Исследование пусковых качеств и экономичности дизеля при установке гидрозапорных и механических форсунок

DOI: 10.24143/2073-1574-2018-1-60-66 УДК 621.431.74

В. Г. Ивановский, Р. А. Варбанец, В. П. Губанов, Е. И. Жолтиков, Ю. Н. Кучеренко, В. О. Маулевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПУСКОВЫХ КАЧЕСТВ И ЭКОНОМИЧНОСТИ ДИЗЕЛЯ ПРИ УСТАНОВКЕ ГИДРОЗАПОРНЫ1Х И МЕХАНИЧЕСКИХ ФОРСУНОК

Исследование влияния способа запирания иглы на пусковые качества двигателя и расход пускового воздуха, а также на показатели динамической напряженности проведено на примере широко распространенного дизеля повышенной оборотности со струйным смесеобразованием 4Ч 17,5/24. Рассмотрены особенности пуска «горячего» и «холодного» двигателя, оборудованного гидрозапорными форсунками, в случае, когда давление гидрозапорной жидкости равно атмосферному. Проанализировано влияние способа запирания иглы форсунки на экономичность двигателя при неизменных параметрах окружающей среды, температуры охлаждающей воды и циркуляционного масла. Изучено влияние давления гидрозапорной жидкости на экономичность дизеля 4Ч 17,5/24. Исследовано влияние изменения эффективного сечения распылителей в пределах, встречающихся при эксплуатации дизелей, на экономичность и характеристики рабочего процесса. Сделан вывод, что значение давления гидрозапорной жидкости, при котором достигается минимальный расход топлива, может измениться при замене распылителей. Отмечается, что для каждого типа двигателей необходима проверка постоянства значения давления гидрозапорной жидкости, при котором обеспечивается минимальный расход топлива, при изменении эффективного сечения распылителя в пределах ±20 %.

Ключевые слова: гидрозапорная форсунка, механическая форсунка, струйное смесеобразование, дизели повышенной оборотности, давление начала подъема иглы.

Введение

Сравнительное исследование пусковых качеств и экономичности двигателя при установке гидрозапорных и механических форсунок было проведено на дизеле 4Ч 17,5/24. Дизели этого типа широко распространены и являются типичными среди дизелей повышенной оборотности со струйным смесеобразованием.

Пусковые режимы исследовались на примере как «горячего», так и «холодного» двигателя. В первом случае запуск двигателя проводился при температуре охлаждающей воды 45-65 °С и температуре циркуляционного масла 30-45 °С. Прогрев двигателя осуществлялся во время его работы под нагрузкой. Во втором случае пуск двигателя проходил при температуре воды и масла, равной 4-12 °С. Одинаковое положение рукоятки управления двигателем в положении «пуск» обеспечивалось ограничителем ее перемещения. Пусковые режимы, во время которых рукоятка управления в положении «пуск» задерживалась на значительно большее время, чем это необходимо для нормального пуска (определялось по осциллограмме), при определении расхода воздуха не учитывались, т. к. в данном случае расход воздуха был существенно завышенным.

Исследование пусковых качеств судового дизеля

Основные показатели пусковых режимов дизеля 4Ч 17,5/24 при установке механических (МФ) и гидрозапорных форсунок (ГЗФ) приведены в таблице [1].

Усредненные показатели пусковых режимов дизеля 4Ч 17,5/24 с механическими

и гидрозапорными форсунками

Показатель Давление начала подъема иглы, МПа

МФ: Pf. 28,0 МПа ГЗФ: pf. 0 МПа

Состояние двигателя Горячий Холодный Горячий Холодный

Тип форсунки МФ ГЗФ МФ ГЗФ ГЗФ ГЗФ

Максимальное давление сгорания pz, МПа 6,12 6,5 6,62 6,8 5,9 6,0

Окончание табл.

Показатель Давление начала подъема иглы, МПа

МФ: рг. 28,0 МПа ГЗФ: рг. 0 МПа

Состояние двигателя Горячий Холодный Горячий Холодный

Отношение рг/р™ 1,05 1,12 1,14 1,17 1,02 1,03

Степень повышения давления, X' 2,02 2,08 2,06 2,0 1,6 1,6

Средняя скорость нарастания давления газов Др/Дф, атм/° п.к.в. 2,1 2,3 2,7 2,6 1,2 1,3

Минимальный расход пускового воздуха gвf, дм3/с 5,5 5,5 7,7 7,7 8,0 25

Из анализа таблицы, а также многочисленных осциллограмм пусковых режимов следует, что способ запирания иглы форсунки не оказывает заметного влияния на пусковые качества двигателя, если пуск осуществляется при одинаковых условиях, т. е. при одинаковых значениях давления начала подъема иглы, остаточного давления топлива в нагнетательном трубопроводе, положения рукоятки управления двигателем (от этого зависит цикловая подача топлива), начального давления пускового воздуха в баллоне, температуры охлаждающей воды и циркуляционного масла и времени, когда в цилиндры подается пусковой воздух.

Действительно, в этом случае кривые разгона двигателя п = и расход пускового воздуха gв (табл.) оказались одинаковыми при установке как механических, так и гидрозапорных форсунок. Практически неизменной осталась и «жесткость» работы двигателя, т. е. Др/Дф (табл.). Лишь максимальное давление сгорания р2 получено несколько выше при установке гидрозапорных форсунок. Последнее вызвано тем, что при пуске двигателя с гидрозапорными форсунками, спустя некоторое время после разгрузки нагнетательного трубопровода, происходило повышение остаточного давления в нем из-за протечек гидрозапорной жидкости через диаметральный зазор в распылителе. Поэтому на тех режимах, где повышение этого давления было существенным, на первом обороте коленчатого вала впрыскивалась большая порция топлива, в результате чего на отдельных режимах максимальное давление сгорания повышалось до рг = 6,7^6,9 МПа (на номинальном режиме рг = 5,8 МПа).

При изучении пусков «горячего» двигателя в случае нулевого давления гидросмеси р = 0 МПа) было отмечено значительное (в 1,4 раза) увеличение расхода воздуха (табл.). Одновременно при обработке осциллограмм было отмечено существенное снижение показателей динамической нагрузки на первых пяти-восьми оборотах коленчатого вала (по сравнению с пуском дизеля при штатном значении давления начала подъема иглы, равном 28,0 МПа). Действительно, максимальное давление сгорания снизилось на 22 %, степень повышения давления -на 19 %, а средняя скорость нарастания давления - на 28 %.

Вероятно, аналогичный результат при исследовании пусков других дизелей и дал основание некоторым авторам сделать вывод о существенном снижении «жесткости» пуска двигателя при нулевом давлении гидрозапорной жидкости [1]. Однако необходимо отметить, что при дальнейшем разворачивании коленчатого вала двигателя давление р2 возрастает и достигает 58-6,0 МПа, т. е. почти таких же значений, как и при нормальном давлении начала подъема иглы в случае установки механических форсунок (р = 6,12 МПа (табл.)) [2]. Что касается изменения скорости нарастания давления газов, то для исследуемого дизеля она сравнительно низкая, а поэтому ее снижение при пуске «горячего» двигателя в случае ГЗФ не имеет большого практического значения. Однако снижение «жесткости» пуска двигателя одновременно сопровождается и значительным ухудшением приемистости двигателя, т. к. при р1 = 0 резко снижается давление топлива при впрыске, что ведет к существенному ухудшению распыливания, а следовательно, и сгорания топлива. В связи с этим запуск двигателя при р( = 0 вызывает особые опасения, если двигатель не прогрет, что полностью подтвердилось во время специальных испытаний. Запуск двигателя в данном случае оказался необычайно затрудненным и возможным лишь при высоком давлении пускового воздуха в баллонах (свыше 2,2 МПа) и большом его расходе (25-27 дм3/с).

При установке механических форсунок пуск двигателя нормально протекал при давлении пускового воздуха 1,2 МПа и расходе 7,7 дм3/с.

С целью обеспечения одинаковых условий проведения опытов при изучении экономичности (одни и те же атмосферные условия и условия охлаждения дизеля и т. п.) двигатель был оборудован механическими форсунками, которые имели обычное винтовое устройство для подъема всех подвижных деталей форсунки, кроме ее иглы. С этой целью к нижней тарелке пружины жестко прикреплялся шток, который проходил через пружину наверх. В верхней части штока имелась резьба, на которую навинчивалась гайка с упором. Вращение гайки обеспечивало подъем тарелки с пружиной. Утечки вдоль штока устранялись специальным уплотнением. Подъем указанных деталей осуществлялся без остановки двигателя, причем в это время включался насос гидрозапорной жидкости и форсунки становились гидрозапорными.

В период испытаний двигателя на каждом его мощностном режиме переход с одного способа запирания иглы на другой осуществлялся по четыре раза, при этом в пределах погрешностей замера оставались неизменными параметры окружающей среды, а также температура охлаждающей воды и циркуляционного масла.

Графические зависимости основных характеристик дизеля 4Ч 17,5/24, оборудованного форсунками с устройством для подъема штанги и пружины, при работе по нагрузочной характеристике показаны на рис. 1.

Рис. 1. Влияние способа запирания иглы на характеристики дизеля 4Ч 17,5/24

Общий вывод, который можно сделать на основе анализа рис. 1: переход на ГЗФ не оказал никакого влияния на экономичность двигателя, т. е. на часовой и удельный расходы топлива (расход ge отнесен к мощности генератора Ыэ, замер которой и проводился во время испытаний).

Для примера рассмотрим более подробно изменение характеристик двигателя после замены одного способа запирания иглы на другой на режиме ~25 % нагрузки (Ыэ = 12,8 кВт). На данном режиме при гидравлическом запирании часовой расход топлива составил Gт = 6 кг/ч, средняя температура выпускных газов после цилиндров ¿ц.ср = 170 °С, температура выпускных газов в выпускном коллекторе ¿г = 162 °С, среднее давление газов по пиметру р.ср = 0,319 МПа, температура охлаждающей воды на выходе ¿в = 50 °С. При механическом запирании иглы получено: Gт = 6,06 кг/ч; ¿ц.ср = 172 °С; и = 165 °С; рг = 0,319 МПа; и = 50 °С.

На режиме холостого хода расход топлива оказался более низким при механическом запирании иглы = 4,21 кг/ч вместо 4,27 кг/ч - при гидравлическом запирании иглы). Однако необходимо отметить, что полученные изменения характеристик двигателя после замены одного способа запирания иглы другим несущественны и находятся в пределах погрешностей замера опытных величин [3].

В ходе опытов была также изучена возможность повышения экономичности двигателя 4Ч 17,5/24 за счет увеличения давлений гидрозапорной жидкости рг, а также исследовано влияние на экономичность изменения эффективного сечения распылителей ц/с, обусловленного как условиями работы (разработка или закоксовывание сопловых отверстий), так и технологией изготовления распылителей. Изменение / по указанным причинам может достигать ±20 %.

Результаты исследования на режиме ~25 % нагрузки представлены на рис. 2 сплошными линиями.

Рис. 2. Влияние давления гидрозапорной жидкости на характеристики дизеля 4Ч 17,5/24 при установке распылителей с различным эффективным сечением

Из анализа кривых изменения часового ^т) и удельного расходов топлива следует, что минимальное значение расхода может быть получено при очень больших значениях давления рг. Но опыты были прекращены при рг = 26 МПа, т. к. в этом случае давление начала подъема иглы достигло очень высокого значения (р0 ~ 36 МПа).

Как видно из рис. 2, увеличение давления р0 с 28 до 36 МПа не оказало заметного влияния на расход топлива, который снизился всего на 1 %. Малое повышение экономичности двигателя в данном случае подтверждается и незначительным снижением средней температуры выпускных газов после цилиндров tЦсCр и малым повышением максимального давления сгорания р2 (среднего по цилиндрам).

На режиме полной мощности с повышением давления рг с 20 до 25 МПа (давление р0 увеличилось с 28 до 35 МПа) расход топлива снизился на 2-2,5 %. Наименьшее влияние повышения давления рг на экономичность двигателя наблюдалось на режиме холостого хода, на котором при увеличении давления р0 с 28 до 33,5 МПа расход топлива уменьшился всего на 0,3-0,5 %.

На рис. 2 пунктирными линиями показано изменение экономичности двигателя при установке новой партии распылителей с уменьшенным на ~ 15 % эффективным сечением. На рисунке видно, что при р0 = 28 МПа после установки новых распылителей расход топлива снизился на 3-4 %, т. е. изменение расхода топлива в рассматриваемом случае оказалось в три раза большим, чем изменение расхода топлива при существенном повышении давления начала подъема иглы (до 36 МПа).

Повышение экономичности двигателя при установке распылителей с меньшим эффективным сечением, как показала обработка осциллограмм, вызвано повышением давления топлива в форсунке.

Полученные результаты опытного исследования позволяют сделать вывод, что значение давления гидрозапорной жидкости рf, при котором достигается минимальный расход топлива, может измениться при замене распылителей. В связи с этим для каждого типа дизелей требуется опытная проверка неизменности значения рf в случае изменения эффективного сечения распылителей в пределах ±20 %, наблюдаемого в процессе эксплуатации дизелей. Если значение рf не останется постоянным, то его регулирование с целью получения минимального расхода топлива на разных режимах работы двигателей в обычной эксплуатации теряет практический смысл.

Выводы

1. Способ запирания иглы не оказывает заметного влияния на пусковые качества двигателя и расход пускового воздуха, а также на показатели динамической напряженности, если соблюдаются одинаковые условия пуска.

2. Пуск «горячего» двигателя, оборудованного гидрозапорными форсунками, в случае, когда давление гидрозапорной жидкости равно атмосферному, протекает при меньших значениях показателей механической напряженности двигателя, но одновременно ухудшается его приемистость и существенно возрастает расход пускового воздуха.

3. Пуск «холодного» двигателя с гидрозапорными форсунками в случае нулевого давления гидрозапорной жидкости очень затруднен и возможен лишь при высоком давлении пускового воздуха и очень большом его расходе (не менее 25-27 дм3/с).

4. Способ запирания иглы форсунки, при прочих равных условиях, не влияет на экономичность двигателя.

Влияние давления гидрозапорной жидкости на экономичность дизеля 4Ч 17,5/24 мало.

5. Изменение эффективного сечения распылителей в пределах, встречаемых в процессе эксплуатации дизелей, оказывает заметное влияние на их экономичность. В связи с этим для каждого типа двигателей необходима проверка постоянства значения давления гидрозапорной жидкости, при котором обеспечивается минимальный расход топлива при изменении эффективного сечения распылителя в пределах ±20 %.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Ивановский В. Г., Корнилов Э. В., Афанащенко В. Н., Кобзарь В. М. Топливная аппаратура систем впрыска топлива в цилиндры дизелей. Одесса: Феникс, 2005. 157 с.

2. Фомин Ю. Я. Топливная аппаратура судовых дизелей. М.: Транспорт, 1968. 240 с.

3. Кузьмин Р. В., Карпович В. А. Пуск и реверс судовых дизелей. М.: Транспорт, 1972. 143 с.

Статья поступила в редакцию 05.10.2017

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Ивановский Валерий Георгиевич — Украина, 65029, Одесса; Одесский национальный морской университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры судовых энергетических установок и технической эксплуатации; roman.varbanets@gmail.com.

Варбанец Роман Анатольевич — Украина, 65029, Одесса; Одесский национальный морской университет; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой судовых энергетических установок и технической эксплуатации; roman.varbanets@gmail.com.

Губанов Виктор Петрович — Украина, 65029, Одесса; Одесский национальный морской университет; старший преподаватель кафедры судовых энергетических установок и технической эксплуатации; roman.varbanets@gmail.com.

Жолтиков Евгений Иванович — Украина, 65029, Одесса; Одесский национальный морской университет; аспирант кафедры судовых энергетических установок и технической эксплуатации; jeltikov@ukr.net.

Кучеренко Юрий Николаевич — Украина, 65029, Одесса; Одесский национальный морской университет; аспирант кафедры судовых энергетических установок и технической эксплуатации; leptonavia@bk.ru.

Маулевич Владислав Олегович — Украина, 65029, Одесса; Одесский национальный морской университет; аспирант кафедры судовых энергетических установок и технической эксплуатации; vladyslavmaulevych@gmail.com.

V. G. Ivanovskiy, R. A. Varbanets, V. P. Gubanov, E. I. Zholtikov, Yu. N. Kucherenko, V. O. Maulevich

RESEARCH OF STARTING INTERNALS AND ECONOMY OF DIESEL DURING SETTING HYDRAULIC LOCKING AND MECHANICAL FUEL INJECTION VALVES

Abstract. The study of influence of the method of locking the needle on the starting qualities of the engine and the consumption of the starting air, as well as on the indicators of dynamic tension, was carried out. The widely used diesel engine 4H 17.5/24 having increased turnover and jet mixing was taken as an example. There have been discussed the peculiarities of starting a "hot" and "cold" engine equipped with hydraulic locking fuel injection valves, when the pressure of the hydraulic locking fluid is equal to atmospheric pressure. The influence of the method of locking the needle of fuel injection valve on the efficiency of the engine has been analyzed under permanent parameters of atmosphere, cooling water temperature and circulating oil. The influence of the pressure of the hydraulic locking fluid on the economy of the diesel engine 4H 17.5/24 has been examined. The effect of the change in the effective cross section of sprayers within the limits encountered in the operation of diesel engines on the economy and the characteristics of the working process has been studied. It has been inferred that pressure of hydraulic locking fluid at which minimum fuel consumption is provided may change when sprayers are replaced. It should be noted that for each type of engines it is necessary to check the constancy of the pressure value of the hydraulic locking fluid, which ensures minimum fuel consumption when the effective cross section of the sprayer varies within ±20%.

Key words: hydraulic locking fuel injection valve, mechanical fuel injection valve, jet mixing, diesels of increased turnover, needle start pressure.

REFERENCES

1. Ivanovskii V. G., Kornilov E. V., Afanashchenko V. N., Kobzar' V. M. Toplivnaia apparatura sistem vpryska topliva v tsilindry dizelei [Equipment of diesel fuel injection systems]. Odessa, Feniks Publ., 2005. 157 p.

2. Fomin Iu. Ia. Toplivnaia apparatura sudovykh dizelei [Fuel equipment of the marine diesel engines]. Moscow, Transport Publ., 1968. 240 p.

3. Kuz'min R. V., Karpovich V. A. Pusk i revers sudovykh dizelei [Start and reverse of the marine diesel engines]. Moscow, Transport Publ., 1972. 143 p.

Ivanovsky Valery Georgievich — Ukraine, 65029, Odessa; Odessa National Maritime University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Marine Power Plants and Technical Operation; roman.varbanets@gmail.com.

Varbanets Roman Anatol'evich — Ukraine, 65029, Odessa; Odessa National Maritime University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department of Marine Power Plants and Technical Operation; roman.varbanets@gmail.com.

Gubanov Victor Petrovich - Ukraine, 65029, Odessa; Odessa National Maritime University; Senior Lecturer of the Department of Marine Power Plants and Technical Operation; roman.varbanets@gmail.com.

Zholtikov Evgeniy Ivanovich — Ukraine, 65029, Odessa; Odessa National Maritime University; Postgraduate Student of the Department of Marine Power Plants and Technical Operation; jeltikov@ukr.net.

Kucherenko Yuri Nikolaevich — Ukraine, 65029, Odessa; Odessa National Maritime University; Postgraduate Student of the Department of Marine Power Plants and Technical Operation; leptonavia@bk.ru.

Maulevich Vladislav Olegovich — Ukraine, 65029, Odessa; Odessa National Maritime University; Postgraduate Student of the Department of Marine Power Plants and Technical Operation; vladyslavmaulevych@gmail.com.

The article submitted to the editors 05.10.2017

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS