комплектах с серийной аппаратурой наступает при да = 0,07 0,09 г. При догружении гра ница нестабильности несколько смещается в область больших цикловых подач порядка 0,10 - 0,11 г. На осциллограммах (рис. 94) представлены следующие друг за другом процессы впрыскивания на режиме 400 об/мин и = 0,10 г без включения (рис. 94,а,б) и с включением догружателя. Работа форсунки при выключенном догру-жателе характеризуется стабильностью процессов изменения давлений /?ф и рс, при этом <7Ц = 0,10 г будет граничной стабильной цикловой подачей для данного комплекта топливной аппаратуры. При включении догружения и выставлении той же цикловой подачи 0,10 г (см. рис. 94, в, г) стабильность процессов впрыскивания нарушается, что характеризуется изменением остаточного давления рт от цикла к циклу и максимального давления впрыскивания рс. В то же время при включении догруже ния общий уровень максимальных давлений рс в обоих циклах (19,6 и 16,1 МПа) остается выше, чем при впрыскивании без догружения (рс=12,7 МПа).

Таким образом, появление цикловой неравномерности при использовании догружения еще не говорит об ухудшении процессов топливоподачи по сравнению со стабильными процессами для той же подачи в серийной аппаратуре, но с меньшими максимальными давлениями. При дальнейшем снижении цикловых подач до 0,06 - 0,07 г, что практически может иметь место при отклонениях в регулировке и установке топливной аппаратуры на дизеле, появляются пропуски впрыскивания. В этом случае более высокий уровень максимальных давлений (12,7-18,6 МПа) в рабочих циклах с догружением запорного органа форсунки по сравнению с давлением (рс = 0,6 4-12,7 МПа) при протекании процессов в серийной конструкции будет определяющим в оценке качества впрыскивания.

При наибольшей цикловой подаче (0,3 г), характерной для режима холостого хода дизеля 10Д100 при работе на пяти цилиндрах, увеличение максимального давления впрыскивания с 21,6 МПа при серийном исполнении до 33,4 МПа при включении догружения приводит к уменьшению продолжительности цикловой подачи более чем на 1 °. Применение этой системы для дизелей типа Д100 вызывает автоматическое увеличение запаздывания впрыскивания на 2 - 2,5° во всем диапазоне стабильных цикловых подач при включении догружения. Изменение запаздывания связано с повышением давления начала впрыскивания с 20,6 до 31,4 - 33,4 МПа и, следовательно, увеличением времени до его достижения, начиная с геометрического начала нагнетания.

Рис. 94. Осциллограммы процессов вспрыскивания в топливной аппаратуре дизелей типа Д100 без включения (а, б) и с включением (в, г) догружения запорного органа форсунки: <роп - опережение подачи

Стендовые испытания топливной аппаратуры дизелей типа Д100 с форсунками, оборудованными приставками- дотру жителями, показали также, что и на других скоростных режимах, в том числе при увеличении частоты вращения до 850 и снижении до 300 об/мин, имеется возможность, используя те же параметры догружения, воздействовать на характеристики топливо-подачи в благоприятных для процесса сгорания направлениях. Целесообразность использования системы топли-воподачи с отключением цилиндров и применением догружения форсунок на режимах холостого хода была подтверждена исследованиями показателей работы дизель-генераторов 2Д100 и 10Д100, а также в условиях эксплуатации на тепловозах ТЭЗ и 2ТЭ10Л. Так, для дизелей типа 2Д100, имеющих отключение пяти цилиндров и перепуск воздуха, при применении системы догружения форсунок экономичность на режиме холостого хода при 400 об/мин устойчиво повышается за счет улучшения качества распыливания и более оптимального (уменьшенного) угла опережения подачи на 4 - 5%. На дизелях

10Д100 при применении системы догружения форсунок в случае работы на холостом ходу 10 топливных насосов повышение экономичности составляет 3 - 4%, при работе на пяти цилиндрах - от 2 до 3 %. В эксплуатации эффективность применения системы догружения форсунок на дизелях 1 ОД 100 в значительной степени зависит от действительных углов опережения, установленных для работающих на холостом ходу топливных насосов, а также идентичности их регулировочных характеристик.

Гидродинамические характеристики и влияние на них конструктивных особенностей аппаратуры | Топливные системы тепловозных дизелей. Ремонт, испытания, совершенствование. | Повышение надежности форсунок