CC BY
74
УДК 621.43.031/.032 ББК 31.365
В. Г. Ивановский, Р. А. Варбанец, В. П. Губанов
МОДЕРНИЗАЦИЯ ТОПЛИВНЫХ НАСОСОВ ДИЗЕЛЯ ТИПА ДКРН ТРЕТЬЕЙ, ЧЕТВЕРТОЙ И СЕДЬМОЙ МОДИФИКАЦИИ
V. G. Ivanovskiy, R. A. Varbanets, V. P. Gubanov
MODERNIZATION OF DIESEL FUEL PUMPS OF DKRN TYPE OF THE THIRD, FOURTH AND SEVENTH MODIFICATION
Приведены результаты стендовых и натурных испытаний топливного насоса высокого давления малооборотного судового дизеля и модернизированной конструкции всасывающего клапана. Результаты исследований позволяют исключить протечки топлива между втулкой плунжера и корпусом всасывающего клапана. Это дает возможность повысить параметры впрыскивания топлива, упростить проверку гидроплотности плунжерной пары, а также упростить и повысить точность регулирования угла начала впрыскивания топлива в ходе эксплуатации.
Ключевые слова; топливный насос высокого давления, всасывающий клапан, угол начала впрыска топлива, цикловая подача, давление впрыска.
The results of the bench and the natural testing of high-pressure fuel pump of the slow-speed marine diesel engine and an upgraded design of the suction valve are given. The results of the researches allow exclusion of fuel leakage between the sleeve of the plunger and the suction valve block. This can improve the fuel injection parameters, simplify checking hydraulic closeness assembly, as well as simplify and improve the accuracy of adjusting the angle of the start of the fuel injection operation.
Key word: high-pressure fuel pump, suction valve, fuel injection start angle, cyclic flow, pressure inj ection.
В топливных насосах высокого давления (ТНВД) дизелей ПО «Брянский машиностроительный завод» третьей, четвертой и седьмой модификации всасывающий клапан вставлен во втулку плунжера с некоторым зазором, необходимым для вертикального перемещения втулки при регулировании угла фнв начала впрыскивания топлива. Так как во время нагнетания через этот зазор топливо из надплунжерного пространства протекает во всасывающую полость ТНВД, то в рабочих чертежах предусмотрены очень малые допуски при изготовлении корпуса клапана и внутреннего диаметра втулки плунжера в районе нахождения клапана, в результате чего диаметральный зазор 5 между этими деталями сравнительно небольшой. Например, в дизелях ДКРН 74/160-3 зазор не должен превышать 40 мкм, а в дизелях ДКРН 80/160-4 - 48 мкм.
Стендовые испытания ТНВД дизеля ДКРН 74/160-3, выполненные в лаборатории кафедры «Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация» Одесского национального морского университета (ОНМУ), показали, что если зазор находится в приведенных выше пределах, то его влияние на впрыскивание топлива мало, при этом наличие зазора позволяет сравнительно просто регулировать углы начала вспрыскивания топлива по цилиндрам для выравнивания в них максимального давления сгорания, а также при смене сорта топлива или изменении технического состояния двигателя. В современных малооборотных дизелях уделяется исключительное внимание обеспечению возможности регулирования угла начала впрыскивания топлива при изменении условий эксплуатаций.
Так, например, в ТНВД дизелей последней конструкции фирмы «МАН - Бурмейстер и Вайн» типа МС/МСЕ [1] вертикальное перемещение втулки плунжера ТНВД осуществляется специальным регулировочным устройством, рейка которого (ТНВД имеет две рейки) управляется электронным регулятором нагрузки.
Однако в эксплуатации очень часто значение зазора 5 превышает допустимое значение в 2-10 раз [2], что вызвано, как правило, нарушением технологии изготовления сопрягающихся деталей, их повышенным износом и отсутствием на судах большого запаса всасывающих клапанов, а также измерительного инструмента, которым можно было бы определить зазор с погрешностью не более +5 мкм.
Стендовые испытания показали, что уже при 5 = (50-60) мкм наблюдаются большие протечки топлива через зазор, которые заметно снижают цикловую подачу и давление вспрыскивания. В данном случае не только снижается качество распыливания топлива, а следовательно, и его сгорания - для восстановления цикловой подачи приходится увеличивать индекс топливной рейки насоса, т. е. продолжительность впрыскивания топлива. В результате снижается экономичность дизеля (растет удельный расход топлива) и повышается температура отработавших газов и нагарообразование.
Для ликвидации отрицательных последствий при работе ТНВД с большими зазорами 5 механики проводят различные мероприятия, среди которых следует отметить закатку красно-медных поясков на корпусе всасывающего клапана с последующей его запрессовкой во втулку плунжера [2].
При этом утечки топлива через зазор полностью устраняются, но одновременно, как показал длительный опыт эксплуатации и стендовые испытания в ОНМУ, выявились очень серьезные недостатки, а именно:
- практически невозможным стало регулировать начало впрыскивания топлива из-за необходимости многократной выпрессовки и запрессовки всасывающих клапанов с заменой красномедных поясков. В результате пришлось отказаться не только от установки оптимальных углов фнв при смене сорта топлива, но и от регулировки максимального давления сгорания по цилиндрам;
- при запрессовке клапана возникает большая вероятность перекоса оси втулки относительно оси плунжера, что приводит к повышенному износу плунжерной пары;
- наблюдаются обрывы шпилек крепления крышки ТНВД при их использовании для запрессовки и выпрессовки клапана.
Другое решение возникшей задачи было предложено в [3]. В настоящее время оно усовершенствовано и прошло длительную опытную эксплуатацию. Схема установки модернизированного всасывающего клапана в ТНВД показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема установки модернизированного всасывающего клапана в ТНВД:
1 - корпус насоса; 2 - втулка плунжера; 3 - шпилька; 4 - всасывающий клапан в сборе;
5 - крышка насоса; 6 - топливопровод высокого давления; 7 - прокладка; 8 - плунжер
Положение втулки плунжера относительно корпуса насоса, т. е. и относительно плунжера, зависит от положения верхней части корпуса всасывающего клапана в крышке насоса. Вращение клапана в резьбе крышки осуществляется сверху торцевым ключом. Угол фнв регулируется без снятия крышки насоса (по аналогии, как в дизелях ДКРН третьей модификации). Зазор 5 перекрывается красно-медной прокладкой.
Модернизированный клапан был всесторонне испытан на стенде ОНМУ, где такие клапаны без каких-либо серьезных замечаний уже отработали около 1 500 ч в эксплуатации на судах.
На стенде модернизированный клапан испытывался на ТНВД дизеля ДКРН 74/160-3. Во время испытаний проводилось осциллографирование процесса впрыскивания топлива и регистрировалось в распределительной коробке и непосредственно перед распылителями обеих форсунок. Продолжительность впрыскивания определялась по кривой открытия игл распылителей. Испытания носили сравнительный характер со штатными всасывающими клапанами, при установке которых зазор 5 равнялся 17 или 100 мкм. Основные результаты исследования, проведенного на режимах винтовой характеристики дизеля ДКРН 74/160-3, показаны на рис. 2.
После увеличения зазора с 17 до 100 мкм при неизменном индексе насоса m = 42 усл. ед. на номинальном режиме с частотой вращения п = 120 мин-1 цикловая подача топлива дц уменьшилась на 25,3 %, начало впрыскивания топлива сместилось на 1,4° поворота коленчатого вала (ПКВ) к верхней мертвой точке (ВМТ), максимальное давление топлива в форсунке рф снизилось с 61 до 37 МПа (на 39,3 %), уменьшилась и продолжительность впрыскивания фвп (на 2° ПКВ). Чтобы восстановить номинальную цикловую подачу 38,5 г при номинальной частоте вращения коленчатого вала п = 120 мин-1, пришлось индекс насоса с 42 увеличить до 54 усл. ед., но при этом продолжительность вспрыскивания топлива возросла на 4,4° ПКВ, а максимальное давление впрыскивания повысилось всего на 2,5 МПа, т. е. оно было ниже на 20 МПа по сравнению со случаем 5 = 17 мкм, когда удовлетворяется требование рабочих чертежей.
После установки модернизированного клапана с зазором 100 мкм, но уплотненным прокладкой 7 (рис. 1), параметры процесса топливоподачи стали соответствовать аналогичным параметрам при установке штатного клапана с малым зазором 5. В этом нетрудно убедиться при сравнении опытных точек цикловой подачи, максимального давления топлива в форсунке и продолжительности вспрыскивания топлива (рис. 2).
фвп,
ПКВ
25
20
15
<7ц > г
35
30
25
20
НИ! !П5 1](] 1 ! 5 п, мин-1
Рис. 2. Зависимость параметров процесса впрыскивания топлива от частоты вращения вала ТНВД: о - модернизированный клапан; А - штатный клапан с зазором 5 = 17 мкм; х - штатный клапан с зазором 5 = 100 мкм; 1 - продолжительность впрыскивания;
2 - максимальное давление топлива в форсунке; 3 - цикловая подача
То, что замена штатного клапана с малым зазором 5 модернизированным клапаном не оказывает влияния на процесс впрыскивания топлива, видно при сравнении осциллограмм процесса впрыскивания топлива на номинальном режиме (рис. 3). Осциллограмма а соответствует случаю установки штатного клапана с зазором 17 мкм, а осциллограмма б - случаю установки модернизированного клапана.
ГЛ1
\ | 1 мм = 0,343° 1 1 1 мм = 0,479 мс
А
а б
Рис. 3. Осциллограммы процесса впрыскивания топлива:
1 - фазовая отметка; 2 и 5 - ход игл форсунок № 1 и 2; 3 и 4 - давление топлива в форсунках № 1 и 2; 6 - давление топлива в распределительной коробке
При обработке осциллограммы а получено: частота вращения п = 119,3 мин-1, продолжительность впрыскивания форсункой № 1 фвп1 = 25,9° ПКВ, продолжительность впрыскивания форсункой № 2 фвп2 = 25,4° ПКВ, угол начала впрыскивания форсункой № 1 фнв1 = 15,0° условной шкалы, угол впрыскивания форсункой № 2 фнв2 = 15,2° условной шкалы, максимальное давление топлива в форсунке № 1 рф1 = 60 МПа, максимальное давление топлива в форсунке № 2 рф2 = 59,5 МПа, максимальное давление топлива в распределительной коробке рр = 57 МПа. При обработке осциллограммы б получено: п = 119,4 мин-1, фвп1 = 25,2° ПКВ, фвп2 = 24,7° ПКВ, фнв1 = 14,4° условной шкалы, фнв2 = 14,6° условной шкалы, рф1 = 62,5 МПа, рф2 = 64 МПа, рр = 61 МПа.
Имеющиеся расхождения в аналогичных значениях параметров процесса впрыскивания топлива находятся в пределах погрешностей записи осциллограмм и их обработки.
Модернизированный клапан при его вворачивании или выворачивании, как было отмечено выше, изменяет положение втулки плунжера, т. е. геометрическое начало подачи топлива, поэтому было проведено исследование изменения параметров процесса впрыскивания топлива при опускании клапана. Исследовался режим работы, существующий п = 120 мин-1 при индексе насоса m = 42 усл. ед. (рис. 4). Положение клапана h определялось расстоянием от верхнего торца корпуса до нижней поверхности в углублении, выточенном в крышке ТНВД (см. рис. 1).
А ф н.в , °ПКВ до ВМТ
Рис. 4. Зависимость параметров процессов впрыскивания топлива от положения всасывающего клапана к крышке ТНВД:
1 - увеличение угла начала вспрыскивания; 2 - максимальное давление топлива в форсунке; 3 - продолжительность впрыскивания; 4 - цикловая подача
При вворачивании клапана втулка плунжера опускается, поэтому отсеченные окна раньше перекрываются плунжером, в связи с этим подача топлива насосом начинается также раньше, в результате чего возрастает угол начала впрыскивания топлива. Возможно максимальное увеличение угла начала впрыскивания достигло Афнв = 3° ПКВ. В этом случае отмечено некоторое снижение цикловой подачи (с 37,8 до 35 г, т. е. на 7,4 %), что можно компенсировать увеличением индекса насоса с 42 до 45,5 усл. ед. При таком увеличении индекса насоса, как показала опытная проверка, изменение фвп и рф по сравнению с базовым вариантом сравнительно мало и не оказывает заметного влияния на рабочий процесс дизеля. Следует отметить, что во всех семи положениях клапана уплотнение зазора осуществлялось без замены красно-медной прокладки под буртом корпуса клапана.
Затем клапан возвратили в начальное положение (Н = 30 мм) и повторили режим работы. Обработка осциллограммы этого режима показала полное совпадение процесса топливоподачи с процессом топливоподачи после первой сборки насоса, т. е. после восьми обжатий прокладка обеспечивала качественное уплотнение. Следовательно, при установке таких клапанов на дизелях ДКРН четвертой и седьмой модификации существенно упрощается регулирование угла фнв, т. к. отпадает необходимость в снятии крышки насоса при регулировании. Смену прокладки можно приурочить к демонтажу всасывающего клапана и его седла.
Комплект экспериментальных клапанов был исследован на главном дизеле 9ДКРН 80/160-4. Испытания этих клапанов носили сравнительный характер (сравнение проводилось со штатными клапанами, которые отвечали техническим требованиям фирмы к допустимым значениям зазора 5 < 48 мкм). Во время испытаний определялся расход топлива, регистрировались по штатным приборам основные показатели работы дизеля и проводилось индицирование всех цилиндров. Сводные результаты опытов представлены на рис. 5.
рк, кПа
Рис. 5. Винтовая характеристика главного двигателя: х - штатные клапаны; о - модернизированные клапаны; 1 - давление наддувочного воздуха;
2 - частота вращения ротора турбокомпрессоров; 3 - температура отработавших газов после цилиндров;
4 - максимальное давление сгорания; 5 - давление сжатия; 6 - среднее индикаторное давление;
7 - удельный индикатор расхода топлива
Как видно из анализа кривых удельного индикаторного расхода топлива gi, после установки модернизированных всасывающих клапанов отмечено снижение расхода топлива приблизительно на 3 %. Однако такое изменение удельного расхода топлива лежит в пределах погрешности его замера. Этот вывод полностью подтверждается при анализе и других показателей работы дизеля, а именно: среднего индикаторного давления рь давления сжатия рс и максимально-
го давления сгорания р2, давления наддувочного воздуха pk, частоты вращения «тк роторов турбокомпрессоров и, особенно, температуры отработавших газов после цилиндров tn. Так как охлаждение двигателя в процессе опытов не изменялось, то снижение удельного расхода топлива, т. е. повышение экономичности дизеля, было бы возможным лишь за счет снижения потери теплоты с отработавшими газами. Однако этого не произошло, т. к. после замены штатных всасывающих клапанов модернизированными температура отработавших газов осталась неизменной. Не изменилось и количество отработавших газов, т. к. давление и температура наддувочного воздуха остались теми же.
Заключение
Результаты стендовых и натурных испытаний, а также опытной эксплуатации позволяют сделать следующие основные выводы.
1. Установка модернизированных всасывающих клапанов обеспечивает паспортные характеристики двигателя независимо от величины зазора между корпусом клапана и втулкой плунжера ТНВД, что в конечном счете упрощает эксплуатацию дизеля.
2. Работоспособность модернизированных всасывающих клапанов, особенно с конусным уплотнительным седлом, оказалась более высокой по сравнению с работоспособностью штатных клапанов отечественного производства.
3. Значительно упростилась методика проверки гидроплотности плунжерных пар и их выбраковка в связи с ликвидацией утечек топлива через зазор между корпусом всасывающего клапана и втулкой плунжера.
4. В дизелях четвертой и седьмой модификации упростилось регулирование угла начала впрыскивания топлива.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. MAN-B&W. 2-stroke MC Engines. Denmark, Copenhagen: Istedition, 1986.
2. Алексеенко А. Ф. Исследование причин интенсивных износов ЦПГ двигателей 8ДКРН 74/160-3, установленных на судах типа «Харитон Греку» / А. Ф. Алексеенко // Морской транспорт. Сер.: Техническая эксплуатация флота. Экспресс-информ. М.: В/О «Мортехформреклама». 1987. Вып. 3 (647). С. 7-15.
3. Новак Е. И. Совершенствование конструкции топливного насоса высокого давления дизелей Брянского машиностроительного завода (БМЗ) третьей и четвертой модификации / Е. И. Новак // Морской транспорт. Сер.: Техническая эксплуатация флота. Экспресс-информ. М.: В/О «Мортехинформрек-лама». 1981. Вып. 1 (505). С. 15-22.
REFERENCES
1. MAN-B&W. 2-stroke MC Engines. Copenhagen. Denmark, Istedition, 1986.
2. Alekseenko A. F. Issledovanie prichin intensivnykh iznosov TsPG dvigatelei 8DKRN 74/160-3, ustanovlennykh na sudakh tipa «Khariton Greku» [Study of the reasons of intense weariness of cylinder-piston engines 8 DKRN 74/160-3, mounted at the vessels "Khariton Greque"]. Morskoi transport. Seriia: Tekhnicheskaia ekspluatatsiia flota. Ekspress-informatsiia. Moscow, V/O «Mortekhformreklama», 1987, iss. 3 (647), pp. 7-15.
3. Novak E. I. Sovershenstvovanie konstruktsii toplivnogo nasosa vysokogo davleniia dizelei Brianskogo mashinostroitel'nogo zavoda (BMZ) tret'ei i chetvertoi modifikatsii [Improvement of the structure of the high-pressure diesel fuel pump of Bryansk machine building plant of the third and fourth modifications]. Morskoi transport. Seriia: Tekhnicheskaia ekspluatatsiia flota. Ekspress-informatsiia. Moscow, V/O «Mortekhinformrek-lama», 1981, iss. 1 (505), pp. 15-22.
Статья поступила в редакцию 24.12.2013
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Ивановский Валерий Георгиевич - Одесский национальный морской университет, Украина, д-р техн. наук, профессор кафедры «Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация»; roman.varbanets@gmail.com.
Ivanovskiy Valeriy Georgievitch - Odessa National Maritime University, Ukraine; Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department "Ship Power Plants and Technical Operation"; roman.varbanets@gmail.com.
Варбанец Роман Анатолиевич - Одесский национальный морской университет, Украина, д-р техн. наук, профессор, зав кафедрой «Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация»; roman.varbanets@gmail.com.
Varbanets Roman Anatolevich - Odessa National Maritime University, Ukraine; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department "Ship Power Plants and Technical Operation"; roman.varbanets@gmail.com.
Губанов Виктор Петрович - Одесский национальный морской университет, Украина; старший преподаватель кафедры «Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация»; roman.varbanets@gmail.com.
Gubanov Victor Petrovich - Odessa National Maritime University, Ukraine; Senior Lecturer of the Department "Ship Power Plants and Technical Operation"; roman.varbanets@gmail.com.
