Режим работы судового двигателя на малых оборотах

Одним из существенных показателей технического состояния судового двигателя является величина минимально устойчивого числа оборотов вала. Чем меньше это число оборотов, тем боль­ше двигатель удовлетворяет требованиям, предъявляемым условиями экс­плуатации судна.

Современные дизели при работе на гребной винт имеют минимально устойчивое число оборотов в пределах n_{min уст} = (0,25 ? 0,30) n_ном.

С ухудшением технического состояния двигателя, т. е. с падением ко­личественной оценки его показателей (мощности, удельного расхода топ­лива и др.), минимально устойчивое число оборотов вала возрастает. Двига­тель начинает в меньшей степени удовлетворять требованиям, вытекающим из условий эксплуатации судна.

Как показывают опытные данные, величина минимально устойчивого числа оборотов вала двигателя главным образом определяется степенью неравномерности подачи топлива по цилиндрам.

Величина неравномерности подачи топлива по цилиндрам в процентах равна

Чем больше степень неравномерности подачи топлива по цилиндрам, тем больше минимально устойчивое число оборотов вала двигателя. Таким образом, необходимо всегда иметь минимальное значение степени неравно­мерности подачи топлива по цилиндрам. Однако по мере увеличения периода работы двигателя, вследствие износа плунжеров и втулок топливных насо­сов, сопловых отверстий форсунок и сочленений в системе управления топ­ливными насосами, степень неравномерности подачи топлива возрастает. Неодинаковая затяжка пружин форсунок, различная длина нагнетатель­ных трубопроводов и конструкция топливного насоса также влияют на ве­личину неравномерности подачи топлива.

Наибольшее влияние на величину неравномерности подачи топлива, оказывает различие в плотности прилегания плунжеров к втулкам топлив­ных насосов различных цилиндров.

Утечка топлива из нагнетательной полости насоса за период нагнета­ния определяется из выражения

Из приведенной формулы следует, что с увеличением зазора в насосной паре, давления нагнетания топлива, диаметра плунжера насоса и с умень­шением вязкости топлива и средней скорости плунжера насоса утечки топ­лива из нагнетательной полости насоса возрастают. Таким образом, раз­личная величина зазора в насосах и обусловливает величину степени нерав­номерности подачи топлива, а следовательно, и устойчивости работы двига­теля на малых оборотах его вала.

Последняя определяется не только непосредственным влиянием вели­чины зазора в насосной паре, но и падением давления нагнетания топлива. Достичь одинакового зазора в топливных насосах между плунжером и втул­кой практически не представляется возможным, а потому неравномерность подачи топлива по цилиндрам всегда остается.

Путем соответствующей регулировки системы двигателя удается, для какого-либо режима работы двигателя, уменьшить эту неравномерность подачи топлива. Обычно такая регулировка делается для номинального режима работы, а потому при работе двигателя на малых оборотах степень неравномерности подачи топлива и минимально устойчивое число оборотов Бала достигают значительной величины.

Таким образом, с точки зрения достижения малых значений минималь­но устойчивых чисел оборотов вала двигателя величина зазора между плун­жером и втулкой топливного насоса должна быть минимальной и колебание этого зазора по цилиндрам многоплунжерного топливного насоса должно лежать в узких пределах. Согласно опытным данным, величина зазора должна быть такой, при которой падение давления топлива от 300 до 100 кГ/см² должно происходить в течение не более 4—5 сек.

Неодинаковые первоначальные размеры сопловых отверстий форсунок различных цилиндров двигателя, разные величины зазоров между иглами и стенками форсунок и различие в величине подъема иглы форсунок также влияют на неравномерность подачи топлива. Это влияние на неравномерность подачи топлива значительно усиливается в эксплуатации дизеля вслед­ствие неодинакового износа сопловых отверстий и игл форсунок.

Наличие зазоров (люфтов) в сочленениях системы управления топлив­ными насосами влияет на величину полезных ходов их плунжеров. При этом вследствие вибрации, которая возникает при работе двигателя, ука­занное изменение полезного хода плунжеров может быть и неодинаково. В этом случае происходит изменение подачи топлива как по времени, так и по цилиндрам. Изменение подачи топлива, вследствие наличия люфтов в системе управления насосами, становится особенно значительным при ма­лых оборотах двигателя, т. е. при малой подаче топлива за цикл.

Следовательно, люфт в системе управления топливными насосами влияет на неравномерность подачи топлива по цилиндрам и всего насоса по вре­мени, и особенно это влияние становится значительным на режиме малых оборотов двигателя. С увеличением отношения хода плунжера насоса к диаметру его h_н/d_н неравномерность подачи топлива (если есть люфт) умень­шается.

Топливные насосы с большими отношениями h_н/d_н имеют более равно­мерную подачу топлива, что позво­ляет снизить минимальное устойчивое число оборотов двигателя. При работе дизеля давление пружины на иглу форсунки может изменяться вслед­ствие изменения упругих свойств ма­териала пружины. Изменение давле­ния пружины на иглу форсунки вли­яет на изменение подачи топлива, а следовательно, и на величину неравномерности подачи топлива по цилинд­рам. Опытные данные показывают, что при режиме малых оборотов дизеля снижение давления пружины на иглу форсунки всего на 10 кГ/см² зна­чительно увеличивает подачу топлива.

При работе дизеля на режиме малых оборотов по винтовой характе­ристике период подачи топлива уменьшается, и если топливный насос с пе­ременным концом подачи, то вся порция подается до ВМТ и значительная часть ее — в период задержки самовоспламенения. Эти обстоятельства вы­зывают увеличение максимального давления цикла и скорости нарастания давления. Кроме того, устойчивость работы двигателя возможна при более высоком числе оборотов вала.

Если топливный насос имеет переменное начало подачи, то на режиме работы малых чисел оборотов двигателя топливо поступает в цилиндр с мало измененным опережением и потому работа двигателя будет менее чувствитель­на к неравномерности подачи топлива.

Количество подаваемого топлива в цилиндр зависит не только от про­должительности подачи, но и от величины коэффициента наполнения топлив­ного насоса ?_н.т. Коэффициент наполнения топливного насоса золотникового типа при уменьшении числа оборотов вала двигателя уменьшается, а кла­панного насоса увеличивается. На режиме малых оборотов топливный на­сос клапанного типа обеспечивает более устойчивую работу, чем насос золотникового типа.

Кривая ?_н._т = f(n) (кривая 1 рис. 173) пересекается с винтовой харак­теристикой N_e = f(n) (кривая 2) в зоне малых чисел оборотов под острым углом: Резкое изменение величины ?_н._т в зоне малых оборотов при незначи­тельном изменении скорости вращения приводит к превышению крутящего момента двигателя над моментом гребного винта или, наоборот, к превы­шению момента гребного винта над крутящим моментом двигателя. Иными словами, если ход плунжера насоса при этом остается без изменения, то двигатель начнет разгоняться или заглохнет. Незначительное изменение скорости вращения на режиме малых оборотов, вследствие непостоянства сопротивления ходу судна, вполне возможно, а потому для достижения устойчивой работы двигателя на этом режиме необходим регулятор числа оборотов.