Совершенствование системы диагностирования топливной аппаратуры тепловозных дизелей (стр. 6 из 7)

Основной закон регулирования фаз газораспределения звучит, как известно, следующим образом: при увеличении нагрузочного и скоростного режимов работы дизеля все фазы газораспределения должны увеличиваться. Поэтому, как свидетельствуют выполненные исследования, за счет изменения фаз газораспределения можно значительно улучшить технико-экономические показатели локомотивных энергетических установок, расширить ассортимент используемых ими топлив, снизить жесткость работы двигателя и токсичность выпускных газов.

По месту расположения регулятора у механического привода клапанов можно выделить четыре подхода: между коленчатым и кулачковым валами («Vanos» и «Double Vanos» Германия), между кулачковым валом и толкателем («VALVETRONIC» Германия и «VTEC» Япония), на участке от толкателей до клапана газораспределения и на самом клапане газораспределения. Перечисленные типы приводов, в свою очередь, отличаются конструкцией органов газораспределения, возможностью изменения моментов открытия и посадки клапанов в зависимости от эксплуатируемого режима работы дизеля. Однако применяемые при этом различные конструктивные исполнения обеспечивают выполнение только ограниченных задач, не решающих общих проблем повышения топливной экономичности во всем диапазоне регулирования и не обеспечивающих жесткие экологические требования. Эти недостатки, безусловно, являются тормозом дальнейшего развития системы механического привода клапанов предопределяют поиск других альтернативных типов привода [1].

В настоящее время совершенствование отечественных тепловозных дизелей, следует вести в двух основных направлениях: улучшение процессов сгорания на частичных нагрузках и переходных режимах и оптимизация процессов газообмена на этих нагрузках с использованием механизмов газораспределения нового поколения.

В учебной лаборатории кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» МИИТа были проведены полномасштабные исследования альтернативных немеханических типов привода клапанов газораспределения. Основные испытания выполнялись на модельных одно- и двухклапанной установках, а также на безмоторных и моторных стендах дизелей ЧН10,5/12, ЧН14/14, ЧН21/21 и ЧН26/26. Выполненные исследования позволили установить целесообразность разработки и применения альтернативного немеханического привода клапанов газораспределения для тепловозных дизелей. Над созданием таких систем сегодня работают около шестидесяти ведущих дизелестроительных фирм мира, а над формированием микропроцессорного и программного обеспечения для решения многочисленных вопросов, связанных с регулированием топливоподачи и газообмена, порядка 15 групп и фирм.

Реальное распространение могут иметь три вида привода клапанов газораспределения: гидравлический, электромагнитный и электрогидравлический.

Гидравлический привод отличается следующими особенностями: относительно высоким быстродействием, большими силами инерции по сравнению с силами сопротивления, возможностью управления отдельными фазами движения клапана и временем его выстоя в крайних положениях, достаточно высокими значениями КПД всего привода.

Применение электромагнитного привода нашло практическое воплощение начиная с конца 1980-х годов. Особенно большое число исследований провели в Японии и США. Основные преимущества этого привода: обеспечение широких диапазонов регулирования фаз газораспределения, высокое быстродействие, удобство контроля работы привода, большая надежность элементов электронной системы управления и возможность при необходимости установки дублирующих схем формирования управляющих сигналов. Электромагнитный привод позволяет получить оптимальные энергетические и экологические показатели дизеля при любых режимах работы, возможность без дополнительных затруднений реверсировать дизель, осуществлять декомпрессию при пуске и режим противовращения, а также использовать дизель в качестве поршневого компрессора.

Однако массогабаритные показатели этого привода для тепловозного дизеля оказались неудовлетворительными - электромагнит только для привода одного выпускного клапана дизеля ЧН 26/26 имеет вес свыше 16 кг, причем сердечник и обмотка весят примерно одинаково. К этому следует добавить вес демпфера, креплений и кожуха. КПД привода получается не выше 50%, и только на отдельных режимах работы двигателя в оптимальном варианте он может достигнуть 65%. Средняя потребляемая мощность на привод составляет приблизительно 1 кВт/клапан при частоте вращения коленчатого вала в 1000 мин^-1. Электромагниты необходимо интенсивно принудительно охлаждать. И хотя электромагнитный привод клапанов является заманчивым техническим решением, его широкое применение в таком традиционном виде, как силовой соленоид, представляется нецелесообразным. Кроме того, необходимость охлаждения электромагнитов, а главное высокая их стоимость, снижают практическую ценность идеи.

Электрогидравлический привод клапанов интегрирует достоинства гидравлического и электромагнитного способов управления по требуемому быстродействию и возможности регулирования фаз газораспределения (или закона движения клапанов). Основные конструктивные преимущества такого типа привода заключаются в упрощении компоновки крышки цилиндра, снижении динамических нагрузок, уровня шума и затрат металла, повышении уровня автоматизации за счет регулирования в требуемом диапазоне фаз газораспределения и закона движения клапанов [1].

На рис. 1.5. показана схема установки силовых гидроцилиндров электрогидравлического привода на дизеле ЧН 26/26 (Д49), находящегося на уровне лучших зарубежных аналогов. Гидравлические цилиндры расположены на общей пластине, которая, в свою очередь, крепится к постелям подшипников кулачкового вала, что обеспечивает требуемую унификацию деталей привода и удобство обслуживания. На каждом цилиндре двигателя установлены по два впускных и выпускных клапана. Привод осуществляют четыре гидравлических цилиндра, имеющие общие подводящие трубопроводы от исполнительных электрогидравлических клапанов, расположенных в развале цилиндров. Возможен также вариант привода двух одноименных клапанов от одного гидроцилиндра через траверсу.

Плунжер гидроцилиндра при этом имеет увеличенный диаметр. В предложенной схеме для обеспечения полной симметрии работы одноименных гидроцилиндров подводящие трубопроводы расположены между ними. Всего было проработано 6 вариантов взаимного расположения оборудования электрогидравлического привода на головке цилиндров.

При размещении гидравлического оборудования вместо распределительного вала во всю длину дизеля в развале цилиндров размещают гидравлический аккумулятор высокого давления. От него получают питание приводы клапанов всех цилиндров. По трубкам высокого давления топливо поступает к электрогидравлическим клапанам. Вместо колонки крепления коромысел выпускных клапанов установлена стойка силовых гидроцилиндров. От общего гидравлического аккумулятора осуществляется также питание форсунок с электрическим управлением.

Рис. 1.6. Схема установки силовых гидроцилиндров электрогидравлического привода клапанов и форсунки на цилиндровой крышке дизеля ЧН 26/26

Предварительное определение габаритов показало, что вписывание гидроцилиндров вместо типовых верхних распределительных валов увеличит высоту крышки клапанов на 20-30 мм из-за верхнего расположения подводящих трубопроводов. Изменение конструкции гидроцилиндров при применении боковых подводящих штуцеров позволит не только не менять высоту крышки, по даже уменьшить ее на 10-20 мм.

Результаты испытаний показали, что электрогидравлический привод функционирует стабильно на всех режимах от холостого хода до выхода дизеля на внешнюю характеристику. Общее время работы экспериментального привода на дизельном стенде составило свыше 450 м-ч. Несмотря на сложную конструкцию альтернативного привода клапанов газораспределения оптимизация фаз газораспределения и закона движения клапанов позволяет снизить среднеэксплуатационный расход топлива транспортным дизелем не менее чем на 8-12%.

Альтернативный электрогидравлический привод газораспределения может быть применен на всех перспективных локомотивных энергетических установках. Для дизелей типа Д49 уже подготовлены конструкторские проработки, позволяющие улучшить компоновку цилиндровых крышек. Исследования в данном направлении являются перспективными и с точки зрения повышёния технико-экономических показателей дизелей нового поколения [1].

1.5. Стенды для регулирования топливной аппаратуры дизелей

1.5.1. Стенд ДД 10-06

Предназначен для регулирования ТНВД дизелей большой мощности с цикловой подачей до 1000 мм/цикл и диаметром плунжера до 16 мм, типа БЕЛАЗ (120т) с двигателями 8ДМ, 6ДМ, В8РА, а также ТНВД судовых и тепловозных дизелей. Диагностика производится путем воспроизведения частоты вращения приводного вала топливного насоса высокого давления (ТНВД).

В стенде ДД10-06 используются: гидропривод, система термостабилизации топлива, система высокой и низкой подачи топлива, количество одновременно испытываемых секций не более 8, установленная мощность привода 15 кВт, управление с электронного тахосчетчика, базовая комплектация (комплект кронштейнов, муфт и трубок высокого давления к отечественным ТНВД).

На стенде ДД 10-06 можно проводить следующие операции:
испытание и регулировку рядных топливных насосов высокого давления с самостоятельной системой смазки (для испытания насосов с циркуляционной системой смазки требуется подключение станции), с количеством секций до восьми, а также ТНВД распределительного типа с количеством питающих штуцеров до восьми. Стенд позволяет контролировать следующие параметры и характеристики: величина и равномерность подачи топлива секциями (производительность насосных секций), частота вращения вала ТНВД в момент начала действия регулятора, частота вращения вала ТНВД в момент прекращения подачи топлива, давление открытия нагнетательных клапанов, угол начала нагнетания и конца подачи топлива по повороту вала ТНВД и чередование подачи секциями ТНВД, характеристика автоматической муфты опережения впрыска, поддержание заданной температуры топлива.