ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЗЕЛЕЙ ТИПА Д70 И БАЗОВОГО ДИЗЕЛЯ 2Д70

ГЛАВА I

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЗЕЛЕЙ ТИПА Д70 И БАЗОВОГО ДИЗЕЛЯ 2Д70

1. Общая характеристика дизелей типа Д70

Дизели семейства Д70 относятся к дизелям средней быстроходности и могут использоваться не только как тепловозные для работы с электрической и гидравлической передачей, но и как судовые дизель-генераторы и стационарные установки. Целесообразность создания и постройки семейства дизелей Д70 заложена в их прогрессивных показателях и в первую очередь в высокой экономичности, в возможности развития мощностного ряда с высокой степенью унификации.

При выборе основных параметров рабочего процесса и конструктивных особенностей дизелей типа Д70 учитывался опыт отечественного и зарубежного двигателестроения. Умеренные показатели по среднему эффективному давлению и скорости поршня (ре=18 кгс/см2 и ниже; ст=9 м/с и ниже) обеспечивают большой моторесурс дизельной установки в тепловозе — порядка 25000 — 30000 ч, что является важнейшим параметром для железнодорожного транспорта. Коэффициент динамичности нарастания давления, величина максимального давления сгорания также выбраны умеренными, а коэффициент избытка воздуха обеспечивает высококачественное протекание рабочего процесса.

Дизели типа Д70 работают с высоким наддувом, когда мощность газовой турбины турбокомпрессора полностью расходуется на получение наддувочного воздуха (автономный турбокомпрессор), по рабочему процессу с продувкой цилиндра (рз>рт), т. е. когда давление выпускных газов ps ниже давления наддува рт. При проектировании дизелей Д70 этот вариант условно был назван вариантом А. Оптимальное сочетание основных параметров, определяющих рабочий процесс, обеспечило высокую экономичность дизелей. На заводе были проведены исследования, направленные на дальнейшее повышение экономичности дизеля путем использования избыточной мощности газовой турбины. Проведенные расчетно-исследовательские и экспериментальные работы показали возможность повышения экономичности дизеля Д70 за счет повышения давления выпускных газов до значений, превышающих давление наддувочного воздуха. Оптимальное противодавление рт в выпускном коллекторе достигается при условии Pт/Pв— 1,25----- 1,35 (продувка цилиндра отсутствует). Дизели, работающие по такому процессу, названы вариантом Б. В этом случае

газовая турбина развивает мощность 1000 л. с. за счет высокого значения давления выпускных газов (pT>=Ps при мощности дизеля 3000 л. с.), из которых 600 л. с. расходуется на привод наддувочного компрессора, а 400 л. с. избыточной мощности передается на коленчатый вал через редуктор.

Избыточная мощность газовой турбины тем больше, чем выше рт и к. п. д. компрессора и силовой турбины. При организации рабочего процесса по варианту Б на режиме номинальной мощ-ности был достигнут удельный расход топлива 145 г/(э. л. с.*ч).

Испытания дизеля Д70 варианта Б проводились при следующих изменениях по сравнению с первыми образцами дизелей Д70А: поршни алюминиевые, охлаждаемые; степень сжатия главного ряда 12,8 и прицепного 13,2. Фазы газораспределения: впускные клапаны — открытие — 10® до в. м. т., закрытие — 40° за н. м. т.; выпускные клапаны открытие — 38° до н. м. т., закрытие — 12° за в. м. т.; перекрытие клапанов — 22°. В качестве агрегатов наддува на дизелях варианта Б применялись силовая турбина и редуктор для передачи мощности к коленчатому валу, разработанные и изготовленные заводом.

После регулировки дизеля по наддуву получены следующие основные параметры (при стандартных атмосферных условиях): ре — среднее эффективное давление (13,8 кгс/см2 при D = 240mm); Се — удельный эффективный расход топлива [145 г/(э. л. с.-ч)]; pz — максимальное давление сгорания (108 кгс/см2); ps — давление воздуха в ресивере (2,47 кгс/см2); рт — давление газов перед силовой турбиной (3,8 кгс/см2); ti — температура газов перед силовой турбиной (585°С); ts — температура воздуха во впускном ресивере (66°С);

аΣ — суммарный коэффициент избытка воздуха (2,03).

На опытных стендах были получены все основные параметры дизеля Д70 варианта Б. Анализ полученных данных позволил сделать ряд выводов.

1. Кривая изменения удельных эффективных расходов топлива во всем диапазоне нагрузок не достигает своего минимума. Это позволяет увеличивать форсировку по наддуву. Более крутое протекание кривой удельного расхода топлива объясняется в основном уменьшением избыточной мощности силовой турбины.

2. Характер изменения се при снижении частоты вращения коленчатого вала дизеля остается аналогичным тому, который получен на дизеле при рs>рт, только наблюдается более крутое изменение нагрузочных характеристик.

3. Коэффициент избытка воздуха а изменяется более полого. На дизеле с высоким противодавлением характер протекания изменений суммарных коэффициентов избытка воздуха менее крутой, чем при работе по обычной характеристике. При уменьшении частоты вращения и нагрузки указанная разница все более сглаживается, так как уменьшается разность на обоих дизелях по рт.

Вариант Б дизеля Д70 не был внедрен в производство, так как сложность его изготовления не окупалась полученным экономиче-ским эффектом. Опыт работы по созданию дизелей этого варианта используется для разработки дизель-турбинной установки мощностью 6000 л. с.

Особенности рабочего процесса дизелей Д70 присущи в основном всему мощностному ряду и представляют собой оптимальное соотношение таких показателей, как степень сжатия, перекрытие клапанов (более 95° п. к. в.), угла опережения впрыска топлива, выбора параметров топливной аппаратуры, эффективной системы наддува с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха.

Высокое качество процесса смесеобразования и сгорания, совершенство процесса выпуска и наполнения достигнуты выбором оптимальных значений давлений и температур наддувочного воздуха, коэффициента избытка воздуха, степени повышения давления при сгорании, выбором оптимальных конструктивных элементов топливной аппаратуры, впускных и выпускных клапанов.

Параметры, определяющие качество рабочего процесса дизеля, характеризуются высоким давлением наддува, невысокой температурой наддувочного воздуха (порядка 60—70°С), повышенным значением коэффициента избытка воздуха в цилиндре (а= 2,1 ---2,2), сравнительно высокой степенью сжатия и качественным интенсивным впрыском топлива. Процесс сгорания дизелей 2Д70 проходит при высоком индикаторном к. п. д. n = 0,47), низких значениях средней скорости нарастания давления при сгорании (dp/da) ср=2,5 кгс/см2) и невысоких значениях степени повышения давления (А,= 1,3----1,56).

Дизели типа Д70 имеют механический к. п. д. порядка nM = = 0,88-=-0,91. Благодаря высоким значениям индикаторных и механических к. п. д. в дизелях Д70 получены низкие эффективные расходы от 143 до 150 г/(э. л. с-ч).

Открытие выпускных клапанов, определяющее начало процесса очистки цилиндра, наступает за 50° до н. м. т. В этот момент давление в цилиндре составляет примерно 8,5 кгс/см2, а в коллекторе приблизительно 2,2 кгс/см2. Благодаря этому соотношению и резкому открытию выпускных клапанов обеспечивается хорошая очистка цилиндров от газов, коэффициент остаточных газов на номинальной мощности y = 0>01 получается при относительно небольшом количестве воздуха, проходящего через выпускные клапаны в период продувки. К концу продувки давление в цилиндре превышает давление в воздушном ресивере на номинальном режиме на 0,2—0,3 кгс/см2 и поэтому коэффициент наполнения достигает высоких значений. Дизели Д70 имеют относительно небольшие значения отдельных составляющих теплового баланса. Так, например, теплоотвод в воду и масло в них ниже, чем соответствующий теплоотвод в двигателях аналогичного класса.

Реальные характеристики дизелей Д70 выбирались из условия получения наибольшей экономичности при ограничении тепловых

и механических напряжений. Кроме этих условий, форма тепловозной характеристики (зависимость основных показателей работы дизеля от частоты вращения коленчатого вала) определялась также и системой регулирования возбуждения тягового генератора. Известно, что в эксплуатации значительную часть времени дизели работают на неполной мощности (малых нагрузках). В дизелях Д70 при снижении мощности до 60% удельный эффективный расход топлива находится приблизительно в пределах работы на номинальном режиме. При этом индикаторный к. п. д. несколько уменьшается из-за существенного снижения давления наддува, а механический к. п. д. возрастает.

В результате расчетных и экспериментальных проверок ряда вариантов были получены оптимальные фазы газораспределения, принятые окончательно на дизелях Д70. Предварение впрыска топлива подбиралось таким, чтобы максимальное давление сгорания pz не превышало 115 кгс/см2. Исследования влияния величины степени сжатия на работу дизеля Д70 на номинальном режиме позволили установить, что изменение степени сжатия от 15 до 12 дает снижение эффективного расхода топлива приблизительно на 3%. При этом температура выпускных газов возрастает от 580 до 610°С. Исходя из данных испытаний была выбрана наиболее рациональная степень сжатия.

Исследования по совершенствованию смесеобразования, по подбору сопловых наконечников форсунок и камер сгорания, по снижению охлаждения поршня позволили снизить удельный расход топлива при е= 12,8 до уровня 143—145 г/(э. л. с-ч) при работе дизеля с приводной газовой турбиной и до уровня 150—154 г/(э. л. с.*ч)—с автономным турбокомпрессором. Таким образом, установлено, что при постоянной величине максимального давления сгорания 115 кгс/см2 повышение степени сжатия сверх е=13 нерационально. Завышенная степень сжатия ведет к нежелательному повышению pz. Максимальное давление цикла рг определяет расчетную нагрузку на силовую схему дизеля.

При разработке форсировки дизелей Д70 учитывалось, что снижение коэффициента избытка воздуха является одним из эффективных путей форсирования рабочего цикла. При снижении а принималось во внимание возрастание температурной напряженности цикла. Как известно, моторесурс дизеля уменьшается по мере увеличения его форсирования. Наиболее действенным способом повышения мощности является газотурбинный наддув, позволяющий повысить ре. При этом необходимо сохранять в приемлемых пределах давление сгорания pz и обеспечивать оптимальные коэффициенты избытка воздуха для сгорания и для продувки. На дизеле 2Д70 применен наддув по изобарной системе наддува, а на дизелях 12Д70 импульсная система наддува.

Для улучшения очистки камеры сгорания применена продувка камеры сгорания. Благодаря продувке камеры сгорания и цилиндра охлажденным воздухом достигнут улучшенный теплоотвод от нагретых деталей и снижена их температура.

При выборе параметров топливоподачи были проведены большие работы по выбору насос-форсунок и раздельной топливной аппаратуры. Преимущества и недостатки двух различных систем были проверены после изготовления опытных образцов. В результате испытания обеих топливных систем на дизелях Д70 была установлена раздельная топливная аппаратура. Экспериментом было подтверждено, что раздельная топливная аппаратура по сравнению с насос-форсункой обладает рядом преимуществ производственно-эксплуатационного характера. Проведенные испытания различных профилей кулачков привода плунжеров топливных насосов позволили выбрать оптимальные варианты.

Проведенные исследования температурных условий работы дизелей Д70 позволили сделать такие выводы:

1) условия работы деталей дизеля ненапряженные;

2) для упрощения водяной системы и обеспечения требований уровня температур деталей дизеля была установлена температура охлаждающей воды на выходе 90°С;

3) дизель имеет резервы по повышению температуры охлаждающей воды, по снижению интенсивности охлаждения поршня и ino повышению температуры наддувочного воздуха.

В дизелях типа Д70 заложены значительные резервы по повышению их мощности и экономичности без увеличения габаритов и массы за счет снижения коэффициента избытка воздуха и за счет повышения наддува. Только путем использования резервов рабочего процесса по а на дизелях типа Д70 мощностью в 3000 л. с. может быть повышена мощность до 3500 л. с. в агрегате. Характеристики дизеля, полученные при испытаниях на выявление резервов рабочего процесса за счет а, показаны на рис. 1. Повышая цикловую подачу топлива, можно удельный эффективный расход топлива снизить до се= 143,5 г/(э. л. с.*ч), при этом коэффициент избытка воздуха снижается до а =1,86. Другие параметры форсированного по рабочему процессу дизеля приведены на рис. 2. Изменение температуры основных деталей при форсировании его до 3500 л. с. видны на рис. 3. Из приведенных зависимостей следует, что, кроме повышения экономичности, мощность газовой турбины увеличивается примерно на 120 л. с. при почти неизменной мощности, потребляемой компрессором. Максимальное давление сгорания возрастает незначительно на 3—4 кгс/см2. Резервы по а в рабочем процессе в дизелях типа Д70 оставлены в модификациях Д70 неиспользованными, а дальнейшая форсировка проведена по увеличению наддува и по улучшению конструктивных и технологических параметров.

Рис 3

содержание .. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ..