內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)裝置的研制

李瑋利

(北京鐵路局機(jī)務(wù)處，北京100860)

內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)裝置的研制

李瑋利

(北京鐵路局機(jī)務(wù)處，北京100860)

為解決國(guó)產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)啟動(dòng)爆燃、冒黑煙等問(wèn)題，通過(guò)多年跟蹤研究，組織研制了東風(fēng)型內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)裝置。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠、效果顯著，已經(jīng)具備了推廣使用的價(jià)值。

內(nèi)燃機(jī)車;東風(fēng)型;柴油機(jī);平穩(wěn)啟動(dòng)裝置

國(guó)產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中冒黑煙、暴燃的狀況由來(lái)已久，如果得不到解決，不僅造成資源浪費(fèi)、環(huán)境污染，更會(huì)增加柴油機(jī)故障，如:增壓器轉(zhuǎn)子固死、噴油器噴孔積碳堵死、因嚴(yán)重的軸系扭振而降低傳動(dòng)軸等運(yùn)動(dòng)部件的使用壽命等。因此，研制柴油機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)裝置，減輕柴油機(jī)起機(jī)過(guò)程的爆燃、冒黑煙的程度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，延長(zhǎng)增壓器、噴油器、傳動(dòng)軸等運(yùn)動(dòng)部件使用周期是非常必要的。

1 啟動(dòng)爆燃原因分析

以東風(fēng)4B機(jī)車為例，柴油機(jī)聯(lián)合調(diào)節(jié)器(圖1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是以一對(duì)飛錘作為速敏元件，它的轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)速成正比。飛錘具有一定質(zhì)量m，布置在距轉(zhuǎn)動(dòng)中心R的地方，因此在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生離心力F離

式中:ωp——飛錘轉(zhuǎn)動(dòng)角速度;

np——飛錘的轉(zhuǎn)速。

圖1 聯(lián)合調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)簡(jiǎn)圖

飛錘趾部向上抵著推力軸承及彈簧盤(pán)，力為F軸，它是F離軸向分力，故也與轉(zhuǎn)速平方成正比。由于柴油機(jī)停機(jī)時(shí)，飛錘處于收攏狀態(tài)，柱塞處于最下方，油道Ⅰ接通油道Ⅱ，為柴油機(jī)啟動(dòng)做好了準(zhǔn)備。柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，按下柴油機(jī)啟動(dòng)按鈕，45 s后，啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪油泵泵油;電磁聯(lián)鎖DLS線圈得電，停車滑閥關(guān)閉動(dòng)力活塞下腔泄油道;1DF得電，啟動(dòng)加速器動(dòng)作。從調(diào)速器泵齒輪及啟動(dòng)加速器出來(lái)的壓力油進(jìn)入動(dòng)力活塞下腔，推動(dòng)動(dòng)力活塞克服彈簧阻力上移，動(dòng)力活塞桿帶動(dòng)供油傳動(dòng)裝置使噴油器向氣缸內(nèi)噴油。由于柴油機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，塔形彈簧預(yù)緊力F彈總是大于飛錘離心力的軸向分力F軸(F彈＞F軸)，柱塞工作盤(pán)總在B孔之下，壓力油不斷進(jìn)入動(dòng)力活塞下方，推動(dòng)動(dòng)力活塞繼續(xù)上行，短時(shí)間內(nèi)將供油拉桿拉到最大供油位，向氣缸噴油量持續(xù)增加，造成柴油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中供油過(guò)量。此時(shí)氣缸內(nèi)積聚過(guò)量燃油，一旦溫度達(dá)到著火點(diǎn)時(shí)便立即著火燃燒，導(dǎo)致氣缸內(nèi)的爆發(fā)壓力急劇升高，從而造成柴油機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中工作粗暴。

由于啟動(dòng)過(guò)程中進(jìn)氣穩(wěn)壓箱的空氣壓力為負(fù)壓，被吸入氣缸內(nèi)的新鮮空氣不能滿足氣缸內(nèi)過(guò)量燃油完全燃燒的需要，燃油燃燒的條件非常差。燃燒不完全的燃油以游離態(tài)碳的形式從煙囪排出，導(dǎo)致發(fā)生爆燃的同時(shí)排出濃重黑煙。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 限制供油量實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)

研究表明，柴油機(jī)啟動(dòng)爆發(fā)與否不是取決于參加做功的燃油數(shù)量，而是取決于單位時(shí)間內(nèi)燃油燃燒所做的功能否滿足柴油機(jī)正常爆發(fā)時(shí)的需要。因此，向氣缸內(nèi)噴入適量的燃油，使其充分燃燒，就可以保證柴油機(jī)正常爆發(fā)，而過(guò)量的燃油，只能使柴油機(jī)啟動(dòng)冒黑煙并引起暴燃。

因此，如何控制柴油機(jī)啟動(dòng)的最大供油量是實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)的主要問(wèn)題。

通過(guò)柴油機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)裝置來(lái)限制供油拉桿的行程，從而控制啟動(dòng)時(shí)各缸噴油泵的最大供油量，最終達(dá)到減少柴油機(jī)啟動(dòng)冒黑煙、粗暴燃燒程度，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)的目的。

2.2 全程控制啟動(dòng)過(guò)程

柴油機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，由于機(jī)型、司機(jī)操作手法等不同，啟動(dòng)時(shí)間各有不同。如何保證柴油機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有平穩(wěn)以前，即柴油機(jī)啟動(dòng)全過(guò)程不發(fā)生起機(jī)爆燃、冒黑煙的問(wèn)題是柴油機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)需解決的又一問(wèn)題。

該裝置就是通過(guò)解決上述兩大問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)的。

3 工作原理

如圖所示為柴油機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)裝置圖，圖2為該裝置的控制機(jī)構(gòu);圖3為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖2 平穩(wěn)啟動(dòng)電子控制裝置接線圖

圖3 平穩(wěn)啟動(dòng)裝置與供油彈性連接桿裝配圖

平穩(wěn)啟動(dòng)電子控制裝置安裝在電氣間，平穩(wěn)啟動(dòng)繼電器固定在柴油機(jī)機(jī)體上，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的定位套固定在柴油機(jī)調(diào)速器彈性連接桿套筒上。

控制機(jī)構(gòu)由蓄電池24 V供電，機(jī)車電閘閉合后，平穩(wěn)啟動(dòng)電子控制裝置得電自檢，自檢完成，裝置上綠色燈光亮，數(shù)碼管顯示“—”，設(shè)備正常。

當(dāng)柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，閉合燃油泵開(kāi)關(guān)，控制盒5#接線柱通電，為平穩(wěn)啟動(dòng)繼電器工作做好準(zhǔn)備。按下啟動(dòng)按鈕，QC正連鎖閉合，該裝置獲得觸發(fā)信號(hào)，繼電器得電吸合，限制供油止擋伸出，擋住固定在調(diào)控系統(tǒng)供油彈性連接桿上定位護(hù)套的移動(dòng)，限制高壓泵供油齒條最大只能伸出4～6刻線(安裝時(shí)可調(diào))。同時(shí)，電子控制裝置開(kāi)始計(jì)時(shí)。18～20 s(該時(shí)間整定值可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各型柴油機(jī)啟動(dòng)全過(guò)程控制，保證柴油機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng))柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，平穩(wěn)啟動(dòng)控制裝置繼電器斷電釋放，限制供油止擋在復(fù)原彈簧的作用下回到初始位置，柴油機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)裝置不再對(duì)柴油機(jī)工作有任何影響。

4 裝車試驗(yàn)效果

2005年開(kāi)始平穩(wěn)啟動(dòng)裝置先后被安裝在東風(fēng)4、東風(fēng)7、東風(fēng)11機(jī)車上裝車試驗(yàn)(圖4、圖5所示)。

圖4 平穩(wěn)啟動(dòng)裝置與彈性連接桿裝配實(shí)物照片

4.1 該裝置的可靠性、優(yōu)良性跟蹤

(1)柴油機(jī)啟動(dòng)操作過(guò)程無(wú)任何改變。能夠有效防止啟動(dòng)過(guò)程中因高壓油泵等部件卡滯而導(dǎo)致“飛車”的故障發(fā)生。

(2)沒(méi)有發(fā)生因加裝平穩(wěn)啟動(dòng)裝置后啟動(dòng)困難的問(wèn)題。柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)間與正常啟動(dòng)基本相同。

圖5 平穩(wěn)啟動(dòng)電子控制裝置實(shí)物照片

(3)該裝置科學(xué)、合理地利用了現(xiàn)有安裝空間。執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位套套裝在供油彈性連接桿上，利用彈性連接桿的結(jié)構(gòu)，解決了起機(jī)過(guò)程中調(diào)速器、平穩(wěn)啟動(dòng)裝置對(duì)供油拉桿反向控制的矛盾。

(4)平穩(wěn)啟動(dòng)電子控制裝置采用24 V工作電壓控制繼電器吸合，高低電壓之間采用光電隔離;繼電器并接阻容吸收裝置。確保了電子控制裝置可靠工作，避免了繼電器反峰電壓對(duì)其它電子元器件造成損壞。

(5)通過(guò)裝車試驗(yàn)中不斷改進(jìn)，電子控制裝置、平穩(wěn)啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行可靠，故障發(fā)生率低，不會(huì)給機(jī)車檢修工作帶來(lái)不利影響，完全滿足機(jī)車運(yùn)用要求。

(6)該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用、通用性強(qiáng)、安裝調(diào)試方便。

4.2 柴油機(jī)啟動(dòng)振動(dòng)、排煙測(cè)試

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 柴油機(jī)啟動(dòng)振動(dòng)測(cè)試情況

由表1數(shù)據(jù)可看出，平穩(wěn)啟動(dòng)時(shí)柴油機(jī)最高爆發(fā)壓力明顯低于正常啟動(dòng)時(shí)壓力。正常啟動(dòng)轉(zhuǎn)速波動(dòng)比較大，平穩(wěn)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速波動(dòng)不明顯。兩種啟動(dòng)方式排煙比較(圖6所示)，正常啟動(dòng)煙色特別濃黑;接入平穩(wěn)啟動(dòng)裝置啟動(dòng)，煙囪只有淺灰色煙排出。實(shí)踐表明安裝平穩(wěn)啟動(dòng)裝置對(duì)改善煙色、緩和柴油機(jī)粗暴工作的效果是非常明顯的。

圖6 柴油機(jī)正常起動(dòng)、平穩(wěn)起動(dòng)排煙比較

4.3 經(jīng)濟(jì)效益

在對(duì)東風(fēng)4B 6041機(jī)車進(jìn)行起機(jī)試驗(yàn)時(shí)，我們對(duì)單缸不同時(shí)間段齒條刻線進(jìn)行記錄，繪制出(圖7所示)的柴油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中供油齒條刻線變化圖(平穩(wěn)啟動(dòng)齒條刻線最大限制在4刻線上)。通過(guò)圖例分析看出，啟動(dòng)過(guò)程節(jié)油效果還是比較明顯的。短時(shí)間內(nèi)齒條刻線變化范圍決定了柴油機(jī)起機(jī)波動(dòng)量大小，圖中曲線變化比較進(jìn)一步說(shuō)明了平穩(wěn)啟動(dòng)裝置對(duì)抑制柴油機(jī)起機(jī)過(guò)程中粗暴燃燒的作用。

通過(guò)對(duì)安裝該裝置的機(jī)車進(jìn)行長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)跟蹤比較發(fā)現(xiàn)，安裝該裝置后柴油機(jī)后燃、波紋管紅等現(xiàn)象明顯減少;小、輔修拆檢噴油器因積碳堵死更換針閥偶件件數(shù)減少;增壓器惰轉(zhuǎn)試驗(yàn)靈活;因傳動(dòng)軸曠動(dòng)量超限而更換十字頭的頻次下降。使用平穩(wěn)啟動(dòng)裝置延長(zhǎng)了運(yùn)動(dòng)部件的使用周期。

圖7 柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)供油齒條刻線變化圖

5 結(jié)束語(yǔ)

該裝置克服了柴油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中爆燃和排放黑煙的狀況，延緩了運(yùn)動(dòng)部件損壞;減少了啟動(dòng)時(shí)柴油機(jī)排煙對(duì)環(huán)境的污染，并具有一定的節(jié)油效果和較高的可靠性，具有明顯的推廣使用價(jià)值。

［1］張世芳．內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1990:189．

TK01+8

B

2095－1671(2012)03－0105－04

2012-04-18;

2012-05-22

李瑋利(1960—)，男，河北石家莊人，工程師，主要從事機(jī)車燃料熱力工作。