CC BY
113
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
УДК 629.424.3:621.436
Д. В. БАЛАГИН
Омский государственный университет путей сообщения
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТРУБОПРОВОДАХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДИЗЕЛЕЙ
В статье приводятся методика и результаты экспериментальных исследований тепловых процессов в трубопроводах высокого давления топливной аппаратуры дизелей.
Ключевые слова: топливная аппаратура, дизель, тепловизионный контроль, трубопровод высокого давления, топливный насос высокого давления, форсунка.
В настоящее время на кафедре «Локомотивы» Омского государственного университета путей сообщения ведется разработка технологии тепло-визионного контроля топливной аппаратуры (ТА) дизелей на основе визуализации температурных полей нагнетательных трубопроводов.
На нагрев узлов и элементов топливной системы высокого давления дизеля влияет множество факторов:
— температура в цилиндре дизеля, которая, в свою очередь, определяется состоянием цилиндропоршневой группы (компрессионные и маслосъемные кольца) , характеристиками топливной аппаратуры (угол опережения подачи топлива, давление и продолжительность впрыска), температурой охлаждающей воды;
— излучение деталей дизеля, имеющих высокую температуру поверхности (блок дизеля, выхлопной коллектор);
— техническое состояние и качество работы отдельных элементов топливной аппаратуры (нагнетательный клапан и плунжерная пара топливного
насоса высокого давления (ТНВД), сопловой наконечник форсунки) [1—3].
Рассмотреть всю совокупность факторов на данном этапе исследований без каких-либо ограничений не представляется возможным.
Например, не известно, в какой степени на нагрев форсунки и нагнетательного трубопровода влияет температура в цилиндре дизеля. Очевидно предположить, что форсунка (охлаждаемая водой и циркулирующим топливом), находясь в плотном контакте с цилиндровой крышкой, воспринимает значительное количество теплоты. Кроме того, обладая определенной массой и толщиной стенок, является инерционной в скорости изменения температуры. Следовательно, контроль температуры нагрева форсунки не даст однозначной оценки, что является причиной отклонения температуры поверхности от нормы (состояние поршневых колец или изменение характеристик топливоподачи по причине ухудшения состояния отдельных элементов форсунки).
Нагнетательный трубопровод находится в плотном соединении с форсункой. Очевидно, что он так
Рис. 1. Дизель 6ЧН16/22,5, тепловизор ИРТИС 2000 и пирометр Иау1ек МтГГешр
Технические характеристики дизеля 6ЧН16-22,5
Номинальная мощность, N0, кВт 147
Номинальная частота вращения коленчатого вала, Пд, мин.-1 750
Число цилиндров, Ъ 6
Диаметр цилиндров, Э, м 0,160
Ход поршня, Б, м 0,225
Рабочий объем цилиндра, Уь, м3 0,004524
Степень сжатия, е 13,4- 13,5
Порядок работы цилиндров 1-5-3-6-2-4
Удельный эффективный расход топлива, де, кг/(кВт-ч) 0,241
Удельный расход масла, дм, кг/(кВт-ч) 0,00545
Среднее эффективное давление Ре, МПа 0,84
Давление надувочного воздуха Рк, МПа 0,126-0,130
Максимальное давление сгорания Р2, МПа 7,1- 7,5
Давление в конце сжатия Рс, МПа 3,8 - 4,2
Давление открытия иглы форсунки Рф, МПа 25,0±0,5
Таблица 2
Технические характеристики тепловизора ИРТИС-2000
Приемник ІпБЬ, охлаждение жидким азотом
Спектральный диапазон 3 — 5 мкм
Пространственное разрешение <2mгad
Поле зрения камеры 25x20 град
Время сканирования кадра 1,5 с
Чувствительность к перепаду температуры на уровне 30° 0,05°
Диапазон измерения температуры От минус 20 до плюс 200 °С
Точность измерения ±1 %
Время автономного режима работы 5 ч
Масса прибора 1,8 кг
Таблица 3
Технические характеристики пирометра Кауіек МіпіТетр
Диапазон измерений -18 ... 275°С (-30 ... 200±С)
Точность (при температуре окружающей среды 23°±С) ±2 %, но не меньше ±2°C в диапазоне — 1° 275°C; ±3°C в диапазоне — 18±— 1°C
Воспроизводимость ±2 % от ИВ, но не меньше ±2°C
Время отклика; спектральный отклик 500 мс (95 % от ИВ); 7 ... 18 м
Коэффициент излучения фиксированный 0,95
Рабочая температура 0 ... 50°С
Вес / Габариты 227 г/152x101x38 мм
Лазер (Класс II) Laser Point6
же воспринимает какую-то долю теплоты от цилиндровой крышки (через форсунку) и подвержен воздействию теплового излучения блока дизеля. Топливные системы высокого давления дизелей с ТНВД блочного типа (ПД1М, КвБЭШБИ и т. д.) имеют нагнетательные трубопроводы длиной до 1,5 м [4]. Поэтому можно предположить, что температура в средней части трубопровода (и далее к ТНВД) в значительной степени будет определяться техническим состоянием соплового наконечника форсунки, нагнетательного клапана и плунжерной пары ТНВД и параметрами самой топливной аппаратуры (цикловая подача топлива). Главными параметрами топливо-подачи, определяющими температуру поверхности
(нагрева) нагнетательного трубопровода, являются давление, температура и расход циркулирующего топлива. В свою очередь, они зависят от множества других факторов (техническое состояние элементов ТА, температура окружающей среды, плотность топлива). Кроме того, давление в нагнетательном трубопроводе за цикл изменяется в значительных пределах (от 20 до 70 МПа) по сложному закону и зависит от режима работы силовой установки тепловоза (режим холостого хода, частичной нагрузки или номинальной мощности) [5].
Для подтверждения предположения о различной степени нагрева нагнетательных трубопроводов в зависимости от технического состояния топливной
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
Рис. 2. Максиметр:
1 — накидная гайка; 2 — стальная промежуточная камера; 3 — щелевой фильтр;
4 — сетчатый фильтр; 5 — седло; 6 — дроссельная шайба; 7 — клапан;
8 — ограничитель; 9 — корпус; 10 — трехходовой клапан; 11 — штуцер; 12 — манометр
Рис. 3. Термограммы трубопроводов высокого давления после 20 мин работы дизеля под нагрузкой
аппаратуры (форсунка, ТНВД) и предварительной оценки о возможности проведения теплового (тепло-визионного, пирометрического) контроля их работоспособности проведен ряд экспериментов на дизеле 6ЧН 16/22,5 фирмы Skoda кафедры «Локомотивы» (рис. 1).
Дизель 6ЧН 16/22,5 — четырехтактный, с газотурбинным наддувом, номинальная мощность — 147 кВт, при частоте вращения коленчатого вала 750 мин-1. В топливной системе высокого давления используются ТНВД блочного типа. Технические характеристики двигателя приведены в табл. 1.
Для проведения бесконтактного теплового контроля использовались пирометр Яауіек МіпіТетр и портативный компьютерный термограф (тепловизор) ИРТИС 2000, состоящий из: ИК-приемной камеры, компьютера типа ЫОТЕВООК, и специального программного обеспечения (рис.1). Технические характеристики приборов приведены в табл. 2, 3.
На первом этапе для общей оценки технического состояния цилиндропоршневой группы, топливной аппаратуры и качества протекания рабочего процесса были определены (при помощи максиметра
(рис. 2)) давление сжатия (Рс) и максимальное давление сгорания (Р2) по цилиндрам. Газы из цилиндра двигателя поступали к манометру, проходя через невозвратный клапан. При включенных топливных насосах манометр показывал давление сгорания, а при выключенной подаче топлива — давление в конце сжатия. Ошибка измерений не превышала
0,03 МПа и является незначительной.
Установлено, что в І, II и III цилиндрах не создается необходимое давление сгорания. Очевидно, что при удовлетворительном техническом состоянии цилиндропоршневой группы причина заключается в качестве работы топливной аппаратуры.
Эксперимент по контролю температуры нагрева нагнетательных трубопроводов проводился в следующей последовательности:
— подготовка к работе тепловизора и пирометра;
— запуск дизеля; прогрев дизеля при частоте вращения 450 мин-1 в течение 10 мин.;
— включение нагрузочного реостата;
— вывод дизеля на вторую ступень нагрузки;
— работа дизеля на второй ступени нагрузки в течение 20 мин;
Влияние процессов, происходящих в цилиндрах дизеля, на температуру нагнетательных трубопроводов ТА
Режим малых нагрузок Параметр Цилиндр
1 2 3 4 5 6
N6 — 22,7 кВт п — 450 мин-1 Рс, МПа 2,4 2,4 2,3 2,3 2,4 2,5
Р2, МПа 2,6 3,5 3,2 4,85 4,9 5,1
Ц, оС (40 см) 33,3 34,2 32,9 39,2 39,8 41,5
Опыт № 2 после смены положения форсунок Замена форсунок
4 5 6 1 2 3
^— 24 кВт п — 450 мин-1 Рс, МПа 2,3 2,4 2,5 2,4 2,4 2,3
Р2, МПа 5,2 4,95 5,0 2,8 3,2 3,1
Ц, оС (40 см) 41,2 40,1 39,4 35,3 35,2 34,9
— проведение пирометрического и тепловизи-онного контроля температуры поверхности нагнетательных трубопроводов;
— переустановка форсунок по цилиндрам и повторение вышеперечисленных операций;
— анализ полученных результатов.
Результаты пирометрического контроля представлены в табл. 4, в которой приведены для различных цилиндров дизеля давления воздуха в конце процесса сжатия (Рс), максимальная величина давления сгорания топлива (Р2) и температура на поверхности трубопроводов (у. Исследования проведены для режимов работы дизеля на малых нагрузках. Температура на поверхности трубопровода определялась на расстоянии 40 см от ТНВД.
Одновременно с пирометрическим контролем проводилось термографирование топливной аппаратуры дизеля, при первоначальном расположении форсунок по цилиндрам (рис. 3).
Эксперимент проводился на дизеле, имеющем удовлетворительное состояние цилиндропоршневой группы, следовательно, возможное влияние поршневых колец на давление и температуру в цилиндре было исключено.
Анализ результатов эксперимента показал, что температура поверхности нагнетательного трубопровода свидетельствует о неудовлетворительном техническом состоянии топливной аппаратуры (форсунок). Правомерность принятого заключения подтверждается переустановкой форсунок по цилиндрам и определением максимального давления сгорания (табл. 4).
В конце работы можно сделать следующие выводы:
1. Предложена методика оценки рабочего процесса в цилиндрах дизеля по температуре трубопроводов насоса высокого давления.
Книжная полка
2. Необходимы дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования влияния температуры трубопровода на оценку состояния топливной аппаратуры и цилиндропоршневой группы дизеля.
Библиографический список
1. Лышевский, А. С. Питание дизелей : учеб. пособие / А. С. Лышевский. — Новочеркасск : Типография политехн. института, 1974. — 468 с.
2. Криворудченко, В. Ф. Современные методы технической диагностики и неразрушающего контроля деталей и узлов подвижного состава железнодорожного транспорта : учебник для вузов ж.-д. трансп. / Р. А. Ахмеджанов, В. Ф. Криворудченко. — М. : Маршрут, 2005. — 436 с.
3. Гуревич, А. Н. Топливная аппаратура тепловозных и судовых двигателей типа Д100 и Д50 : учебное пособие / А Н. Гуревич, З. И. Сурженко, П. Т. Клепач. — М. : Машиностроение, 1968. - 248 с.
4. Локомотивные энергетические установки : учебник для вузов ж.-д. трансп. / А. И. Володин [и др.] ; под. общ. ред. А. И. Володина. — М. : Желдориздат, 2002. — 718 с.
5. Блинов, П. Н. Совершенствование технического обслуживания и ремонта топливной аппаратуры тепловозных дизелей : дис. ... д-ра техн. наук / П. Н. Блинов. — Омск, 1986. — 178 с.
БАЛАГИН Дмитрий Владимирович, аспирант кафедры «Локомотивы».
Адрес для переписки: balagin@mail.ru
Статья поступила в редакцию 02.02.2012 г.
© Д. В. Балагин
Белокрылов, И. В. Теория, расчет и конструирование роторных компрессоров : конспект лекций / И. В. Белокрылов, С. Н. Михайлец ; ОмГТУ. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - 83 с- ISBN 978-58149-1142-1.
Конспект лекций по дисциплине «Теория, расчет и конструирование роторных компрессоров» предназначен для студентов, обучающихся по специальностям 150801 «Вакуумная и компрессорная техника физических установок» и 140401 «Техника и физика низких температур» всех форм обучения.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
