CC BY
262
УДК 621.431.74 ББК 31.365
Р. А. Варбанец, Н. И. Александровская, А. И. Головань, Ю. Н. Кучеренко
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА СИСТЕМЫ VIT МАЛООБОРОТНОГО ДИЗЕЛЯ MAN 6L80MCE
R. A. Varbanets, N. I. Alexandrovskaya, A. I. Golovan, Yu. N. Kucherenko
EXPERIMENTAL TRIAL OF VIT SYSTEM OF THE LOW-SPEED DIESEL MAN 6L80MCE
Дан анализ работы механической системы VIT (Variable Injection Timing) судовых малооборотных дизелей MAN B&W серии MC. Приведены особенности работы VIT. На примере судового малооборотного главного дизеля 6L80MC показано влияние VIT на характер рабочего процесса. Показаны общие признаки поздней подачи топлива в цилиндр дизеля. Показано, что работа системы VIT, предусмотренная разработчиками MAN Diesel & Turbo SE, необходима для качественной и экономичной эксплуатации дизеля. При штатной работе VIT суточный расход топлива главного дизеля 6L80MCE может быть сокращен за счет коррекции фаз топливоподачи. Кроме того, при этом снижается средняя температура выпускных газов, что приводит к уменьшению общего уровня теплонапряженности и увеличению моторесурса двигателя.
Ключевые слова: судовые малооборотные дизели, VIT, топливоподача.
The analysis of work of mechanical VIT system (Variable Injection Timing) of the marine low-speed diesels MAN B&W of MC series is given. Features of VIT are given. By the example of the ship low-speed main diesel 6L80MCE influence of VIT on the diesel working process is shown.
The general signs of late fuel injection in the cylinder are shown. It is shown that the work of VIT system, provided by the MAN Diesel & Turbo SE developers, is necessary for high-quality and economic operation of the diesel. During the regular work of VIT daily fuel consumption of the main diesel 6L80MCE can be reduced at the expense of fuel feed phases correction. Besides, the average temperature of exhaust gases that leads to reduction of the general level of thermal stress and increase in motor potential of the engine thus decreases.
Key words: low-speed marine diesel engines, VIT, fuel feed.
Введение
Судовые малооборотные дизели (МОД) MAN B&W серии MC и MCE отличаются высокой надежностью, большим моторесурсом и экономичностью. В последнее время самая крупная дизелестроительная фирма потеряла аббревиатуру B&W и называется MAN Diesel & Turbo SE.
Максимальная, заявленная фирмой, мощность МОД K98MC-C составляет 68 520 кВт, а минимальный удельный эффективный расход топлива МОД S80MC на режимах L2, L4 заявлен беспрецедентно малой величиной - 154 г/(кВт-ч), что практически недостижимо для любых других типов ДВС. По мнению многих судовых механиков, МОД MAN серии MC являются самыми надежными в своем классе дизелями. Эти двигатели заслуженно получили наибольшее распространение на морском транспортном флоте [1].
Высокий моторесурс МОД MAN объясняет, в частности, низкая температура выпускных газов и низкая номинальная частота вращения коленчатого вала (до 300 °С на основных — MCR — эксплуатационных режимах с RPM до 59 мин-1), что характеризует относительно низкую тепло-напряженность основных деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Из обозначения видно, что наибольший диаметр цилиндра МОД MAN составляет 98 см. На рис. 1 показаны основные пропорции малооборотного дизеля MAN B&W серии MC с массой более 1 000 т. Его масштаб можно представить, учитывая символический средний рост человека [2].
Первая буква в названии характеризует длинноходность - отношение хода поршня к диаметру цилиндра (S/D). До 2010 г. дизели MAN имели три градации длинноходности: K (S/D = =2,45-2,875), L (S/D = 3-3,24), S (S/D = 3,54-4,2). В 2010 г. появились публикации фирмы о создании новой серии с аббревиатурой G (Ultra-Long-Stroke, S/D приближается к 5). В проспектах серии G фирма MAN Diesel & Turbo заявляет о снижении номинальной частоты вращения, сокращении расхода топлива и вредных выбросов до 7 % [2].
Рис. 1. Малооборотный дизель MAN Diesel & Turbo SE
На всех МОД MAN Diesel серии MC предусмотрена коррекция угла опережения впрыска топлива в зависимости от нагрузки - система VIT. Производится это с тремя целями:
- повышение экономичности рабочего цикла за счет увеличения угла опережения на основных эксплуатационных режимах (выше 30-40 % от номинальной нагрузки);
- недопущение превышения заданного фирмой предела Pz за счет уменьшения угла опережения на нагрузках свыше S0-S5 %;
- облегчение условий запуска дизеля и работы на режимах малых нагрузок.
Вид топливного насоса высокого давления (ТНВД) MAN Diesel серии MC с механической системой VIT показан на рис. 2.
Рис. 2. Топливный насос высокого давления MAN Diesel серии MC с механической системой VIT
Особенности работы механической системы VIT дизелей MAN серии MC
Рейка VIT (верхняя, рис. 2), изменяющая угол опережения, механически связана с рейкой подачи топлива (нижняя, рис. 2), контролируемой регулятором Вудворд. При увеличении индекса рейки VIT происходит смещение вниз втулки плунжерной пары ТНВД, и, таким образом, угол опережения увеличивается.
Происходит это за счет насадки со специальной резьбой, установленной на втулку плунжерной пары, на которую воздействует верхняя VIT-рейка. Изменение индекса VIT в зависимости от нагрузки показано на рис. 3.
VARIATION
АОЪ 1СГА LOAD
Break
РфїПІ
Рис. 3. Зависимость максимального давления сгорания Pz, индекса VIT и цикловой подачи топлива от нагрузки для MAN Diesel серии MC
На рис. 3 показаны типовые зависимости основных параметров настройки VIT от нагрузки. Видно, что максимальный индекс VIT настроен на 85 % ^ном. Далее, до 1GG % ^ном индекс VIT уменьшается, что приводит к уменьшению угла опережения и, как следствие, относительному снижению Pz, а фактически - к поддержанию его постоянным, не превышающим заданный фирмой предел (140-145 бар [3]). Для разных типов и модификаций МОД MAN Diesel положение Break Point может находиться в диапазоне 75-85 %.
Влияние VIT на рабочий процесс МОД 6L80MC
Дизель 6L80MCE установлен на балкере класса Capesize грузоподъемностью 2GG GGG т. Он был проиндицирован на переходе порт Суэц - порт Стамбул в апреле 2G13 г. (рис. 4).
Рис. 4. Индицирование 6L8GMCE
В результате индицирования обнаружилось равномерное распределение всех индикаторных параметров по цилиндрам дизеля (№, М1Р, Pz, Рс, Рехр, Ут, X (рис. 5)). Это свидетельству-
ет о высоком качестве технического обслуживания двигателя со стороны технического персонала судна. В то же время обнаружилось, что средняя температура выпускных газов на основных эксплуатационных режимах составляла 330-350 °С. Результаты оценки индикаторной мощности показали ее 5 %-е снижение относительно данных Sea Trials и паспортных значений:
Ni = 1470,4-6 = 8822,4 кВт (* 1,36 = 11998,5 IHP).
VJDER rpm Ртах Рсотр МІР Pi Pt Vm Lmd Alf inj Fi ini Fi ext
1 60 89,9 62,0 12,87 1676,1 15,2 2,46 1,45 -3,5° low
2 60 86,7 59,7 10,82 1407,6 13,6 2,68 1,45 -3,2° — low
3 60 85,6 58,0 11,41 1490,3 13,5 2,62 1,48 -3,4° — low
3 60 15,3 58,8 11,66 1515,4 13,8 -0,78 0,26 -3,4° — low
4 60 85,1 59,2 11,26 1471,3 13,6 2,53 1,44 -4,1° — low
4 60 86,3 59,3 11,54 1500,8 13,7 2,51 1,45 -3,2° — low
5 60 84 58,9 10,69 1392,1 13,3 2,44 1,43 -3,3° — low
5 60 84,5 59,1 10,90 1423,5 13,5 2,24 1,43 -3,1° — low
6 60 83,6 59,0 10,82 1407,3 13,8 2,58 1,42 -3° — low
6 60 83,7 59,2 10,86 1419,8 13,7 2,7 1,41 -4,5° — low
:an Parameters:
60 78,5 59,3 11,29 1470,4 13,8 2,2 1,3 -3,5 0,0 0,0
Рис. S. Отчет системы D4.0H по результатам индицирования главного дизеля 6L80MCE (поздние углы впрыска и начала сгорания, VIT = 0)
Необходимо отметить, что в данных заводских испытаний и Sea Trials максимальные значения температуры выпускных газов не превышали 300 °С на всех нагрузочных режимах. Давление наддувочного воздуха и его температура находились в допустимых пределах. Таким образом, стала очевидной проблема поздней подачи топлива. На рис. 5 наглядно показано одинаково позднее начало самовоспламенения на развернутых индикаторных диаграммах всех цилиндров. Передние фронты импульсов вибродиаграмм показывали приблизительно одинаковый для всех форсунок (носовых и кормовых) поздний угол начала впрыска топлива. Индекс реек VIT был равен нулю. Система VIT была отключена и, как выяснилось, уже длительное время была выведена из эксплуатации.
В случае отключения системы VIT (индекс был равен нулю на всех режимах) угол опережения впрыска не менялся на всех режимах. Давление Pz изменялось пропорционально давлению газов в цилиндре в конце сжатия Рс, которое увеличивалось при увеличении цикловой подачи топлива за счет повышения давления наддувочного воздуха (показано пунктирной линией на рис. 3). В этом случае не использовался потенциальный резерв экономичности дизеля за счет допустимого увеличения «жесткости» рабочего цикла Pz на частичных режимах.
Общие признаки поздней подачи топлива в цилиндр дизеля
Общие признаки поздней подачи топлива в цилиндр дизеля (при неработающей системе УГГ) следующие (рис. 6):
- смещается вправо на линию расширения начало сгорания топлива (Рс’, см. также рис. 5);
- вибродиаграмма впрыска, записанная датчиком V S20, смещается вправо (в данном случае первый импульс вибродиаграммы, соответствующий подъему иглы форсунки, смещается вправо за верхнюю мертвую точку);
- снижается Pz, увеличивается давление на линии расширения Рехр (происходит частичное догорание топлива на линии расширения);
- повышается температура выпускных газов после цилиндра;
- повышается тепловая напряженность деталей ЦПГ;
- снижается мощность;
- увеличивается расход топлива;
- при повышенной тепловой нагрузке ЦПГ требуется повышенный расход цилиндрового масла;
- снижается механическая напряженность деталей ЦПГ и снижаются динамические нагрузки на рамовые и мотылевые подшипники.
Рис. 6. Рабочий процесс при нормальном (••••) и позднем (-) угле опережения впрыска топлива
В результате профилактики системы УГГ была найдена и устранена неисправность - восстановлено давление управляющего воздуха в пневматической системе до 7 бар. В результате характер рабочего процесса изменился так, как показано на рис. 7 и в таблице.
Результаты индицирования 6L80MCE
VII = 0 а
61_80МСЕ (Саре Ме1Ьоигпе /#1/) СУиИОЬК * 4
■180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180
Сгапк апд1е [°]
VII = 2,5 б
Рис. 7. Рабочий процесс 6L80MCE цилиндра 4: а - до; б - после восстановления работоспособности VII
Угол опережения впрыска увеличился; сместилось влево и стало более ранним самовоспламенение в цилиндре; увеличилось давление Pz; увеличилась скорость повышения давления
на первой фазе сгорания Vm и степень повышения давления X. Повысившаяся таким образом в допустимых пределах «жесткость» рабочего цикла привела к повышению его термодинамической эффективности. Как следствие, при той же цикловой подаче топлива (рис. 8) увеличилось среднее индикаторное давление (в среднем на 3-5 % на разных цилиндрах (табл.).
Рис. 8. Рейки ТНВД 6L80MCE после восстановления работоспособности системы VIT.
Индекс цикловой подачи Rack = 70 (снизу), VIT = 2,5 (сверху)
Температура выпускных газов уменьшилась - менее 300 °С на основном эксплуатационном режиме, что стало соответствовать данным Sea Trials.
Заключение
Работа системы VIT, предусмотренная разработчиками MAN Diesel & Turbo SE, необходима для качественной и экономичной эксплуатации дизеля. Кроме того, что в результате восстановления ее работоспособности суточный расход топлива главного дизеля 6L80MCE уменьшился в среднем на 2,2 т (!), снизилась средняя температура выпускных газов - на 30 °С. Ее снижение привело к уменьшению общего уровня теплонапряженности и повышению моторесурса двигателя [4].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Возницкий И. В. Современные малооборотные двухтактные двигатели / И. В. Возницкий. М.: Моркнига, 2007. 121 с.
2. G-Type Engine Revolutionary Ultra-Long-Stroke: www.mandieselturbo.com.
3. Varbanets R. Analyse of marine diesel engine performance / R. Varbanets, A. Karianskiy // Journal of Polish CIMAC. Energetic Aspects. Gdansk: Faculty of Ocean Engineering and Ship Technology Gdansk University of Technology. 2012. Vol. 7, N 1. P. 269-275.
4. Варбанец Р. А. Определение эффективных параметров и диагностика судовой дизельной энергетической установки / Р. А. Варбанец, В. Г. Ивановский, Ю. Н. Кучеренко, И. Н. Головань // Сучасш шформацшш та шновацшш технологи на транспорт MINTT-2012. Херсон: ХГМА, 2012. С. 202-207.
REFERENCES
1. Voznitskii I. V. Sovremennye malooborotnye dvukhtaktnye dvigateli [Modern low-speed two-stroke engines]. Moscow, Morkniga Publ., 2007. 121 p.
2. G-Type Engine Revolutionary Ultra-Long-Stroke: www.mandieselturbo.com.
3. Varbanets R., Karianskiy A. Analyse of marine diesel engine performance. Journal of Polish CIMAC. Energetic Aspects. Gdansk: Faculty of Ocean Engineering and Ship Technology Gdansk University of Technology, 2012, vol. 7, no. 1, pp. 269-275.
4. Varbanets R. A., Ivanovskii V. G., Kucherenko Iu. N., Golovan' I. N. Opredelenie effektivnykh paramet-rov i diagnostika sudovoi dizel'noi energeticheskoi ustanovki [Determination of the effective parameters and diagnostics of marine diesel power installation]. Suchasni іnformatsіinі ta innovatsiini tekhnologii na transporti MINTT-2012. Kherson, KhGMA, 2012, pp. 202-207.
Статья поступила в редакцию 24.07.2013
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Варбанец Роман Анатольевич — Одесский национальный морской университет, Украина; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация»; roman.varbanets@gmail.com.
Varbanets Roman Anatolievich — Odessa National Maritime University, Ukraine; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department "Ship Power Plants and Technical Operation"; roman.varbanets@gmail.com.
Александровская Надежда Игоревна — Одесский национальный морской университет, Украина; канд. техн. наук; и/о доцента кафедры «Судоремонт»; a.nadegda@gmail.com.
Alexandrovskaya Nadezhda Igorevna — Odessa National Maritime University, Ukraine; Doctor of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department "Ship Repair"; a.nadegda@gmail.com.
Головань Андрей Игоревич — Одесский национальный морской университет, Украина; аспирант кафедры «Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация»; andrew.golovan@gmail.com.
Golovan Andrey Igorevich — Odessa National Maritime University, Ukraine; Postgraduate Student of the Department "Ship Power Plants and Technical Operation"; andrew.golovan@gmail.com.
Кучеренко Юрий Николаевич — Одесский национальный морской университет, Украина; аспирант кафедры «Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация»; 100mat@bk.ru.
Kucherenko Yuri Nickolaevich — Odessa National Maritime University, Ukraine; Postgraduate Student of the Department "Ship Power Plants and Technical Operation"; 100mat@bk.ru.
