Диагностика состояния и настройка механизма ограничения подачи топлива по давлению наддува в эксплуатации дизельного двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Диагностика состояния и настройка механизма ограничения подачи топлива по давлению наддува в эксплуатации дизельного двигателя

Управление работой главных дизельных двигателей на судах со знаком автоматизации осуществляется дистанционно с помощью разнообразных по своей структуре, реализуемым алгоритмическим возможностям и используемым аппаратурным средством автоматизированных систем. Основным конечным исполнительным элементом любой из них, непосредственно воздействующим на органы регулируемые подачу топлива двигателя, является всережимный регулятор скорости, главная задача которого состоит в должной стабилизации данной частоты вращения гребного винта. Одновременно с этим в центробежных регуляторах непрямого действия, применяемых для дизельных установок, предусматривается ряд дополнительных узлов и устройств, предназначенных для выполнения некоторых специальных дополнительных функций. Эти функции не менее важны для обеспечения безаварийной и эффективной эксплуатации двигателей, чем только успешное решение проблемы качественного регулирования их скоростных режимов работы.

Широкое распространение на судах получил регулятор скорости фирмы «Вудвард» модификация PGA со встроенным в него механизмом ограничения подачи топлива по давлению надувочного воздуха. Назначение этого устройства состоит в том, чтобы предотвратить эксплуатацию двигателя на режимах с признаками тепловой перегрузки цилиндров, когда параметры и показатели их работы значительно ухудшаются в связи с дефицитом надувочного воздуха, который может иметь место в силу различных эксплуатационных причин и факторов. Снижение коэффициента избытка воздуха в цилиндрах в результате автоматического регулирования частоты вращения, проявление инерционности и уменьшение производительности газотурбонагнетателей приводит к повышению тепловой напряженности деталей цилиндропоршневой группы не только в области номинального режима работы дизеля, но и на маневровых ходах судна.

Защита двигателя от тепловых перегрузок достигается осуществлением в процессе управления им программы ограничения цикловой подачи топлива в цилиндры, определяющий допустимый предел увеличения индексов топливных насосов высокого давления в зависимости от величины давления в ресивере надувочного воздуха.

Как показывает опыт эксплуатации, неудовлетворительная настройка механизма ограничения по наддуву может привести к снижению к снижению надежности двигателя в управлении, ухудшить его свойство приемистости, технико-экономические показатели использования мощности и даже повлиять на безопасность плавания судна.

Механизм ограничения подачи топлива по давлению наддува в регуляторе скорости PGA фирмы «Вудвард»

Принципиальная схема регулятора скорости PGA с механизмом программного ограничения подачи топлива по давлению наддува в состоянии динамического равновесия его подвижных деталей и узлов представлена на рис. 4.1. Двигатель при этом работает в установившемся режиме с частотой вращения вала, значение которой определяется уровнем сигнала задания р_упр (р_упр - управляющий сигнал давления масла) регулятора. Индекс подачи топлива в цилиндры пропорционален величине внешней нагрузки дизеля и положению ц_р силового поршня 11, который посредством следящего гидроусилителя связан с отсечным валом ТНВД.

Сильфонный датчик 2 контролирует давление р_к наддувочного воздуха и, управляя стравливающим коническим клапаном 4, посредством своего позиционного поршня 5 с кулаком 6 косого профиля преобразовывает величину этого давления в пропорциональное перемещение свободного шарнирного конца рычага 7 с контактным роликом, обкатывающимся по этому профилю.

Таким образом, на концах сравнительного рычага 9 сопоставляется действующее значение топливоподачи ц_р, устанавливаемой по шкале выходного вала регулятора, и давление р_к наддува в ресивере. В равновесных режимах индекс ТНВД ц определяется величиной ц_р.

Зазор Д между регулировочным винтом 10 блока остановки 12 и сравнительным рычагом 9 определяет запас на увеличение топливоподачи регулятором в случае необходимости. Когда зазор Д отсутствует, силовой поршень 11 выводит индексы топливных насосов на ограничительную характеристику регулятора. В этот момент через блок остановки 12 и управляющий золотник 13 осуществляется его самоблокировка на дальнейшее увеличение топливоподачи. Другими словами, регулятор допускает возрастание индекса подачи топлива в цилиндры двигателя, пока существует зазор Д. На рис. 4.2 и последующих сохранено ключевое обозначение RSTопорных точек ограничительных характеристик регулятора, принятое в фирменной технической документации. На начальном участке RS любой из этих характеристик, в области низких давлений р_к наддува, когда производительность газотурбонагнетателей еще сравнительно мала, ограничительный индекс имеет постоянное значение. Он определяет пусковую подачу ц_п топлива, которая должна обеспечивать надежные пуски двигателя и уверенную его работу на маневровых режимах. Линейный участок ST вступает в действие на ходовых режимах, когда нагрузка двигателя значительно возрастает, и осуществляет пропорциональное изменение ограничительного индекса подачи топлива в зависимости от величины давления наддувочного воздуха в ресивере.

Настройка механизма ограничения осуществляется (см. рис. 4.1) регулировочными винтами 10 ограничителя топлива 1 датчика давления наддува и 8 изменения уклона ? косого профиля кулака.

Принципиальная схема регулятора частоты вращения типа PGA фирмы «Вудвард» с механизмом программного ограничения подачи топлива по давлению наддувочного воздуха: 1 - регулировочный винт датчика давления воздуха; 2 - сильфон; 3 - пружина; 4 - стравливающий конический клапан; 5 - позиционный поршень датчика давления наддува; 6 - кулак косого поршня; 7 - рычаг с контактным роликом; 8 - регулировочный винт кулака косого; 9 - рычаг механизма ограничения; 10 - регулировочный винт ограничителя топлива; 11 - силовой поршень; 12 - блок остановки; 13 - управляющий золотник

Проблематичность наладки механизма ограничения обусловлена наличием у него нескольких органов регулировок, отсутствием надежных ориентиров для количественной оценки их настройки и методики эксплуатационной проверки эффективности ограничения в действии.

Контроль состояния настройки можно осуществлять путем измерения зазоров или длины свободных частей, например, h и l, регулировочных винтов от соответственно выбранных для каждого из них базовых поверхностей.

Рис. 4.2. Алгоритм первоначальной настройки механизма ограничения подачи топлива по давлению воздуха: ц = ц(р_к) - кривая, соответствующая условиям работы дизеля по номинальной винтовой характеристике; ц - усредненное по цилиндрам двигателя значения индекса ТНВД; ц_м - значение индекса топливоподачи ограниченного положением механического упора отсечного вала топливных насосов; ц_н и р_кн - значение индекса ТНВД и давление надувочного воздуха, соответсвующие номинальному режиму работы двигателя

Алгоритм первоначальной настройки механизма ограничения

В основу разработанной методики настройки механизма ограничения, проведения диагностических проверок качества его отладки и корректировок положена идея выявления по индексам ТНВД фактов выхода главного двигателя на ограничительную характеристику в переходных процессах и при волнении моря. Алгоритм регулировок для определенности ориентирован на условия работы дизеля по номинальной винтовой характеристике, которым на рис. 4.4 соответствует кривая ц = ц(р_к). Для успешной ее реализации следует предупредить возможность возникновения других причин неудовлетворительной работы двигателя, диагностируемых, как и дефекты в настройке ограничения, сходной совокупностью внешних признаков. При этом механический упор отсечного вала ТНВД, определяющий своим положением индекс ц_м абсолютно наибольшей возможной подачи топлива в цилиндры двигателя, не должен препятствовать процессу настройки.

Последовательность процедур при изначальной наладке механизма ограничения определена для разрегулированного состояния его настроечных органов, когда (см. рис. 4.1) пружина 3 сильфонного датчика давления наддува полностью ослаблена (l - max), косой профиль кулака 6 не имеет уклона к оси позиционного поршня 5 (?>0), а регулировочный винт 10 ввернут настолько (h>min), что при остановленном двигателе существует некоторый зазор Д?0. В этом случае следует ожидать реализации ограничительной характеристики R₀S₀T₀ с недостаточной величиной ц_п для обеспечения надежных пусков двигателя на топливе. В режиме автоматизированного управления дизелем это вызывает регулярное включение в работу программы повторных автоматических пусков, блокирующей действие механизма ограничения регулятора в такой ситуации.

Принимая данное состояние настройки механизма ограничения за исходное, удовлетворительное его функционирование обеспечивают выполнением процедур следующего графически интерпретированного на рис. 4.2 алгоритма наладки:

1. Регулировочным винтом 10, постепенно увеличивая h и Д (см. рис. 4.1), добиваются надежных пусков двигателя с большим, соответствующим ограничительной характеристике R₁S₁T₁ значением индекса ц_п пусковой додачи ТНВД и уверенной его работы на маневровых ходах.

Рекомендованная величина ц_п для малооборотных судовых дизелей ряда ДКРН постройки СССР составляет 0,72-0,83 номинального значения ц_н индекса подачи топлива.

Следует иметь в виду, что заниженное значение ц_п приводит к неудовлетворительному или неудавшемуся пуску, а завышенное - к повышению механической напряженности в деталях дизеля, характеризуемой увеличением максимального давления сгорания топлива в цилиндре р_z и жесткости работы дизеля в момент его пуска на топливе.

2. Задавая режим полного хода, контролируют выход двигателя в точку а ограничительной характеристики R₁S₁T₁ на установившиеся обороты при пусковом значении ц_п индекса ТНВД, когда зазор Д исчезает. Эта частота вращения вала не должна быть ниже оборотов, соответствующих полному маневровому ходу судна.

Регулировочным винтом 8 устанавливают некоторый начальный уклон ? > 0 косого профиля кулака 6. Затем плавно, уменьшая l, затягивают регулировочным винтом 1 пружину 3 датчика давления наддува до страгивания позиционного поршня 5 и появления небольшого зазора Д, что сопровождается потравливанием масла через конический клапан 4. Этот момент настройки определяет то пороговое значение давления р_к наддува, начиная с которого вступает в действие линейный участок ST ограничительной характеристики. Для малооборотных судовых двигателей это давление составляет обычно 25-35 кПа.

Действенность выполненных регулировок проявляется в некотором возрастании оборотов двигателя, давления р_к наддува и индексов ТНВД выше значения ц_п.

Этот этап наладки завершается переходом двигателя в установившийся режим, определяемый точкой b на пропорциональном участке ограничительной характеристики R₁S₁T₁, когда можно наблюдать прекращение роста параметров его работы на уровнях, достаточно удаленных от их номинальных значений.

3. Регулировочным винтом 8, постепенно увеличивая уклон ? косого профиля кулака 6, добиваются выхода двигателя на параметры номинального режима в точку 0. Одновременно с этой регулировкой должна быть обеспечена возможность кратковременной его работы в точке d на режиме перегрузочной мощности, предусмотренном правилами технической эксплуатации судовых дизелей.

4. Предыдущей регулировки может оказаться недостаточно. Ее возможности исчерпаны, когда уклон ? косого профиля кулака 6 достигает наибольшего конструктивно лимитированного значения. При этом двигатель либо выходит в точку с ограничительной характеристики R₁S₂T₃ на режим близкий, но все-таки отличный от номинального, либо не в состоянии работать только на режиме перегрузочной мощности. Тогда подрегулировкой в прежних направлениях (уменьшая l и увеличивая h) винтов 1 и 10 производят коррекцию настройки механизма ограничения, добиваясь надежной работы двигателя на всех предусмотренных в эксплуатации режимах.

В первом варианте коррекция завершается реализацией ограничительной характеристики R₁S₄T₄ а во втором - характеристики R₅S₅T₄.

Алгоритм настройки механизма ограничения можно представить следующей схемой последовательных переходов в преобразовании ограничительных характеристик:

Эффективность любой отдельно произведенной регулировки каждый раз должна быть оценена по реакции дизеля на изменение параметров и признаков его работы в установившихся и переходных режимах путем проведения контрольных маневрирований двигателем и судном. Измерение параметров дизеля в процессе наладки механизма ограничения производится штатными судовыми средствами.

Рис. 4.3. Экспериментальные зависимости, отражающие работу двигателей по винтовым и ограничительным характеристикам: а - для двигателя 6ДКРН 74/160; б - для двигателя 9ДКРН 80/160-4; 1 - при работе по номинальной характеристике на стенде; 2 - при работе по винтовой характеристике, близкой к номинальной, в условиях эксплуатации судна; 3 - ограничительная характеристика, рекомендованная заводом-строителем; RST - ограничительная характеристика, действующая в эксплуатации; ц_п - индекс пусковой подачи топлива

При удовлетворительной настройке ограничительной характеристики регулятора, которая может быть достигнута уже с завершением ее третьего этапа, на номинальном режиме работы двигателя зазор Д либо отсутствует вовсе, либо весьма невелик. Доводка ограничительной характеристики выполнением процедур четвертого этапа настройки производится по необходимости в зависимости от результата, достигнутого предшествующей ему регулировкой, и для гарантии возможности работы двигателя в экстремальных условиях согласно ПТЭ на режимах максимально длительной и перегрузочной мощностей.

С окончанием всех операций по наладке и выполнением проверок ее качества регулировочные органы механизма ограничения необходимо надежно зафиксировать, а данные по настройке внести в формуляр регулятора. В последующем это всегда позволит целенаправленно произвести нужную коррекцию ограничительной характеристики.

Механический упор отсечного вала ТНВД может быть установлен в положение, определяемое целесообразностью в текущей эксплуатационной обстановке.

Экспериментальная оценка качества настройка механизма ограничения

К обобщенным признакам, которые должны быть приняты во внимание при оперативной оценке состояния настройки и эффективности функционирования механизма ограничения в эксплуатации, следует отнести надежность пусков двигателя на топливе, отсутствие при этом взрывов топлива в цилиндрах и пропусков газов, приемистость и устойчивость его на маневрах, уверенную работу на ходовых режимах, предусмотренных ПТЭ, степень дымности выхлопа.

На маневрах, особенно когда для работы дизеля в этом режиме применяют тяжелые сорта топлива, возможны кратковременные периоды дымления, если их не удается устранить настройкой пускового индекса ц_п ограничительной характеристики без ущерба в надежности пусков. Вместе с тем причиной дымления может оказаться недостаточный подогрев топлива перед ТНВД.

Экспериментально проверка характера настройки механизма ограничения в эксплуатации выполнена для главных двигателей 6ДКРН 74/160-3 и 9ДКРН 80/160-4 соответственно теплоходов «Герои Панфиловцы» и «Капитан В. Труш». На рис. 4.3 представлены опытные данные, отнесенные к усредненному по цилиндрам значению индекса ц ТНВД. Зависимости 1 построены по результатам стендовых испытаний двигателей и отражают их работу на установившихся режимах по номинальным скоростным характеристикам. Зависимости 2 определены в рейсовых обследованиях при эксплуатации двигателей на режимах винтовых характеристик, практически совпадающих с номинальными, что установлено сопутствующими наблюдениям контрольными индицированиями.

Ограничительные характеристики RST, действующие в эксплуатации, выявлены по динамическим забросам индексов ц топливных насосов на увеличение топливоподачи в результате стабилизирующего действия регуляторов при маневрированиях судном и двигателем и в условиях волнения моря.

Наибольшие допустимые значения индекса ц_м ТНВД лимитированы имевшей место в период обследований установкой механического упора отсечного вала топливоподачи.

Блокирующее действие этого упора проявляется в том, что он исключает всякую возможность работы двигателя на режимах с индексами топливоподачи большими, чем ц_м.

Таким образом, следует подчеркнуть, что процесс непосредственного автоматического регулирования частоты вращения вала двигателя и увеличение топливоподачи прерываются, как только индексы топливных насосов достигают значений, определенных усеченной частью ограничительной характеристики и положением механического упора вне ее, когда давление наддува достаточно велико. В дальнейшем процесс стабилизации подчинен программно корректирующему воздействию механизма ограничения регулятора либо осуществляется благодаря саморегулированию двигательного комплекса в целом по мере разгона или торможения судна.

Как видно из рис. 4.3, двигатель т/х «Герои панфиловцы» на маневрах работает без должного ограничения, ибо с переходом на топливо в момент броска индекс ТНВД соответствует номинальному значению и близок к предельно допустимому, установленному упором отсечного вала. Большая подача топлива ц_п приводит к частым взрывам в цилиндрах при пусках двигателя, дымлению, прорыву газов через уплотнения, повышенному износу деталей и ухудшению характеристик газотурбонаддува. Линейный участок ST действующего ограничения совпадает с рекомендованной заводом характеристикой, однако обеспечивает защиту двигателя от перегрузок лишь на высоких значениях давления р_к, наддува, когда скоростной режим работы двигателя не ниже 110-115 об/мин и приближается к номинальному. Поэтому на маневрах нередко на средних и полных ходах наблюдается дымление выхлопа.

Для главного двигателя т/х «Капитан В. Труш» из-за повышенной вибрации элементов корпуса судна эксплуатационный режим полного хода по частоте вращения вала снижен до 115 об/мин, что мотивирует выбор низкого в сравнении с номинальным значением индекса ц_м топливных насосов.

Действующая в эксплуатации в этом случае ограничительная характеристика RSТ в большей степени предохраняет двигатель даже от кратковременных перегрузок, чем это может быть обеспечено при рекомендованной заводом настройке механизма ограничения. Вместе с тем пусковые и маневровые качества двигателя сохранены на уровне предъявляемых требований. Эксплуатационный ходовой режим его работы в полном грузу судна при средней осадке 9,76 м достигается практически на ограничении, что свидетельствует о снижении в определенной степени приемистости двигателя и с ухудшением характеристик газотурбонаддува в перспективе может вызвать падение мощности и скорости хода.

Практические рекомендации по корректировке настройки механизма ограничения в эксплуатации

Для ускорения и повышения результативности неизбежных в эксплуатации процедур коррекции или доводки механизма ограничения могут быть полезны рекомендации по диагностике и способам устранения дефектов его настройки, представленные в таблице 4.1 неполадок в работе дизельного двигателя. Идентификация этих дефектов ориентирована на обобщенные внешние и режимные признаки его эксплуатации. Верно произведенная оценка состояния настройки ограничительной характеристики определяет рациональный путь осуществления ее корректировки в нужном направлении для ликвидации эксплуатационных неисправностей механизма ограничения.

Приведенную таблицу неполадок в работе автоматизированного двигателя можно графически интерпретировать диагностической картой состояний и корректировок, показанной на рис. 4.4, которая дает зримое представление о возможных в эксплуатации последовательных переходах из любого дефектного состояния настройки механизма ограничения по мере улучшения ее в конечное нормальное состояние, достигаемое в результате рационально и успешно выполненных корректировок ограничительной характеристики регулятора.

Неполадки в работе дизельного двигателя из-за неудовлетворительного характера настройки в регуляторе скорости PGA фирмы «Вудвард» механизма ограничения подачи топлива по давлению наддувочного воздуха и способы устранения этих дефектов.

В карте оцифрованы только дефектные состояния настройки, сопровождающиеся признаками ненормальной работы двигателя, а стрелками указаны возможные маршруты перехода из них в результате соответствующих корректировок к удовлетворительной регулировке механизма ограничения по наддуву.

Изложенное позволяет сделать следующие выводы.

1. Механизм ограничения подачи топлива по давлению наддува является надежным средством предупреждения и защиты дизельного двигателя от тепловых перегрузок, предотвращающим резкое снижение технико-экономических показателей его работы в результате ухудшения процесса сгорания топлива при недостатке наддувочного воздуха, который может иметь место в определенных эксплуатационных ситуациях и обстоятельствах.

Рис. 4.4. Диагностическая карта состояний и корректировок настройки механизма ограничения подачи топлива по давлению наддува

2. Состояние настройки механизма ограничения нередко на практике может быть причиной возникновения отдельных неполадок в работе двигателя. Идентификация дефектов в настройке ограничительных характеристик регулятора при этом затрудняется на фоне возможных в эксплуатации неисправностей других элементов систем дизеля со схожими диагностическими признаками внешнего проявления.

3. Ограничительная характеристика определяет ту наибольшую подачу топлива, которую для действующего в ресивере давления наддува р_к может установить регулятор в процессе стабилизации заданной частоты вращения вала двигателя. Тенденции к выходу на ограничение в эксплуатации проявляются всякий раз в связи с ухудшением характеристик топлива, технического состояния элементов газовоздушного тракта и топливной аппаратуры, внешних условий работы дизеля, изменением осадки, обрастанием корпуса и при маневрировании судна. С выходом двигателя на ограничительную характеристику точность стабилизации скоростного режима его работы несколько снижается, так как регулирующее воздействие регулятора блокируется, а при необходимости в последующем корректируется механизмом ограничения. Благодаря наличию этого устройства в установившихся режимах работы независимо от условий эксплуатации в цилиндры двигателя подается топлива всегда не больше, чем это определено соответствующими ограничительной характеристике индексами топливных насосов, что позволяет избежать возможности его перегрузок по среднему индикаторному давлению и температуре выпускных газов во всем диапазоне скоростных режимов.

дизельный двигатель наддув ограничение

Размещено на Allbest.ru