При эксплуатации разных тепловозных дизелей величины давления воздуха в продувочном ресивере ps и отношения давления воздуха в продувочном ресивере к давлению в выпускном коллекторе ps/pт неодинаковы. Если колебания давления воздуха регламентированы техническими условиями и контролируются в процессе эксплуатации, то величины отношений ps/pт в эксплуатации колеблются в довольно широких пределах, не оговоренных никакими инструкциями или ТУ. Одновременно имеют место колебания величин сечений сопловых аппаратов и окон втулок цилиндров в пределах допусков на изготовление и сборку деталей и узлов двигателя, главным образом в результате закоксовывания.
Эти обстоятельства в сочетании с нестабильностью к. п. д. турбокомпрессоров, обусловленной эксплуатационными факторами, приводят к колебанию в широких пределах расхода воздуха (от 6 кг/с номинальный до ≈4 кг/с). Между тем расход воздуха является критерием оценки экономичности, а также состояния и эксплуатационной надежности отдельных узлов и деталей двигателя.
На заводе транспортного машиностроения им. Малышева проведены экспериментальные исследования на одноцилиндровом отсеке ОД100, собранном и отрегулированном в соответствии с ТУ на сборку и регулировку дизеля 10Д100, при номинальном режиме работы.
Рис. 24. Изменение основных индикаторных и эффективных показателей дизеля 10Д100 при рs = 2,1 кгс/см2 от величины расхода воздуха
Из зависимостей, полученных в результате обработки экспериментальных данных одноцилиндрового отсека, можно заключить, что снижение расхода воздуха, очевидно, вызывает ухудшение условий газообмена, процессов смесеобразования и сгорания, так как сопровождается характерным при этом падением ni, hz и увеличением tг [21].
Наиболее резко влияние величины расхода воздуха должно проявляться на режиме c минимальным коэффициентом избытка воздуха и наибольшим часовым расходом топлива, которым и является выбранный для испытаний режим номинальной мощности
(рис. 24). При уменьшении расхода воздуха ниже номинального значения происходит существенное ухудшение очистки и наполнения цилиндра, что снижает индикаторный к. п. д. двигателя. Одновременно происходит падение средней скорости поступления воздуха во втулку цилиндра и как следствие этого ослабление интенсивности воздушного вихря во втулке. Ослабление интенсивности воздушного вихря двояко влияет на индикаторный к. п. д. Основное назначение продувочного вихря в дизеле 10Д100 — улучшение смесеобразования и очистки цилиндра. В то же время вихрь увеличивает теплоотдачу от газа к стенкам втулки и поршням, что отрицательно сказывается на индикаторном к. п. д. двигателя.
Следовательно, изменения индикаторных показателей двигателя являются результатом совместного влияния интенсивности продувочного вихря на процессы газообмена, смесеобразования, сгорания и теплопередачи. Анализ индикаторных диаграмм и опытных данных, полученных в процессе испытаний, позволяет исследовать совместное влияние наполнения и интенсивности продувочного вихря на сгорание и теплопередачу.
При уменьшении расхода воздуха (рис. 25) и, следовательно, падении наполнения и интенсивности продувочного вихря выделение теплоты в начальный период сгорания замедляется и увеличивается продолжительность догорания на линии расширения, что объясняется падением α и ухудшением смесеобразования. В то же время исследования влияния наполнения на индикаторный к. п. д. дизеля 10Д100, проведенные ранее на опытном стенде, показали, что с уменьшением наполнения неуклонно падает индикаторный к. п. д.
Совместное влияние указанных выше факторов и обусловливает полученное в процессе испытаний неуклонное падение индикаторного к. п. д. дизеля 10Д100 при уменьшении расхода продувочного воздуха. Ухудшение рабочего процесса вследствие уменьшения расхода продувочного воздуха ведет к интенсификации нагарообразования на поверхностях поршней. Нагарообразование, ухудшение рабочего процесса и уменьшение расхода продувочного воздуха способствуют повышению температуры цилиндро-поршневой группы, в результате чего усиливается ее износ и как следствие этого снижается моторесурс двигателя.
Если изменение расхода воздуха при исследовании влияния его на индикаторные и эффективные параметры дизеля 10Д100 было получено на отсеке независимо от причин изменения расхода воздуха на полноразмерном двигателе, то расход воздуха и его изменение в эксплуатации на полноразмерном двигателе зависит от состояния ряда узлов и деталей, определяющих этот расход. Следовательно, по величине расхода воздуха можно судить не только о качестве рабочего процесса, но и о качестве работы и состояния отдельных узлов и деталей двигателя.
Рис. 25. Кривые тепловыделения xi = f(α) для номинального режима работы дизеля при расходах воздуха:
1 — 6,7 кг/с; 2 — 5,3 кг/с; 3 — 4,2 кг/с
В частности, величина расхода воздуха является показателем качества выполнения агрегатов наддува, особенно турбокомпрессоров. Так, величина расхода воздуха понижается от 6,0 до 4,4 кг/с при снижении к. п. д. турбокомпрессоров от 57 до 44%, что ведет к повышению удельного эффективного расхода топлива на 10 г/э-л. с. ч и росту теплонапряженности. В процессе эксплуатации понижение величины расхода воздуха вызывается закоксовыванием окон втулок цилиндров, падением к. п. д. турбокомпрессоров вследствие закоксовывания сопловых аппаратов и другими причинами. Факторы, снижающие расход воздуха на двигателе в процессе эксплуатации, влияют на эффективные параметры дизеля 10Д100, аналогично понижению к. п. д. турбокомпрессоров, и приводят к увеличению удельного расхода топлива и снижению моторесурса.
Итак, чтобы определить качество рабочего процесса двигателя, а также выявить состояние проходных сечений окон втулок цилиндров, к. п. д. турбокомпрессоров и т. п., целесообразно контролировать расход воздуха на дизелях в процессе их длительной эксплуатации.
Один из возможных вариантов контроля расхода воздуха на дизеле 10Д100 — замер перепада давлений и температуры на определенном участке воздухопровода между первой и второй ступенями наддува. При этом следует иметь в виду, что воздушный поток может оказывать неодинаковое давление в разных местах стенки воздухопровода из-за возможности отклонения отдельных струй воздуха от общего направления потока, поэтому для получения надежной величины следует измерять давление в нескольких точках по периметру сечения воздухопровода. Практически это осуществляется при помощи кольцевых трубок, соединяющих по четыре точки замера с манометром.
Замерив на определенном участке воздухопровода давления и температуры и используя зависимость расхода воздуха от перепада давлений на этом участке при соответствующих давлении и температуре воздуха, нетрудно определить расход воздуха на двигателе. Контроль за величиной расхода воздуха в эксплуатации позволяет быстро обнаружить ухудшение экономичности дизеля и своевременно устранить причины, вызвавшие его, что снизит пережог топлива и увеличит моторесурс.
Загрязнение выпускного тракта, возникающее в процессе эксплуатации, приводит к уменьшению площади проходного сечения и уменьшению расхода воздуха через дизель. Особенно это проявляется на дизелях 10Д100, где закоксовывание выпускных окон наиболее распространено. Уменьшение расхода воздуха возникает вследствие падения отношения давления в продувочном ресивере к давлению в выпускном коллекторе ps/pт, обычно это сопровождается и падением давления в продувочном ресивере. Уменьшение расхода воздуха снижает качество продувки цилиндра, ухудшает процесс газообмена и при сохранении подачи топлива приводит к возрастанию температуры выпускных газов. Однако это повышение температуры в большинстве случаев не может компенсировать снижение расхода воздуха и частота вращения ротора турбокомпрессора обычно падает. Режим совместной работы дизеля и компрессора смещается влево ближе к границе помпажа. При существенном закоксовывании выпускного тракта может возникнуть помпаж — неустойчивый режим, приводящий нередко к выходу из строя рабочего колеса компрессора.
Для дизелей типа 10Д100 важно согласование характеристик двух параллельно работающих турбокомпрессоров. Изменение характеристик одного турбокомпрессора вызывает рассогласование характеристики двигателя с другим турбокомпрессором. Если при более интенсивном закоксовывании одного из турбокомпрессоров расход воздуха через дизель снизится, то температура выпускных газов возрастет перед обеими турбинами турбокомпрессоров. Но повышение температуры не может скомпенсировать снижения расхода газа, причем в большей мере это проявится на более закоксованном турбокомпрессоре. Этот турбокомпрессор будет работать на режиме, более близком к помпажу, чем менее закоксованный.
Таким образом, измерение расхода воздуха дизеля 10Д100 в эксплуатации целесообразно производить одновременно в обеих трубопроводах. Целесообразно также определение отношения ps/pт, которое характеризует суммарный расход воздуха через двигатель (рис. 26). Одновременно с замером давления наддува это отношение определяет суммарный расход воздуха через двухтактный дизель. Снижение Gв в период эксплуатации дизеля 10Д100 указывает на усиленное загрязнение газовоздушного тракта (рис. 27).
Рис. 27. Изменение параметров дизеля ОД100 в зависимости от закоксования выпускных окон
В дизеле 2Д100 закоксовывание выпускных окон приводит к повышению отношения рs/рт, поскольку объемный ротационный приводной нагнетатель типа РУТ при этом лишь незначительно снижает расход воздуха. Однако повышение отношения ps/pт и даже одного лишь ps в дизеле 2Д100 свидетельствует об увеличении отбора мощности на привод компрессора и удельного эффективного расхода топлива. Как пережог топлива, так и увеличение нагрузок на детали привода компрессора, несомненно, снижают надежность и долговечность дизеля 2Д100. Поэтому обнаружение отклонений ps или лишь ps/pт в процессе эксплуатации указывает на необходимость осмотра окон. Следует, однако, иметь в виду, что низкие значения ps/pт или только рs свидетельствует об ухудшении работы объемного ротационного компрессора — увеличении зазоров между корпусом и ротором или наличии, других неисправностей.