CC BY
120УДК 621.431
М.Н. Новосельцев, инженер-конструктор, Самарский филиал ФГБОУВО «ВГУВТ»
443020, г. Самара, ул. Ленинградская, 75
О.П. Шураев, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
А.Г. Чичурин, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЯ СТЕНДА С ДВИГАТЕЛЕМ 6L160PNS И ГИДРОТОРМОЗОМ
Ключевые слова: испытания дизелей, испытательный стенд, гидротормоз, контроль крутящего момента, рабочий процесс дизеля, вредные выбросы с отработавшими газами
В статье описываются особенности создания многоцелевого испытательного стенда на базе гидротормоза и проведенные с его помощью исследования рабочего процесса дизеля 6L160 PNS (6 ЧН 16/22.5). Особое внимание уделено разработке собственной конструкции гидротормоза. В ходе испытаний проверялась работоспособность испытательного стенда. В частности уточнялась фактическая нагрузочная характеристика гидротормоза, совместимость выходных параметров дизеля и гидротормоза в рабочем диапазоне, возможность отвода поглощаемой энергии, а также способность дизеля устойчиво работать на любом эксплуатационном режиме и соответствие выбросов вредных веществ в отработавших газах действующим нормам.
Введение
Практически все учебные заведения, занимающиеся подготовкой специальностей, связанных с проектированием, ремонтом и эксплуатацией ДВС располагают использующимися в качестве наглядных пособий двигателями. К сожалению, только незначительная их часть оснащается нагрузочными устройствами. Это объясняется как низкой доступностью, так и значительной стоимостью данных агрегатов. Вместе с тем, сложно представить себе полноценное изучение рабочего процесса ДВС и особенностей его эксплуатации без возможности задания двигателю реальных нагрузок.
С другой стороны, в рамках планируемой совместной деятельности Самарского филиала университета и региональных структур ГО и ЧС приобрели актуальность практические задачи, связанные с проведением послеремонтных испытаний и выполнением доводочных работ по силовым установкам робототехнических комплексов специального назначения.
Еще одной предпосылкой к созданию испытательного стенда явились выполняемые филиалом НИОКР, касающиеся непосредственного измерения крутящего момента главных и вспомогательных судовых двигателей.
С целью решения данной проблемы авторами статьи был изготовлен и испытан многоцелевой стенд с судовым дизелем «Шкода» 6L160PNS (6 ЧН 16/22.5) номинальной мощностью 140 кВт при частоте вращения 750 мин-1. Предлагаемая статья является попыткой обобщения полученного в процессе создания стенда опыта, и, по мнению авторов, в аналогичной ситуации может оказаться полезной.
1. Формирование технического задания на разработку стенда
Процесс создания тормозного стенда был начат с анализа тематики лабораторных и практических работ по курсу ДВС согласно учебному плану. В результате обозначился первоначальный круг решаемых задач, с учетом которых определился функционал стенда, а также ряд основных параметров, например требуемая точность оп-
ределения крутящего момента, длительность работы под нагрузкой, необходимый ресурс, а также предельно допустимые массогабаритные показатели. Оценивалась возможность изготовления нагрузочного устройства собственными силами с ограниченным привлечением производственных мощностей судоремонтного участка. Выбор окончательного варианта определился с учетом следующих приоритетов:
1. Максимально возможное использование отечественных комплектующих минимальной стоимости.
2. Погрешность задания нагрузки во всем мощностном диапазоне менее 2%.
3. Повышенные требования к безопасности эксплуатации стенда, связанные с присутствием студентов.
4. Простота эксплуатации.
5. Высокая надежность, ремонтопригодность и достаточный срок службы (более 50% от аналогичного параметра дизеля).
6. Наличие свободного участка гребного вала длиной не менее 700 мм, предназначенного для монтажа тензометрической оснастки для проведения работ по НИОКР.
7. Наглядность отображения величины крутящего момента.
В результате были отобраны несколько вариантов решения, выполнены эскизные проекты и проведено моделирование некоторых узлов. Так, рассматривались:
1. Колодочное тормозное устройство с фрикционным узлом жидкостного трения.
2. Ленточный вариант агрегата аналогичной концепции.
3. Аэродинамическая схема на базе винта изменяемого шага В-530ТА-Д35 с регулятором нагрузки Р-2, устанавливающегося на самолеты Як-52 с двигателем М-14П.
4. Гидротормозное нагрузочное устройство.
Для проведения краткосрочных (до 10-15 с) нагрузочных режимов с последующими длительными перерывами приемлемыми, по нашему мнению, являются варианты фрикционных агрегатов. В варианте колодочного тормоза весьма привлекательно выглядит возможность применения доступных и бюджетных автомобильных комплектующих. В режиме тормозного устройства были испытаны колодочные и барабанные тормоза отечественных автомобилей ВАЗ 2110, ЗиЛ-157, КамАЗ, показавшие ограниченную применимость их к решению поставленной задачи.
Самого серьезного внимания, на наш взгляд, заслуживает схема аэродинамического тормозного устройства, выполненного с применением воздушного винта. Известны балансировочные стенды на базе винтомоторной группы поршневых авиационных двигателей, в частности АИ-14Р, М-14П, АШ-62 и других. Задание величины снимаемого момента производится изменением шага винта при помощи штатного гидромеханического привода. Постоянство нагрузочного режима обеспечивается регулятором шага винта.
С другой стороны, следует отметить различие режимов работы авиационного и судового двигателей. В конкретном примере максимальная частота вращения коленчатого вала двигателя 6L160PNS составляет 750 мин-1 при аналогичном параметре воздушного винта В-530 ТА-Д 35 п = 2500 мин-1. Решение в этом случае видится в использовании конструктивной схемы, представленной на рис. 1.
Двигатель 1 закрепляется неподвижно на фундаментной раме и связывается валом 2 с угловым редуктором (в рассматриваемом случае - мультипликатором) 7, имеющим необходимое передаточное отношение. Корпус редуктора смонтирован на подшипниковых опорах 6, обеспечивающих его угловое перемещение вместе с воздушным винтом относительно оси первичного вала. Винт 3 закреплен на выходном валу и размещен в сферической камере 5, причем центр сферы находится в точке пересечения осей валов редуктора. Воздушный поток отводится вертикально вверх, причем в канале могут быть размещены и эффективные глушители шума.
Рис. 1. Принципиальная схема тормозного стенда на базе воздушного винта изменяемого шага: 1 - дизель; 2 - вал; 3 - воздушный винт; 4 - измерительное устройство; 5 - сферическая камера; 6 - опоры подшипниковые; 7 - угловой редуктор
Достоинством данной схемы является (при соответствующем расположении двигателя и наличии других необходимых условий) возможность размещения собственно аэродинамического тормозного устройства вне помещения, к примеру, на стене здания. Таким образом, решаются вопросы безопасной эксплуатации, экономятся полезные площади, а также появляется возможность обеспечить эффективное шумоподавление.
2. Особенности гидродинамического расчета гидротормоза
Особые условия и требования, предъявляемые к стенду, а также невысокие производственные возможности не позволили авторам применить общепринятые конструкторские методики. В частности, ограничение габаритов стенда по длине заставило отступить от классических пропорций рабочих камер. С другой стороны, было необходимо сохранить приемлемое удельное соотношение полезного объема последних к поглощаемой мощности с целью минимизации неизбежных кавитационных процессов, а также во избежание чрезмерных пульсаций потока, и, как следствие, возникновения вибраций элементов конструкции. Исходя из этого, в качестве прототипа расчетной модели был выбран центробежный насос с размерами, максимально допустимыми по условиям компоновки. Характеристики режима определялись из условия нулевого расхода жидкости при тупиковом давлении. Гидродинамика проточной части рассчитывалась по классической методике, в частности были использованы источники [1, 2]. Кавитационный запас вычислялся, исходя из предположения о максимально (60-70% от рассматриваемого объема) развитой вихревой зоне и полном преобразовании поглощаемой механической энергии в теплоту. В расчетах брался приток холодной воды из сети не более 10% рабочего объема в минуту. Теплоотвод через внешние поверхности корпуса гидротормоза во внимание не принимался и шел в запас.
Предполагаемая поглощаемая мощность определялась как сумма энергий вихревой области, работы сил трения пограничных слоев жидкости о корпус, а также работы противодействия тангенциальных встречных потоков, формируемых направляющим аппаратом корпуса, вращению ротора. Использование последних спровоцировало достаточно интенсивную тряску на максимальных режимах при наличии предельных температур рабочей жидкости, но в условиях ограниченности габаритных размеров гидротормоза явилось вынужденной мерой.
Полученные аналитически результаты экспериментально подтверждены моделированием фрагмента проточной части с закрепленными неподвижно лопатками, имеющими параметры, соответствующие расчетным. Передняя крышка макета была выполнена прозрачной, из ударопрочного оргстекла марки Н1. Поток создавался внешним центробежным насосом, имелся как регулируемый слив, так и долив свежей воды. Расчетная температура рабочего тела поддерживалась вручную. Картина обтекания визуализировалась при помощи цветных синтетических нитей, закрепленных на входе в макет проточной части, а также введением в поток пластиковых цветных шариков диаметром 2,2 мм.
Проведенные модельные исследования позволили глубже изучить рабочий процесс, а также убедиться в достаточной точности выполненных расчетов и внести необходимые поправки в геометрию как ротора, так и направляющего аппарата уже на стадии проектирования.
3. Конструктивная схема тормозного стенда
По результатам проведенного анализа для реализации был окончательно выбран вариант гидротормозного нагрузочного устройства. Применена независимая схема подвески, допускающая снижение общей жесткости конструкции. Основным аргументом в пользу данного решения послужила перспектива возможной реализации аналогичного стенда в мобильном варианте и необходимость обеспечения работоспособности его без установки на фундамент. Компоновка стенда (рис. 2) определялась с учетом уже имеющихся узлов и агрегатов, а также из условий обеспечения свободного подхода и размещения группы студентов в процессе проведения лабораторных занятий.
Рис. 2. Принципиальная схема тормозного стенда: 1 - маховик двигателя, 2 - муфта, 3 - главный вал, 4 - стойка подшипниковой опоры, 5 - опорный подшипник, 6 - передний подшипник корпуса гидротормоза, 7 - крышка корпуса гидротормоза, 8 - крыльчатка, 9 - задний подшипник корпуса гидротормоза, 10 - пиллерс, 11 - пластины статора, 12 - рама основания
Конструктивные элементы стенда в скомпонованы на П-образной раме 12, объединенной с фундаментом двигателя. В задней части рамы имеется пиллерс 10, приваренный внизу к поперечине рамы, а вверху к металлоконструкциям потолочного перекрытия помещения лаборатории. Крыльчатка гидротормоза 8 жестко закреплена на главном валу 3, базирующемся в свою очередь на внутреннем посадочном диаметре
маховика 1 и опорном подшипнике 5, расположенном на стойке 7. Корпус гидротормоза смонтирован на подшипниках 6 и 9, расположенных соответственно на главном валу 3 и пиллерсе 10. Подвеска корпуса является независимой и допускает несоосность главного вала и строительной оси корпуса, возникающую как в результате деформаций, неизбежно сопровождающих процесс работы, так и полученную вследствие неточности монтажа. Как показала практика, данное конструктивное решение полностью оправдало себя и, по мнению авторов, может быть рекомендовано к применению во всех подобных агрегатах.
4.Технология изготовления и доводки стенда
4.1. Изготовление крыльчатки гидротормоза. Крыльчатка изготовлена сварной. Заготовка диска диаметром 705 мм вырезалась гидроабразивным методом из листовой стали толщиной 30 мм, после чего производилось растачивание отверстия под ступицу диаметром 126 мм и обработка прилежащей поверхности дочиста на диаметр 130 мм. Ступица запрессовывалась вхолодную с натягом порядка 0,03 мм, после чего обваривалась ручной электросваркой, сплошным швом с катетом 4 мм. Далее производилось сверление 22 радиальных отверстий диаметром 5 мм по периферии диска, предназначенных для позиционирования оснастки в процессе приварки лопаток к диску. Операция выполнялась на токарном станке при помощи ручной электродрели, по закрепленному в резцедержателе кондуктору. Угол поворота заготовки задавался делительной головкой, установленной на продольном суппорте.
Лопатки (рис. 3) выполнены с помощью ручного гибочного станка, из листовой стали толщиной 7 мм, и состоят из прямого и цилиндрического участков. Нарезка заготовок (22 шт.) в размер 128 х 255 мм производилась на гильотине, после чего они были обработаны пакетом по 2-м смежным сторонам на вертикально-фрезерном станке с целью получения технологической базы для гибки и последующей точной приварки к диску.
Рис. 3. Геометрия модернизированного по результатам макетных испытаний профиля лопатки
Точное позиционирование лопатки (рис. 4) выполнялось с помощью кондуктора 2, установленного на диске 1 посредством штифтов и ранее упоминавшихся технологических отверстий. Необходимое угловое положение кондуктора и ориентирование его вместе с закрепленной лопаткой 3 в плоскости диска 1 обеспечивалось двумя цилиндрическими опорами с выполненными на них проточками, взаимодействующими с периферийными поверхностями диска.
Рис. 4. Схема закрепления лопаток в кондукторе для прихватывания к диску
После прихватки всех лопаток (рис 5) выполнялась окончательная проварка участками не более 10 мм, с чередованием сторон диска при каждой последующей операции. С целью равномерного распределения внутренних напряжений сварка производилась с шагом в 8 позиций (лопаток). При монтаже удалось предельно минимизировать разбалансировку крыльчатки. Ее максимальное радиальное биение перед окончательной шлифовкой, измеренное в диапазоне частот вращения 30...120% номинала, не превысило 0,3 мм. После окончательной обработки вибрация отдельно вращающейся крыльчатки не ощущалась ни на одном из режимов.
Рис. 5. Крыльчатка гидротормоза
Завершающей операцией изготовления крыльчатки стала обработка лопаток по наружному диаметру и торцевым поверхностям. Операция была выполнена при помощи электрической угловой шлифовальной машины, оснащенной лепестковым диском диаметром 150 мм и закрепленной в поперечном суппорте токарного станка 1А62. Вращение заготовки и регулирование частоты вращения осуществлялось непосредственно дизелем 6L160PNS. Опытным путем была окончательно выбрана частота 550 мин-1 при аналогичном параметре шлифовального круга 6000 мин-1. Глубина
шлифования приблизительно равнялась 0,1-0,3 мм, подача регулировалась посредством суппорта вручную и составляла 1-3 мм/с.
4.2. Изготовление корпуса и направляющего аппарата гидротормоза. Корпус гидротормоза сварной, выполнен из стального листа толщиной 7 мм и представляет собой цилиндр с крышкой, закрепляемой на торцевой поверхности посредством 32 шпилек М8. Изнутри по периферии к внутренним торцевым поверхностям приварены 15 пластин (рис. 6), обеспечивающие торможение, а также реверсирование потока и, в конечном итоге, создание нагрузочного момента.
Рис. 6. Схема приварки лопаток к внутренним торцевым поверхностям корпуса
В крышке располагается подшипниковая опора с закрытым однорядным шариковым подшипником 60216, служащим для базирования корпуса на главном валу стенда. Сальниковое уплотнение отсутствует, вместо него применяется отсечной диск с лабиринтной проточкой и гребнем, закрепленный на валу. Герметизация стыка корпуса и крышки осуществляется посредством уплотнения, в качестве которого использован армированный пластиковый шланг диаметром 25 мм. Концы шланга состыкованы «на ус» и дополнительно покрыты автомобильным силиконовым герметиком. Практика показала достаточную надежность данного соединения.
4.3. Некоторые аспекты выполнения сборочных операций. Основные затруднения в процессе сборки были вызваны значительным весом основных сборочных единиц при минимальной обеспеченности средствами механизации, а также стесненными условиями.
В лаборатории был оборудован сборочный стапель, на котором выставлялись в горизонтальном положении крыльчатка соосно с крышкой гидротормоза. Крыльчатка располагалась на монтажной оправке, закрепленной в свою очередь на штоке ручного гидравлического домкрата. Главный вал с заранее напрессованным опорным подшипниковым узлом вывешивался над стапелем при помощи ручной тали и окончательно позиционировался посредством оттяжек. Вал опускался до соприкосновения с подшипником крышки, уточнялось и окончательно корректировалось взаимное положение вала и крышки, после чего выполнялась запрессовка. Операция производилась тремя талрепами, установленными на корпусе под углом 120°. Набивка талрепов выполнялась синхронно. Ими же осуществлялась и фиксация вала относительно корпуса при последующих операциях.
Монтаж крыльчатки осуществлялся с помощью домкрата. После окончания на-прессовки под крыльчатку устанавливались технологические опоры, домкрат убирался, на вал наворачивалась и затягивалась динамометрическим ключом фиксирующая гайка. Монтаж крыльчатки и крышки в корпус производился также посредством тали и затруднений не вызвал.
Соосность коленчатого вала двигателя и главного вала гидротормоза достигалась вертикальным и горизонтальным перемещением подшипниковой опоры с помощью технологических упорных болтов. После выверки окончательного положения вала были установлены прокладки и засверлены по месту отверстия под фиксирующие штифты.
5. Пуско-наладка
В процессе доводки стенда (рис. 7) был проведен комплекс мероприятий по обслуживанию и регулировке систем двигателя в целом, а также ряд их доработок. Система охлаждения выполнена одноконтурной и присоединена к водопроводной сети здания. Выключен из работы водо-водяной охладитель, поддержание необходимой температуры производится регулированием расхода охлаждающей жидкости напро-ток. Насос внутреннего контура отключен от магистрали и работает вхолостую.
Рис. 7. Гидротормоз в сборе
Ввиду невозможности использования штатного электростартера был разработан и изготовлен инерционный пусковой агрегат на базе имеющихся в наличии серийных узлов. Так, в составе агрегата используются:
1. Маховик двигателя 3Д12;
2. Сцепление в сборе от автомобиля ВАЗ 2121 «Нива»;
3. Электродвигатель с фазным ротором, трехфазный, 380 В; мощностью 2,1 кВт при п = 750 мин-1;
4. Штатный бендикс электростартера двигателя 6Ь160РКБ.
За время эксплуатации поломок и отказов стартера не наблюдалось. Пуск двигателя происходит с первой попытки при любых условиях. В ряду достоинств следует отметить удобство пользования, а также отсутствие подготовительных мероприятий (зарядка аккумуляторов, накачивание воздуха в баллоны) перед запуском. Несомненным плюсом является возможность использования стартера в качестве валоповорот-ного устройства. Вместе с тем, некоторые неудобства представляет значительная длительность процесса запуска за счет продолжительного времени раскручивания инерционного маховика (до 2 мин).
В целом процесс ввода в эксплуатацию двигателя после продолжительного бездействия затруднений не вызвал.
Доводка гидротормоза свелась к следующему:
1. Устранение высокочастотных колебаний во всем диапазоне оборотов и поглощаемых мощностей. Исходя из предположения, что причина вибрации заключается во взаимодействии концевых вихрей на лопатках крыльчатки с направляющим аппаратом корпуса, были удалены угловые фрагменты лопаток (15*45°). Ротор заново отбалансирован. Колебания снижены до минимального уровня.
2. Ликвидация прорывов рабочей жидкости через уплотнение крышки корпуса.
Увеличена жесткость фланца крышки за счет усиливающих косынок. В 2 раза
увеличено число крепежных шпилек М8. В качестве уплотняющего элемента применен шланг ПВХ диаметром 20 мм. Место стыка залито автомобильным силиконовым герметиком. Прорывов более не наблюдается.
3. С целью снижения инерционных колебаний на режимах высоких оборотов вместо маятникового нагрузочного узла установлен пружинный автомобильный амортизатор с гидростабилизатором. Впоследствии дополнительно установлены еще 2 гидроамортизатора. Результат удовлетворительный.
4. Податливость главной муфты оказалась велика, что привело к появлению резонансных крутильных колебаний главного вала и крыльчатки. Повышена жесткость демпфирующих элементов муфты. С этой целью резиновые элементы заменены на аналогичные полиуретановые.
5. Смонтирован крупногабаритный показывающий прибор, предназначенный для демонстрации студентам во время лабораторных занятий.
6. В настоящее время производится отработка автоматической системы регулирования объема рабочей жидкости в гидротормозе с целью поддержания заданной нагрузки. Намечена также установка электронной системы визуализации повышенной точности. Продолжается разработка прибора для определения фактического расхода топлива.
После всесторонней отработки конструкции стенда в стационарном варианте и создания рабочей технологии проведения испытаний двигателей применительно к нему работы будут продолжены в направлении реализации мобильного многоцелевого агрегата. В настоящее время проводится эскизное проектирование стыковочных узлов и системы позиционирования, исследуется отечественная элементная база, а также приобретаются необходимые комплектующие .
В начальном этапе находится разработка принципиально новой технологии измерения крутящего момента и эффективной мощности судовых двигателей, выполняемая при помощи данного стенда.
6. Проведение испытаний
Для подтверждения возможностей стенда были организованы теплотехнические испытания с одновременным анализом состава отработавших газов и дымности дизеля. Целью теплотехнического контроля согласно руководству [3] являются: обнаружение и устранение недостатков в работе двигательной установки; поддержание нормальных заданных режимов работы двигателей; подготовка рекомендаций по модернизации двигательных установок. В основе методики экологических испытаний руководство Российского Речного Регистра [4].
Вообще говоря, гидротормоз позволяет при нагружении дизеля воспроизвести любой режим в пределах рабочей области в координатах «мощность - частота вращения коленчатого вала». Но, наиболее интересным, позволяющим достаточно полно оценить работоспособность стенда, режимом, является нагружение по номинальной винтовой характеристике. Тогда, для замера вредных выбросов в отработавших газах и их дымности были назначены режимы 0,25; 0,5; 0,75; 1,0 номинальной мощности согласно испытательному циклу Е3 [4]. Теплотехнические измерения обычно выполняются при номинальной частоте вращения коленчатого вала, что при работе по винтовой характеристике соответствует номинальной мощности дизеля. Однако, учиты-
вая возможность не выхода на высоконагруженные режимы, измерения давления в рабочих цилиндрах проводились на каждом из режимов цикла E3.
Поскольку штатные приборы при хранении дизеля были утрачены, а система мониторинга параметров дизеля еще не смонтирована, основные измерения проводились переносными приборами кафедры ЭСЭУ. Запись индикаторных диаграмм осуществлялась при помощи системы диагностирования Depas Handy 4.0H, разработанной лабораторией «Мониторинг СДВС» [5] Одесского национального морского университета. Контроль отработавших газов проводился с помощью газоанализатора ДАГ-510 МВ, который делал запись состава газовой среды и ее температуры каждые 20 с в автоматическом режиме. Для его подключения в выпускном трубопроводе было просверлено отверстие на расстоянии 1220 мм от выпускного фланца дизеля. А на расстоянии 1520 мм в выпускной трубопровод до его середины вварен патрубок из трубы 1'', в который вставлялась приемная трубка дымомера МЕТА-01 МП 0.2Т. Установка частоты вращения коленчатого вала производилась по штатному тахометру с контролем по переносному тахометру АКИП-9202, закрепленному на струбцине. Контроль параметров окружающей среды осуществлялся по термогигробарометру testo 622.
Нагружение дизеля производилось по винтовой характеристике в сторону возрастания мощности. После установления соответствующей частоты вращения коленчатого вала выполнялась запись индикаторных диаграмм и другие необходимые измерения, затем дизель разгонялся до частоты вращения следующего режима. Такой способ нагружения позволяет получить изменение параметров при последовательно возрастающей температуре отработавших газов на каждом из режимов, в том числе и во время переходных процессов. В дальнейшем, переходные режимы с одной стороны исключаются из анализа, регламентированного руководствами [3, 4], а с другой могут являться предметом специального изучения.
Измерение расхода топлива, ввиду отсутствия специальных средств измерения с одной стороны, и относительно небольшого часового расхода с другой, производилось с помощью переносного бака, установленного на электронные весы. Масса топлива в баке измерялась в начале и конце каждого режима. Из этой разности вычиталась масса отсечного топлива, и полученное значение делилось на время между замерами.
7. Результаты испытаний
7.1. Анализ отработавших газов. В процессе работы двигателя на каждом из испытательных режимов согласно [4] контролировалась эмиссия монооксида углерода CO, оксидов азота NO и NO2, углеводородов CxHy в отработавших газах, а также их дымность. Процесс выхода на режим 0.25 Peном сопровождался снижением концентрации NO и CO, и повышением концентрации NO2. На режиме 0.25 Pe^ концентрация CO оставалась стабильной на уровне 350...450 ppm, концентрация NO сохранялась в пределах 1050.1150 ppm, а концентрация NO2 была около 100 ppm. Режим 0.5 Pe^ также характеризовался устойчивыми показателями эмиссии: CO плавным снижением с 345 до 260 ppm, NO на уровне 960.1080 ppm, а NO2 - 85.90 ppm. Режим 0.75 Pe^, напротив, отличается существенными колебаниями значений вредных выбросов от замера к замеру, что можно объяснить колебаниями частоты вращения коленчатого вала. Диапазон изменения концентрации CO составил 170.400 ppm, концентрации NO - 1090.1270 ppm с эпизодическими провалами до 935 ppm, и лишь концентрация NO2 оставалась на уровне 62.75 ppm. На режиме номинальной мощности эмиссия NO стабилизировалась в диапазоне 970.1070 ppm, эмиссия NO2 колебалась в пределах 45.60 ppm, а концентрация CO характеризовалась значительной неустойчивостью, изменяясь от 250 до 650 ppm. Концентрация CxHy на всех режимах кроме номинального сохранялась в пределах 50.250 ppm, а на номинальном вышла за нижний порог чувствительности датчика газоанализатора.
Осредненные значения концентрации СО, СХНУ, N0 и NO2 (с учетом трансформации в атмосфере N0 в N0^ и дымности (натуральный показатель ослабления светового потока К, м-1; и коэффициент ослабления N, %) приведены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты измерения вредных выбросов в отработавших газах
Параметр Размерность Режим
Ре 1 ^ном 0.75 Ре ном 0.5 Ре ном 0.25 Реном
Концентрация N0 (измеренная) млн 1047 1122 1048 1085
Концентрация N02 (измеренная) млн 52.2 69.5 88.7 99.9
Концентрация N0Х (приведенная) млн- 1654 1786 1692 1760
Концентрация N0 (трансформация) млн- 215 232 220 229
Концентрация N02 (трансформация) млн- 1323 1429 1354 1408
Концентрация С0 млн- 407 265 334 433
Концентрация С02 % 6.0 5.6 5.3 5.3
Концентрация 02 % 12.8 13.5 13.8 13.9
Концентрация СН млн-1 1.3 207.0 147.5 117.2
Дымность К м-1 0.4 0.26 0.3 0.13
N % 15.9 10.7 12.1 5.5
Удельные выбросы вредных веществ на каждом из контролируемых режимов приведены в таблице 2.
Таблица 2
Удельные выбросы вредных веществ, г/(кВт • ч)
Вредный компонент Режим
Ре 1 ^ном 0.75 Реном 0 5 Ре 0.25 Реном
^х 7.87 10.05 11.58 19.35
С0 1.47 1.13 1.74 3.62
СН 0.00 0.44 0.38 0.48
С учетов весовых коэффициентов каждого из режимов испытательного цикла Е3 [4] получены удельные средневзвешенные выбросы с отработавшими газами каждого вещества (таблица 3). Именно они регламентируются национальными [6, 7] и международными [8] нормами, поэтому в таблице 3 приведено сравнение результатов измерений с предельно-допустимыми значениями для данного двигателя.
Таблица 3
Сравнение результатов испытаний и предельно-допустимых значений выбросов вредных веществ
Параметр ^х С0 СН Дымность
г/(кВт • ч) г/(кВт • ч) г/(кВт • ч) К, м-1 N %
Предельно-допустимые значения 16.15 7.2 3.0 1.43 46
Результат испытаний 11.24 1.67 0.35 0.4 15.9
Следует отметить, что согласно [4, 6, 7] и аналогичным международным нормам предельно-допустимые выбросы NOх (в приведении к N0) зависят от номинальной частоты вращения коленчатого вала. Поэтому, покажем измеренное значение эмиссии на диаграмме в координатах eNox-n по отношению к регламентированным значениям (рис. 8).
Рис. 8. Соответствие удельного выброса NOx действующим в России нормативам
Из анализа таблицы 3 и рис. 8 следует, что дизель удовлетворяет не только требованиям, предъявляемым к дизелям, построенным до 2000 г., но и к дизелям, построенным после 2000 г.
7.2. Анализ индикаторных диаграмм и вибродиаграмм. Диагностический комплекс Depas Handy записывает не только зависимость давления в рабочем цилиндре от угла поворота коленчатого вала, но и уровень вибрации в зоне установки вибродатчика PS-20, имеющего магнитное крепление, которое позволяет установить его практически в любую точку дизеля. При осуществлении описываемых испытаний вибродатчик размещался на площадке форсунки, непосредственно у входа трубки высокого давления. Такое размещение датчика позволяет зафиксировать вибросигнал, вызываемый подъемом и посадкой форсуночной иглы, то есть определить момент начала и окончания подачи топлива в рабочий цилиндр, а также продолжительность впрыска [9]. На некоторых дизелях удается «услышать» и вибросигнал от подъема и посадки клапанов.
Depas Handy при каждом индицировании записывает последовательность значений давления для трех рабочих циклов, из которых один выбирался для последующего анализа. Для повышения достоверности результатов испытаний каждый цилиндр индицировался дважды.
Индикаторные диаграммы и вибродиаграммы впрыска топлива (рис. 9), снятые на номинальном режиме, позволяют оценить протекание рабочего процесса в каждом цилиндре:
Цилиндр 1. Давление конца сжатия рс несколько ниже паспортного и невнятная (и, вдобавок, запоздалая) подача топлива, тем не менее, не сказались на характере кривой и параметрах процесса сгорания. Также особенностью этого цилиндра является резкое изменение давления в цилиндре при 60 °п. к. в. после ВМТ.
Цилиндр 2. Рабочий процесс в этом цилиндре можно признать эталоном для регулировки остальных цилиндров.
Цилиндр 3. Несколько запоздалая подача топлива компенсируется достаточно четкими началом и концом подачи топлива, что обеспечивает параметры сгорания топлива, близкие к паспортным.
Цилиндр 4. Вероятно, цикловая подача топлива несколько ниже необходимой, отчего максимальное давление в цилиндре ниже паспортного для номинального режима, и, следовательно, этот цилиндр развивает меньшую индикаторную мощность.
Цилиндр 5. Для этого цилиндра характерно низкое давление конца сжатия рс, причиной которого может быть негерметичность камеры сжатия и/или нарушение фаз газораспределения. Невыразительная подача топлива в сочетании с большой продолжительностью приводят к переносу сгорания на линию расширения, следствием чего является снижение максимального давления цикла и значительный рост температуры отработавших газов.
Цилиндр 6. В этом цилиндре практически не регистрируются моменты подъема и посадки иглы форсунки, но, так как максимальное давление цикла лишь немного ниже паспортного значения, можно предположить, что пружина форсунки недостаточно затянута и игла открывает форсуночные отверстия в самом начале хода плунжера ТНВД. Это приводит к ухудшению смесеобразования и сдвигу процесса сгорания на линию расширения, что вызывает повышение температуры отработавших газов.
Заключение. Следует отметить проведенный большой объем работ по созданию и вводу в эксплуатацию стенда, состоящего из дизеля 6L160PNS (6 ЧН 16/22.5) и гидротормоза. В дальнейшем стенд может использоваться для широкого круга исследований, в том числе в области тензометрии элементов судовых двигателей, валопрово-дов и корпусных конструкций.
Гидротормоз стенда работоспособен во всем диапазоне рабочих мощностей и частот вращения коленчатого вала дизеля. Вместе с тем, отмечены крутильные колебания гидротормоза на режимах работы дизеля, близких к номинальному.
Дизель совместно с гидротормозом во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала работал устойчиво, колебания частоты вращения на каждом из режимов не превышали 10 мин-1. Дизель удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 51249-99, ГОСТ Р 51250-99 и Российского речного регистра по эмиссии вредных веществ в отработавших газах.
В части организации рабочего процесса в цилиндрах дизеля было установлено:
1. Давление конца сжатия в 1-м, и, особенно, 5-м цилиндре существенно ниже установленного заводом-изготовителем.
2. Максимальное давление цикла в 5-м цилиндре на 20% меньше среднего по цилиндрам.
3. Температура отработавших газов на выходе из 5-го цилиндра на 12 % выше средней по цилиндрам, что свидетельствует о догорании топлива на линии расширения.
4. Угол опережения подачи топлива меньше рекомендованного заводом-изготовителем дизеля.
СФФГБО* ВО "ВГУ S NOTES
MIP 9.96 Pt 12.81 4^,65.3 Ч0.2' ÎL160PN 1 IZ
S 0.225 е 13,5 Л- 0.25 Л Tscav Rack Governor Load %
Pc'32-3 ■ \ T. Ф«п -12.3е
\ и Г" т
\
\
low / \ \
Crank angle [°] VS-20 Diagram
0.0-
Crank angle [®] VS-20 Diagram
J> ^•WN« "fVr
cœ «reo» Э1Л S NOTES
MLP 7.04 • Pi 20.2 -Pt 11.51 В,,, 62.5^4.9" 6L160PN 4-slroke, 6 D 0.16 S 0.225 £ 13.5 Xüj 0.25 1 TURD 0,22 - %
г\ Rack
Pc" 27.4 • к . а* ti ' ФтГ <Р mh 43.4 \-17.0" \ Load
28.6 1.56 Л 2Г "Т
Ï.6» V
\
- / \ 4 ч
У ч :
•180 -150 -120
Crank angle [®] VS-20 Diagram
-180 -150 -120
Рис. 9. Индикаторные диаграммы и вибродиаграммы процесса впрыска топлива по цилиндрам
120 150 180
h V.
s3
й/
§
s
s
'S а
CS
-s g
Qy О
о Ьэ
го
0 о ш 3 а а 4S s
та gl
1 I § ®
Со S
& s
II *
^ Й
Оу -
0 Ьо
§ S
1 ^
S го
По результатам проведения испытаний намечены дальнейшие пути развития испытательного стенда:
1. Проведение ревизии, отладка и регулировка топливной аппаратуры дизеля.
2. Дооснащение стенда комплексом контрольно-измерительной аппаратуры.
3. Разработка и установка автоматизированных систем стабилизации нагрузочных режимов.
4. Увеличение проходного сечения трубопроводов подвода и отвода воды в гидротормоз, с целью обеспечения необходимого температурного режима.
5. Монтаж системы контроля расхода топлива дизелем.
6. Разработка и установка более точной системы индикации действующего крутящего момента.
7. Разработка и установка демпфера крутильных колебаний гидротормоза. Указанные мероприятия позволят использовать рассматриваемый стенд для проведения как научно-исследовательских работ самого широкого диапазона, так и лабораторных занятий со студентами.
Список литературы:
[1] Смирнов И.Н. Гидравлические турбины и насосы// М.: Высшая школа, 1969. 400 с.
[2] Андреев В.Б. Справочник по гидротурбинам// М.: Машиностроение, 1984. 498 с.
[3] Руководство по теплотехническому контролю серийных теплоходов // М. Транспорт, 1980. 424 с.
[4] Временное руководство по техническому наблюдению за судовыми двигателями при их изготовлении, капитальном ремонте и эксплуатации в целях предотвращения загрязнения атмосферы с судов // Руководство Р.031-2009. М. Российский речной регистр, 2010.
[5] DEPAS D4.0H: URL: http://depas.od.ua/pdf/DEPAS_Handy_brochure_rus_print.pdf.
[6] ГОСТ Р 51249-99. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения. М.: ИПК Издательство стандартов, 1999, 2005.
[7] ГОСТ Р 51250-99. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Дымность отработавших газов. Нормы и методы определения. М.: ИПК Издательство стандартов, 1999, 2005.
[8] МАРПОЛ. Книга III, пересмотренное Приложение VI к МАРПОЛ «Правила предотвращения загрязнения воздушной среды с судов», издание ЗАО «ЦНИИМФ», 2012.
[9] Варбанец Р.А., Беленький П.Н., Яровенко В.А., Ваганов А.И., Александровская Н.И. Определение основных параметров рабочего процесса и результаты диагностики главных дизелей теплохода «Greifswald» // Вестник АГТУ. Сер.: Морская техника и технология. 2015. №2. С. 31- 41.
DEVELOPMENT AND TESTING STAND WITH ENGINE 6L160PNS
AND HYDRAULIC BRAKE
M.N. Novoseltzev, O.P. Shurayev, A. G. Chichurin
Keywords: testing of diesel engines, the test stand, hydraulic brake, torque monitoring, the working process of a diesel engine, emissions from the exhaust gases
This article describes the features of a test stand's development with a diesel engine 6L160PNS and a hydraulic brake. Special attention is was paid to the development of the own hydraulic brakes design. The operability of the test stand was verified during the tests. Particularly the actual load characteristic of hydraulic brake, the compatibility of the output parameters of the diesel engine and hydraulic brake in the operating range, the possibility the consumed energy's dissipation, as well as the diesel engine's ability to work steadily on any operating mode and the accordance of the harmful substances emissions in the exhaust gases to the valid standards were refined.
Статья поступила в редакцию 09.03.2017 г.
