MONITORING OF COMBUSTION AND PARAMETRIC DIAGNOSIS OF K6S310DR MEDIUM-SPEED LOCOMOTIVES DIESEL ENG
Authors:
1.
Odessa National Maritime University
2.
Odessa National Maritime University
3.
Odessa National Maritime University
4.
Odessa National Maritime University
5.
Odessa National Maritime University, Ukraine
Type:
Article
Pages:
from 52
to 61
Status:
Published
Received:
20.05.2014
Accepted:
25.05.2014
Published:
25.05.2014
Subject area:
UDK 621.431.74
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
medium-speed diesel engines, fuel injection, gas distribution, monitoring
Abstract (English):
Using parametric methods of diagnosis performance has been improved and efficiency of medium-speed diesel locomotives K6S310DR has been increased. Combustion monitoring was carried out by D4.0H diesel monitoring system before and after the next repair of the diesel at the test station of locomotive depot N 1 Odessa-Sortirovochnaya. Failures in operation of the high pressure fuel equipment and the gas distribution mechanism were revealed and eliminated. Features of the cylinder cover design and installation of a fuel valves of the diesel K6S310DR allowed receiving the qualitative characteristic of fuel injection and gas distribution against the p (φ) diagram of the working process. As a result, the uniform distribution of mechanical and thermal loads in the cylinders of the diesel increased service life and eliminated excess of fuel consumption
Using parametric methods of diagnosis performance has been improved and efficiency of medium-speed diesel locomotives K6S310DR has been increased. Combustion monitoring was carried out by D4.0H diesel monitoring system before and after the next repair of the diesel at the test station of locomotive depot N 1 Odessa-Sortirovochnaya. Failures in operation of the high pressure fuel equipment and the gas distribution mechanism were revealed and eliminated. Features of the cylinder cover design and installation of a fuel valves of the diesel K6S310DR allowed receiving the qualitative characteristic of fuel injection and gas distribution against the p (φ) diagram of the working process. As a result, the uniform distribution of mechanical and thermal loads in the cylinders of the diesel increased service life and eliminated excess of fuel consumption
Keywords:
medium-speed diesel engines, fuel injection, gas distribution, monitoring
medium-speed diesel engines, fuel injection, gas distribution, monitoring
Введение В 2013 г. кафедра «Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация» Одесского национального морского университета заключила договор с локомотивной службой Одесских железных дорог, цель которого - повышение эффективности эксплуатации и качества ремонтных работ дизелей маневровых тепловозов ЧМЭ3. На маневровых тепловозах ЧМЭ3 используются среднеоборотные дизели (СОД) типа K6S310DR, четырехтактные. Их эксплуатация связана с частыми изменениями нагрузки и длительной работой на долевых режимах. Такой режим эксплуатации приводит к интенсивному износу всех основных узлов дизеля и, в особенности, топливной аппаратуры (ТА) высокого давления и клапанов газораспределения. Среднеоборотные дизели K6S310DR, как и предполагалось, оказались очень чувствительными к качеству работы ТА и механизма газораспределения (МГР). Большинство дизелей, по срокам эксплуатации нуждавшихся в плановом ремонте, характеризовалось, как будет показано ниже, значительными неравномерности мощностей цилиндров и максимальных давлений сгорания. Значительно отличались также значения температуры выпускных газов, что приводило к ограничению мощности всего дизеля и перегреву и даже прогоранию выпускных клапанов отдельных цилиндров. При повышении нагрузки на дизель, стоящий на реостате, до 6-й ступени (средняя нагрузка) и выше, на многих дизелях, находившихся в предремонтном состоянии, наблюдался интенсивный черный дым, свидетельствующий о неполном сгорании топлива. По оценке мгновенного удельного расхода топлива дизеля в таком техническом состоянии получался перерасход минимум на 30 % относительно паспортного значения. Обычная практика плановых ремонтов часто заключалась в приблизительной оценке технического состояния узлов дизеля и последующей трудоемкой процедуре демонтажа, замены и обратного монтажа ТА, МГР и элементов цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Основной пред- и постремонтный анализ технического состояния производился по значениям температуры выпускных газов и другим косвенным статическим показателям. В то же время из теории и практики эксплуатации судовых (и не только) дизелей известно, что точную диагностическую картину ЦПГ, ТА и МГР дает только анализ динамических процессов, происходящих во время рабочего цикла. После ряда предварительных испытаний на реостатном стенде выяснилось, что разработанная на кафедре система мониторинга рабочего процесса D4.0H может быть эффективно использована для выявления причин неисправностей дизелей тепловозов. Индицирование дизелей тепловозов с помощью D4.0H Индицирование дизелей K6S310DR маневровых тепловозов ЧМЭ3 производилось на станции реостатных испытаний в локомотивном депо № 1, Одесса-Сортировочная (рис. 1). По требованию локомотивной службы индицирование производилось дважды: до и после плановых ремонтных работ. При необходимости, если после ремонта выявлялись критические замечания, циклы ремонт - индицирование повторялись. Рис. 1. Индицирование дизеля тепловоза ЧМЭ3 на станции реостатных испытаний в локомотивном депо № 1, Одесса-Сортировочная На тепловозе установлен дизель марки K6S310DR, который работает как дизель-генератор, питая аккумулятор. Тепловоз приводится в движение с помощью электродвигателей, которые получают электропитание от аккумулятора. Дизель K6S310DR - рядный шестицилиндровый, с рабочим объёмом 163 л, с турбонаддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха (рис. 2). Дизель модернизирован так, что при частоте вращения 775 мин−1 его мощность составляет 1100 кВт [1]. На холостом ходу частота вращения - 350 мин−1. Поршень выполнен с камерой сгорания, его диаметр - 310 мм, ход - 360 мм. В [1] указано, что удельный эффективный расход топлива этих дизелей снижен (!) до 225 г/(кВт∙ч). В настоящее время дизели с такой величиной удельного расхода топлива не могут выдерживать конкуренции с современными СОД основных фирм: Wärtsilä, Caterpillar, Deutz, MTU и др., которые заявляют значения удельного расхода топлива SFOC меньше 200 г/(кВт∙ч). Например, СОД Wärtsilä 6L32, с системой топливоподачи Common rail, при аналогичной частоте вращения - 775 мин−1 и цилиндровой мощности 500 кВт (!), имеет удельный эффективный расход топлива SFOC = 176 г/(кВт∙ч) [2]. В процессе эксплуатации, при ухудшении технического состояния дизеля K6S310DR, его мощность снижается, а удельный расход еще больше увеличивается, почти «достигая показателей» самых первых компрессорных дизелей Рудольфа Дизеля - 300 г/(кВт∙ч). Не допускать такой ситуации и придерживаться, хотя бы приблизительно, паспортных значений мощности и расхода можно только путем поддержания нормального технического состояния дизеля с помощью корректного выявления и устранения неисправностей, а также регулировки ТА и МГР с помощью мониторинга рабочего процесса и разработанных алгоритмов параметрической диагностики. 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Рис. 2. Дизель K6S310DR [1]: 1 - рама; 2 - блок; 3 - выпускные коллекторы; 4 - привод клапана; 5 - крышка цилиндра; 6 - поршень; 7 - распределительный вал; 8 - втулка цилиндра; 9 - шатун; 10 - коленчатый вал (КВ); 11 - система мониторинга D4.0H [3]. Датчик давления PS-20m на индикаторном кране; 12 - вибродатчик VS-20m установлен на торец форсунки, колпак крышки цилиндра снят Предварительные исследования системы на дизеле K6S310DR показали, что можно оперативно получить достоверную диагностическую информацию о техническом состоянии ТА и МГР. В условиях реостатных испытаний датчик давления (рис. 2, 11) переносится с цилиндра на цилиндр, при этом выдерживается постоянная нагрузка (6, 7 или 8 ступень, т. е. больше 60 % от номинала). Вибродатчик VS-20m устанавливается на торец форсунки со стороны крышек цилиндров, при этом колпак на индицируемом цилиндре снят. При снятом колпаке разбрызгивание масла незначительное и установка VS-20m на магнитной основе производится удобно, если использовать удлинитель корпуса датчика (рис. 2, 12). Система мониторинга DEPAS D4.0H [3, 4] используется на судовых, железнодорожных и стационарных дизельных установках с 2005 г. За это время накоплен большой опыт эксплуатации, позволивший усовершенствовать и развить ее основные расчетные алгоритмы. Два основных характерных отличия системы позволяют производить качественную и быструю параметрическую диагностику дизелей: 1) параллельный анализ давления в цилиндре, топливоподачи и газораспределения; 2) использование расчетного алгоритма синхронизации данных. Диагностические параметры рабочего процесса дизеля, определяемые системой, приведены на рис. 3. Они определяются по трем информационным каналам: давлению газов в цилиндре в течение рабочего цикла, вибродиаграмме процесса впрыскивания топлива и вибродиаграмме работы клапанов газораспределения. Рис. 3. Фрагмент описания D4.0H - параметры рабочего процесса дизеля, определяемые системой Основным измерительным элементом систем является датчик давления газов в цилиндре дизеля PS-20m [3]. Данные используются для расчета среднего индикаторного давления, индикаторной мощности цилиндра и определения основных параметров рабочего процесса (рис. 3). Вибродатчик VS-20m является вспомогательным датчиком системы [3]. Анализ виброимпульсов различных узлов ТА и ЦПГ дизеля позволяет определять фазы топливоподачи и газораспределения, а также производить оценку технического состояния по формам вибродиаграмм. Среднее индикаторное давление рабочего цикла рассчитывается по дискретно записанной развернутой индикаторной диаграмме методом приращенных объемов. Шаг дискретизации Δφ ≤ 0,5° поворота коленчатого вала (ПКВ). , где - количество участков разбиения индикаторной диаграммы. Для каждого угла ПКВ текущий объем цилиндра записывается формулой , где - объем камеры сжатия; - отношение радиуса мотыля КВ к длине шатуна между осями его подшипников. Индикаторная мощность дизеля рассчитывается по формуле , где - частота вращения КВ двигателя, мин-1; - число цилиндров; - коэффициент, учитывающий тактность дизеля и размерности входных величин для приведения результата к системе СИ (= 6,55 для 4-тактных дизелей; =13,1 для 2-тактных дизелей). Условие определения угла момента начала самовоспламенения топлива: . Вторая производная рассчитывается для участка от - середина участка сжатия до с заданным шагом ∆φ по формуле численного дифференцирования. Для практической оценки механической жесткости используется средняя скорость нарастания давления от угла начала сгорания до угла максимального давления сгорания[5]: , где , . Другие параметры рабочего процесса, показанные на рис. 3, а также фазы топливоподачи и газораспределения определяются с помощью методов, описанных в [4, 5]. Результаты индицирования дизеля K6S310DR маневрового тепловоза ЧМЭ3 до и после ремонтных работ приведены на рис. 4. При нагрузке выше 6-й степени наблюдался черный дым. Во время первого индицирования были зафиксированы значительные различия значений температуры выпускных газов между цилиндрами - более 70 °С. Индицирование показало неравномерность значений мощности цилиндров и максимального давления сгорания до 20 % (рис. 4, а1). На цилиндрах № 1, 2, 4 наблюдался дробный впрыск топлива. Кроме того, на цилиндрах № 1, 4 замена форсунок не привела сразу к исправлению ситуации и дробный впрыск сохранился. Анализ вибродиаграмм отсечной пробки топливного насоса высокого давления (ТНВД) показал форму, характерную для сниженного давления топливоподачи, т. е. потерю гидроплотности плунжерной пары ТНВД. На цилиндрах № 2, 3 наблюдалась характерная двухимпульсная вибродиаграмма закрытия впускных клапанов (рис. 4, b1), а на цилиндре № 6 - выпускных клапанов (рис. 4, d). Это вызвано нарушением в регулировке МГР и асинхронностью работы клапанов. С использованием полученных диагностических данных было проведено несколько циклов ремонтных работ, с последующим индицированием и выявлением оставшихся дефектов. После окончания ремонтных работ индицирование показало следующие результаты: - уменьшена неравномерность распределения мощностей по цилиндрам - до 3 % (рис. 4, а2); - уменьшена неравномерность распределения максимальных давлений сгорания по цилиндрам - до 3,5 % (рис. 4, а2); - уменьшена неравномерность распределения максимальных значений температуры выпускных газов по цилиндрам - до 5 %; - вибродиаграммы впрыска, записанные с торца форсунок на всех цилиндрах, характерны для нормальной работы ТА высокого давления в целом (двухимпульсные диаграммы с четко выраженными передними фронтами - подъем и посадка иглы форсунки (рис. 4, b2)); - вибродиграммы закрытий впускных и выпускных клапанов имеют вид, характерный для синхронной работы клапанов - один импульс, причем максимумы виброимпульсов показывают фазы закрытий, совпадающие с их паспортными значениями (рис. 4, b2). Это характеризует нормальную установку тепловых зазоров и, в целом, нормальное техническое состояние привода МГР. a1 17.10.2013 Реостат. Депо №1/Одс DEPAS D4.0H a2 18.10.2013 Реостат. Депо №1/Одс DEPAS D4.0H OK OK DEPAS D4.0H Форсунка Впуск.клапана DEPAS D4.0H OK OK OK c b2 b1 Форсунка-ТНВД Выпуск клапана d Рис. 4. Индицирование дизеля K6S310DR на станции реостатных испытаний в локомотивном депо № 1, Одесса-Сортировочная: а1 - сводный отчет об индицировании дизеля до ремонтных работ; а2 - после ремонтных работ; b1 - развернутая индикаторная диаграмма цилиндра № 2 до ремонтных работ; b2 - после ремонтных работ; с - пример неисправности ТА высокого давления; d - пример неисправности выпускных клапанов e Рис. 4. Индицирование дизеля K6S310DR на станции реостатных испытаний: e - пример неисправности впускных клапанов В случае однофазного впрыска, применяемого на дизелях K6S310DR, нормальная работа ТА высокого давления должна приводить в конечном итоге к подъему и посадке иглы в определенных, заданных фазах (рис. 4, b2). При этом подъем иглы форсунки должен происходить с определенной фазой опережения до верхней мертвой точки для этого типа СОД (т. е. должен выдерживаться фактический угол опережения впрыска). Любые изменения фаз подъема и посадки иглы (начала и окончания впрыска), а также многократные подрывы иглы являются следствием комплексного дефекта ТА высокого давления в целом. При четырехклапанной системе газораспределения наиболее характерный дефект - асинхронность работы клапанов - проявляется в виде двойного импульса или множественных импульсов вибродиаграммы (рис. 4, b1, d, e). Отсутствие или искажение импульса на вибродиаграмме при закрытии клапанов тоже является признаком дефекта. Во всех этих случаях требуются контроль теплового зазора и профилактика МГР. Формы виброимпульсов впускных и выпускных клапанов при нормальном техническом состоянии МГР показаны на рис. 4, b2. Система D4.0H позволяет фиксировать перемещения иглы и, таким образом, контролировать работоспособность ТА высокого давления в целом. Параллельно с виброимпульсами форсунки при впрыске записываются и анализируются виброимпульсы, возникающие при посадке клапанов газораспределения, что позволяет контролировать техническое состояние МГР. Комплекс практических мероприятий по регулировке топливной аппаратуры и механизма газораспределения Главным условием нормальной работы дизеля, при котором обеспечиваются минимальный удельный расход топлива, высокая надежность и большая продолжительность работы на номинальной мощности, является совершенствование процесса сгорания топлива в рабочих цилиндрах. Качество рабочего процесса зависит от настройки ТА, МГР, правильно установленной высоты камеры сжатия, равномерного распределения нагрузки по отдельным цилиндрам и т. д., т. е. от качества регулирования основных узлов и систем дизеля. Для регулирования дизеля предлагаются следующие мероприятия. 1. При ремонте дизеля и демонтаже крышек цилиндра необходимо осуществлять контроль за состоянием тарелок, седел, направляющих втулок впускных и выпускных клапанов, т. к. нарушение плотности прилегания рабочих клапанов значительно снижает надежность и экономичность работы дизеля. Если на седле клапана присутствуют риски, выбоины, то седло клапана и сам клапан необходимо проточить на станке, а затем притереть. Качество притирки или герметичность впускных и выпускных клапанов можно проверить при помощи мягкого карандаша, которым на притираемые поверхности наносят произвольно риски в радиальном направлении. Затем клапан осторожно опускают в гнездо и проворачивают его на 1/3 оборота. При хорошей плотности карандашные риски будут равномерно стерты. 2. Проверку тепловых зазоров впускных и выпускных клапанов необходимо проводить на холодном двигателе при открытых лючках распределительного вала, чтобы убедиться, что на проверяемом цилиндре ролик толкателя находился над цилиндрической частью кулачка. Необходимо также отрегулировать одновременность открытия и закрытия траверсой впускных и выпускных клапанов. Величина теплового зазора устанавливается заводом-изготовителем. Ее необходимо строго соблюдать, т. к. при уменьшении зазора клапаны начинают открываться раньше, а закрываться позже, а при увеличении зазоров - наоборот. Кроме того, увеличение тепловых зазоров приводит к появлению стуков в газораспределительном приводе, его преждевременному износу и даже поломке, а уменьшение зазоров до нуля не обеспечивает плотного закрытия клапанов и может быть причиной задира ролика, кулачка и изгиба штанги коромысла. 3. Проверку и регулировку фаз газораспределения (моментов открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов относительно верхней мертвой точки и нижней мертвой точки) проводить при каждом техническом осмотре на каждом цилиндре дизеля. Из-за неправильной регулировки фаз газораспределения может происходить догорание на выпуске и значительно повышаться температура выпускных газов, что приведет к обгоранию тарелок и седел. Величины опережения открытия и запаздывания закрытия клапанов определены рекомендациями завода-изготовителя, которые необходимо неукоснительно соблюдать. Полученные результаты измерения фактических фаз газораспределения сравнивают с данными завода-изготовителя. Отклонения допускаются в пределах ±5° ПКВ. 4. Необходимо проверять и регулировать давление, качество распыливания топлива, герметичность форсунки и количество и состояние сопловых отверстий распылителя. Качество распыливания топлива зависит от давления впрыска. Открытие иглы форсунки при меньшем давлением, чем это установлено заводом-изготовителем, приводит к плохому распыливанию топлива, снижению качества смесеобразования, повышению дымности и расхода. Отклонение величины давления открытия иглы форсунки от нормы завода-изготовителя допускается не более чем на ±5-10 кг/см2. Значительно ухудшается работа двигателя в случае протекания форсунки. При подтекании часть топлива, попадая в цилиндр, не распыливается, что способствует отложению нагара на соплах и перерасходу топлива. Проверка на герметичность форсунки проводится также на прессе для испытания форсунок. Для этого сначала насос и форсунку необходимо прокачать топливом для удаления воздуха. Затем медленно повышают давление в полости форсунки до рабочего, соответствующего моменту открытия иглы. По манометру и секундомеру фиксируют снижение давления до предусмотренного в инструкции предела и определяют время падения давления. При допустимой герметичности понижение давления от 180 до 100 кг/см2 происходит за 4-6 минут. Плотность прилегания иглы к гнезду распылителя проверяется плавной прокачкой насоса при рабочем давлении 5-6 раз. Сопло распылителя форсунки должно оставаться сухим (перед прокачкой оно вытирается насухо). Износ запорных поверхностей увеличивает ширину уплотнительного пояска на запорном конусе иглы и подъем иглы. Увеличение ширины уплотнительного пояска нарушает герметичность и способствует подтеканию форсунки. Предельная ширина уплотнительного пояска должна составлять 0,8-1 мм. Проверку угла опережения подачи топлива можно производить на остановленном двигателе с помощью «моментоскопа» медленным проворачиванием КВ и наблюдением за уровнем топлива в штуцере ТНВД. Так определяется геометрический угол опережения подачи топлива, т. е. его паспортное значение. При индицировании с помощью D4.0H по переднему фронту первого виброимпульса форсунки определяется фаза подъема иглы или фактический угол опережения впрыска топлива (рис. 4, b2). Разница в градусах ПКВ между геометрическим и действительным углами впрыска топлива характеризует гидроплотность плунжерной пары. Сравнение геометрических и действительных углов опережения впрыска топлива между цилиндрами позволяет сделать сравнительный анализ гидроплотности плунжерных пар ТНВД без их демонтажа. При снижении гидроплотности плунжерных пар разность между геометрическим и действительным углами впрыска увеличивается. Заключение Испытания дизелей K6S310DR показали, что перерасход топлива относительно паспортного значения в среднем до 7 % и выше возникает даже при некритическом снижении качества работы ТА и МГР и последующей разбалансировке мощностей цилиндров. Многие тепловозы длительное время эксплуатируются в таком состоянии. В связи с этим очевидна необходимость периодического контроля рабочего процесса и поддержания нормального технического состояния основных узлов и систем дизеля, влияющих на качество сгорания топлива. Качество и эффективность ремонтных работ зависят от точности диагностической информации о характере и локализации дефекта. Проведение обычной процедуры индицирования с анализом одних лишь только индикаторных диаграмм p(φ) не дает подробного описания дефектов, особенно это касается ТА высокого давления. Применяемая в системе D4.0H методика виброакустического анализа, используемая параллельно с индицированием, является наиболее приемлемой при реостатных испытаниях. Получение точной диагностической информации о техническом состоянии ЦПГ, ТА и МГР дизелей тепловозов позволило повысить эффективность ремонтных работ и проверить качество их исполнения. В результате была повышена эффективность и надежность работы дизелей, а также уменьшен расход топлива.
1. Simson A. E. Teplovoznye dvigateli vnutrennego sgoraniya: ucheb. dlya vuzov / A. E. Simson, A. 3. Homich, A. A. Kuric, E. T. Bartosh, M. E. Gricevskiy. M.: Transport, 1987. 536 s.
2. Medium-speed engines Wärtsilä 32. URL: http://www.wartsila.com/.
3. DEPAS D4.0H: URL: http://depas.od.ua/pdf/DEPAS_Handy_brochure_rus_Print.pdf.
4. Varbanets R. Analyze of marine diesel engine performance / R. Varbanets, A. Karianskiy // Journal of Polish CIMAC. Energetic Aspects. Gdansk: Faculty of Ocean Engineering and Ship Technology Gdansk University of Technology. 2012. Vol. 7, N 1. P. 269-275.
5. Varbanec R. A. Opredelenie effektivnyh parametrov i diagnostika sudovoy dizel'noy ener-geticheskoy ustanovki / R. A. Varbanec, V. G. Ivanovskiy, Yu. N. Kucherenko, I. N. Golovan' // Suchasnі іnformacіynі ta іnnovacіynі tehnologії na transportі MІNTT-2012. Herson: HGMA, 2012. S. 202-207.
