内燃机车柴油机平稳启动装置的研制

2012-11-09李玮利

铁路节能环保与安全卫生 2012年3期

关键词：黑烟内燃机车供油

李玮利

(北京铁路局机务处，北京100860)

内燃机车柴油机平稳启动装置的研制

李玮利

(北京铁路局机务处，北京100860)

为解决国产内燃机车柴油机启动爆燃、冒黑烟等问题，通过多年跟踪研究，组织研制了东风型内燃机车柴油机平稳启动装置。该装置结构简单、使用可靠、效果显著，已经具备了推广使用的价值。

内燃机车;东风型;柴油机;平稳启动装置

国产内燃机车柴油机启动过程中冒黑烟、暴燃的状况由来已久，如果得不到解决，不仅造成资源浪费、环境污染，更会增加柴油机故障，如:增压器转子固死、喷油器喷孔积碳堵死、因严重的轴系扭振而降低传动轴等运动部件的使用寿命等。因此，研制柴油机平稳启动装置，减轻柴油机起机过程的爆燃、冒黑烟的程度，实现节能减排，延长增压器、喷油器、传动轴等运动部件使用周期是非常必要的。

1 启动爆燃原因分析

以东风4B机车为例，柴油机联合调节器(图1)转速调节是以一对飞锤作为速敏元件，它的转速与曲轴转速成正比。飞锤具有一定质量m，布置在距转动中心R的地方，因此在转动时产生离心力F离

式中:ωp——飞锤转动角速度;

np——飞锤的转速。

图1 联合调节器转速调节简图

飞锤趾部向上抵着推力轴承及弹簧盘，力为F轴，它是F离轴向分力，故也与转速平方成正比。由于柴油机停机时，飞锤处于收拢状态，柱塞处于最下方，油道Ⅰ接通油道Ⅱ，为柴油机启动做好了准备。柴油机启动时，按下柴油机启动按钮，45 s后，启动电机带动柴油机曲轴转动，齿轮油泵泵油;电磁联锁DLS线圈得电，停车滑阀关闭动力活塞下腔泄油道;1DF得电，启动加速器动作。从调速器泵齿轮及启动加速器出来的压力油进入动力活塞下腔，推动动力活塞克服弹簧阻力上移，动力活塞杆带动供油传动装置使喷油器向气缸内喷油。由于柴油机在启动过程中，塔形弹簧预紧力F弹总是大于飞锤离心力的轴向分力F轴(F弹＞F轴)，柱塞工作盘总在B孔之下，压力油不断进入动力活塞下方，推动动力活塞继续上行，短时间内将供油拉杆拉到最大供油位，向气缸喷油量持续增加，造成柴油机启动过程中供油过量。此时气缸内积聚过量燃油，一旦温度达到着火点时便立即着火燃烧，导致气缸内的爆发压力急剧升高，从而造成柴油机在启动过程中工作粗暴。

由于启动过程中进气稳压箱的空气压力为负压，被吸入气缸内的新鲜空气不能满足气缸内过量燃油完全燃烧的需要，燃油燃烧的条件非常差。燃烧不完全的燃油以游离态碳的形式从烟囱排出，导致发生爆燃的同时排出浓重黑烟。

2 设计方案

2.1 限制供油量实现平稳启动

研究表明，柴油机启动爆发与否不是取决于参加做功的燃油数量，而是取决于单位时间内燃油燃烧所做的功能否满足柴油机正常爆发时的需要。因此，向气缸内喷入适量的燃油，使其充分燃烧，就可以保证柴油机正常爆发，而过量的燃油，只能使柴油机启动冒黑烟并引起暴燃。

因此，如何控制柴油机启动的最大供油量是实现柴油机平稳启动的主要问题。

通过柴油机平稳启动装置来限制供油拉杆的行程，从而控制启动时各缸喷油泵的最大供油量，最终达到减少柴油机启动冒黑烟、粗暴燃烧程度，实现柴油机平稳启动的目的。

2.2 全程控制启动过程

柴油机在启动过程中，由于机型、司机操作手法等不同，启动时间各有不同。如何保证柴油机转速没有平稳以前，即柴油机启动全过程不发生起机爆燃、冒黑烟的问题是柴油机平稳启动需解决的又一问题。

该装置就是通过解决上述两大问题，从而实现柴油机平稳启动的。

3 工作原理

如图所示为柴油机平稳启动装置图，图2为该装置的控制机构;图3为执行机构。

图2 平稳启动电子控制装置接线图

图3 平稳启动装置与供油弹性连接杆装配图

平稳启动电子控制装置安装在电气间，平稳启动继电器固定在柴油机机体上，执行机构的定位套固定在柴油机调速器弹性连接杆套筒上。

控制机构由蓄电池24 V供电，机车电闸闭合后，平稳启动电子控制装置得电自检，自检完成，装置上绿色灯光亮，数码管显示“—”，设备正常。

当柴油机启动时，闭合燃油泵开关，控制盒5#接线柱通电，为平稳启动继电器工作做好准备。按下启动按钮，QC正连锁闭合，该装置获得触发信号，继电器得电吸合，限制供油止挡伸出，挡住固定在调控系统供油弹性连接杆上定位护套的移动，限制高压泵供油齿条最大只能伸出4～6刻线(安装时可调)。同时，电子控制装置开始计时。18～20 s(该时间整定值可调，以实现对各型柴油机启动全过程控制，保证柴油机平稳启动)柴油机转速稳定后，平稳启动控制装置继电器断电释放，限制供油止挡在复原弹簧的作用下回到初始位置，柴油机平稳启动装置不再对柴油机工作有任何影响。

4 装车试验效果

2005年开始平稳启动装置先后被安装在东风4、东风7、东风11机车上装车试验(图4、图5所示)。

图4 平稳启动装置与弹性连接杆装配实物照片

4.1 该装置的可靠性、优良性跟踪

(1)柴油机启动操作过程无任何改变。能够有效防止启动过程中因高压油泵等部件卡滞而导致“飞车”的故障发生。

(2)没有发生因加装平稳启动装置后启动困难的问题。柴油机启动时间与正常启动基本相同。

图5 平稳启动电子控制装置实物照片

(3)该装置科学、合理地利用了现有安装空间。执行机构定位套套装在供油弹性连接杆上，利用弹性连接杆的结构，解决了起机过程中调速器、平稳启动装置对供油拉杆反向控制的矛盾。

(4)平稳启动电子控制装置采用24 V工作电压控制继电器吸合，高低电压之间采用光电隔离;继电器并接阻容吸收装置。确保了电子控制装置可靠工作，避免了继电器反峰电压对其它电子元器件造成损坏。

(5)通过装车试验中不断改进，电子控制装置、平稳启动执行机构运行可靠，故障发生率低，不会给机车检修工作带来不利影响，完全满足机车运用要求。

(6)该装置结构简单实用、通用性强、安装调试方便。

4.2 柴油机启动振动、排烟测试

测试结果见表1。

表1 柴油机启动振动测试情况

由表1数据可看出，平稳启动时柴油机最高爆发压力明显低于正常启动时压力。正常启动转速波动比较大，平稳启动转速波动不明显。两种启动方式排烟比较(图6所示)，正常启动烟色特别浓黑;接入平稳启动装置启动，烟囱只有浅灰色烟排出。实践表明安装平稳启动装置对改善烟色、缓和柴油机粗暴工作的效果是非常明显的。

图6 柴油机正常起动、平稳起动排烟比较

4.3 经济效益

在对东风4B 6041机车进行起机试验时，我们对单缸不同时间段齿条刻线进行记录，绘制出(图7所示)的柴油机启动过程中供油齿条刻线变化图(平稳启动齿条刻线最大限制在4刻线上)。通过图例分析看出，启动过程节油效果还是比较明显的。短时间内齿条刻线变化范围决定了柴油机起机波动量大小，图中曲线变化比较进一步说明了平稳启动装置对抑制柴油机起机过程中粗暴燃烧的作用。

通过对安装该装置的机车进行长期现场跟踪比较发现，安装该装置后柴油机后燃、波纹管红等现象明显减少;小、辅修拆检喷油器因积碳堵死更换针阀偶件件数减少;增压器惰转试验灵活;因传动轴旷动量超限而更换十字头的频次下降。使用平稳启动装置延长了运动部件的使用周期。