李瑋利

(北京鐵路局機務處，北京100860)

內燃機車柴油機平穩(wěn)啟動裝置的研制

李瑋利

(北京鐵路局機務處，北京100860)

為解決國產(chǎn)內燃機車柴油機啟動爆燃、冒黑煙等問題，通過多年跟蹤研究，組織研制了東風型內燃機車柴油機平穩(wěn)啟動裝置。該裝置結構簡單、使用可靠、效果顯著，已經(jīng)具備了推廣使用的價值。

內燃機車;東風型;柴油機;平穩(wěn)啟動裝置

國產(chǎn)內燃機車柴油機啟動過程中冒黑煙、暴燃的狀況由來已久，如果得不到解決，不僅造成資源浪費、環(huán)境污染，更會增加柴油機故障，如:增壓器轉子固死、噴油器噴孔積碳堵死、因嚴重的軸系扭振而降低傳動軸等運動部件的使用壽命等。因此，研制柴油機平穩(wěn)啟動裝置，減輕柴油機起機過程的爆燃、冒黑煙的程度，實現(xiàn)節(jié)能減排，延長增壓器、噴油器、傳動軸等運動部件使用周期是非常必要的。

1 啟動爆燃原因分析

以東風4B機車為例，柴油機聯(lián)合調節(jié)器(圖1)轉速調節(jié)是以一對飛錘作為速敏元件，它的轉速與曲軸轉速成正比。飛錘具有一定質量m，布置在距轉動中心R的地方，因此在轉動時產(chǎn)生離心力F離

式中:ωp——飛錘轉動角速度;

np——飛錘的轉速。

圖1 聯(lián)合調節(jié)器轉速調節(jié)簡圖

飛錘趾部向上抵著推力軸承及彈簧盤，力為F軸，它是F離軸向分力，故也與轉速平方成正比。由于柴油機停機時，飛錘處于收攏狀態(tài)，柱塞處于最下方，油道Ⅰ接通油道Ⅱ，為柴油機啟動做好了準備。柴油機啟動時，按下柴油機啟動按鈕，45 s后，啟動電機帶動柴油機曲軸轉動，齒輪油泵泵油;電磁聯(lián)鎖DLS線圈得電，停車滑閥關閉動力活塞下腔泄油道;1DF得電，啟動加速器動作。從調速器泵齒輪及啟動加速器出來的壓力油進入動力活塞下腔，推動動力活塞克服彈簧阻力上移，動力活塞桿帶動供油傳動裝置使噴油器向氣缸內噴油。由于柴油機在啟動過程中，塔形彈簧預緊力F彈總是大于飛錘離心力的軸向分力F軸(F彈＞F軸)，柱塞工作盤總在B孔之下，壓力油不斷進入動力活塞下方，推動動力活塞繼續(xù)上行，短時間內將供油拉桿拉到最大供油位，向氣缸噴油量持續(xù)增加，造成柴油機啟動過程中供油過量。此時氣缸內積聚過量燃油，一旦溫度達到著火點時便立即著火燃燒，導致氣缸內的爆發(fā)壓力急劇升高，從而造成柴油機在啟動過程中工作粗暴。

由于啟動過程中進氣穩(wěn)壓箱的空氣壓力為負壓，被吸入氣缸內的新鮮空氣不能滿足氣缸內過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，導致發(fā)生爆燃的同時排出濃重黑煙。

2 設計方案

2.1 限制供油量實現(xiàn)平穩(wěn)啟動

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

因此，如何控制柴油機啟動的最大供油量是實現(xiàn)柴油機平穩(wěn)啟動的主要問題。

通過柴油機平穩(wěn)啟動裝置來限制供油拉桿的行程，從而控制啟動時各缸噴油泵的最大供油量，最終達到減少柴油機啟動冒黑煙、粗暴燃燒程度，實現(xiàn)柴油機平穩(wěn)啟動的目的。

2.2 全程控制啟動過程

柴油機在啟動過程中，由于機型、司機操作手法等不同，啟動時間各有不同。如何保證柴油機轉速沒有平穩(wěn)以前，即柴油機啟動全過程不發(fā)生起機爆燃、冒黑煙的問題是柴油機平穩(wěn)啟動需解決的又一問題。

該裝置就是通過解決上述兩大問題，從而實現(xiàn)柴油機平穩(wěn)啟動的。

3 工作原理

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

圖2 平穩(wěn)啟動電子控制裝置接線圖

圖3 平穩(wěn)啟動裝置與供油彈性連接桿裝配圖

平穩(wěn)啟動電子控制裝置安裝在電氣間，平穩(wěn)啟動繼電器固定在柴油機機體上，執(zhí)行機構的定位套固定在柴油機調速器彈性連接桿套筒上。

控制機構由蓄電池24 V供電，機車電閘閉合后，平穩(wěn)啟動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“—”，設備正常。

當柴油機啟動時，閉合燃油泵開關，控制盒5#接線柱通電，為平穩(wěn)啟動繼電器工作做好準備。按下啟動按鈕，QC正連鎖閉合，該裝置獲得觸發(fā)信號，繼電器得電吸合，限制供油止擋伸出，擋住固定在調控系統(tǒng)供油彈性連接桿上定位護套的移動，限制高壓泵供油齒條最大只能伸出4～6刻線(安裝時可調)。同時，電子控制裝置開始計時。18～20 s(該時間整定值可調，以實現(xiàn)對各型柴油機啟動全過程控制，保證柴油機平穩(wěn)啟動)柴油機轉速穩(wěn)定后，平穩(wěn)啟動控制裝置繼電器斷電釋放，限制供油止擋在復原彈簧的作用下回到初始位置，柴油機平穩(wěn)啟動裝置不再對柴油機工作有任何影響。

4 裝車試驗效果

2005年開始平穩(wěn)啟動裝置先后被安裝在東風4、東風7、東風11機車上裝車試驗(圖4、圖5所示)。

圖4 平穩(wěn)啟動裝置與彈性連接桿裝配實物照片

4.1 該裝置的可靠性、優(yōu)良性跟蹤

(1)柴油機啟動操作過程無任何改變。能夠有效防止啟動過程中因高壓油泵等部件卡滯而導致“飛車”的故障發(fā)生。

(2)沒有發(fā)生因加裝平穩(wěn)啟動裝置后啟動困難的問題。柴油機啟動時間與正常啟動基本相同。

圖5 平穩(wěn)啟動電子控制裝置實物照片

(3)該裝置科學、合理地利用了現(xiàn)有安裝空間。執(zhí)行機構定位套套裝在供油彈性連接桿上，利用彈性連接桿的結構，解決了起機過程中調速器、平穩(wěn)啟動裝置對供油拉桿反向控制的矛盾。

(4)平穩(wěn)啟動電子控制裝置采用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其它電子元器件造成損壞。

(5)通過裝車試驗中不斷改進，電子控制裝置、平穩(wěn)啟動執(zhí)行機構運行可靠，故障發(fā)生率低，不會給機車檢修工作帶來不利影響，完全滿足機車運用要求。

(6)該裝置結構簡單實用、通用性強、安裝調試方便。

4.2 柴油機啟動振動、排煙測試

測試結果見表1。

表1 柴油機啟動振動測試情況

由表1數(shù)據(jù)可看出，平穩(wěn)啟動時柴油機最高爆發(fā)壓力明顯低于正常啟動時壓力。正常啟動轉速波動比較大，平穩(wěn)啟動轉速波動不明顯。兩種啟動方式排煙比較(圖6所示)，正常啟動煙色特別濃黑;接入平穩(wěn)啟動裝置啟動，煙囪只有淺灰色煙排出。實踐表明安裝平穩(wěn)啟動裝置對改善煙色、緩和柴油機粗暴工作的效果是非常明顯的。

圖6 柴油機正常起動、平穩(wěn)起動排煙比較

4.3 經(jīng)濟效益

在對東風4B 6041機車進行起機試驗時，我們對單缸不同時間段齒條刻線進行記錄，繪制出(圖7所示)的柴油機啟動過程中供油齒條刻線變化圖(平穩(wěn)啟動齒條刻線最大限制在4刻線上)。通過圖例分析看出，啟動過程節(jié)油效果還是比較明顯的。短時間內齒條刻線變化范圍決定了柴油機起機波動量大小，圖中曲線變化比較進一步說明了平穩(wěn)啟動裝置對抑制柴油機起機過程中粗暴燃燒的作用。

通過對安裝該裝置的機車進行長期現(xiàn)場跟蹤比較發(fā)現(xiàn)，安裝該裝置后柴油機后燃、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;增壓器惰轉試驗靈活;因傳動軸曠動量超限而更換十字頭的頻次下降。使用平穩(wěn)啟動裝置延長了運動部件的使用周期。

圖7 柴油機啟動時供油齒條刻線變化圖

5 結束語

該裝置克服了柴油機啟動過程中爆燃和排放黑煙的狀況，延緩了運動部件損壞;減少了啟動時柴油機排煙對環(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值。

［1］張世芳．內燃機車柴油機［M］．北京:中國鐵道出版社，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，主要從事機車燃料熱力工作。