Работа дизелей на малых нагрузках и холостом ходу

Длительная работа ГД на малых нагрузках осуществляется при эксплуатации судна на малых и средних ходах, что часто происходит при плавании в узкостях, в тумане, во льдах, в районе порта, при швартовке. Остановка ГД в этих условиях часто недопустима.

При работе дизелей на пониженных нагрузках значительно снижаются цикловые подачи топлива в цилиндры, а коэффициент избытка воздуха увеличивается. В большинстве эксплуатируемых в настоящее время ГД давление впрыска топлива значительно снижается при уменьшении числа оборотов. Этого не происходит в двигателях с аккумуляторными системами впрыска и в двигателях с ТНВД с гидравлически управляемым приводом. Давление впрыска топлива в двигателях с традиционной системой топливоподачи пропорционально квадрату скорости плунжера ТНВД, а, следовательно, и квадрату частоты вращения распредвала. Из-за некачественного распыла и неполного сгорания происходит интенсивное загрязнение цилиндров, подпоршневых полостей и особенно выхлопных трактов.

Образование нагара на донышке поршня ведет к его перегреву. Образование нагара тем больше, чем меньше среднее эффективное давление [8]. Отложения в канавках поршневых колец (кепах) из-за неполного сгорания топлива и цилиндрового масла могут привести к потере подвижности и поломке колец. При залегании колец происходит потеря их уплотняющей способности. Прорывающиеся в картер газы сдувают смазку с втулки цилиндра, вызывая повышенный износ и полусухое трение, становятся возможными задиры и заклинивание поршней. В тронковых двигателях происходит интенсивное окисление масла и разжижение его топливом.

Асфальто-смолистые, коксовые и сажистые отложения при повышении нагрузки на двигатель могут воспламениться и вызвать пожар в выхлопном тракте, в подпоршневом пространстве и заброс газов во впускной (наддувочный коллектор).

Для предотвращения возникновения пожаров в ПТЭ [7] рекомендуется уменьшать на малых нагрузках подачу цилиндрового масла при сохранении его удельного расхода в пределах рекомендованной для данного дизеля нормы при работе на номинальной мощности, а при работе с мощностью менее 50 % номинальной рекомендуется периодически повышать мощность до 80 % номинальной не менее, чем на 10 минут. Также необходимо чаще, чем обычно спускать дренаж из ресивера, подпоршневых полостей и газовыпуской части турбокомпрессора.

Во время работы ГД на малых ходах создаются условия для самовыключения цилиндров из-за пониженного давления в конце сжатия и пониженной температуры в камере сгорания, так как коэффициент избытка воздуха увеличивается, цикловые подачи топлива резко уменьшаются.

Кроме того, происходит неравномерное распределение топлива по цилиндрам из-за люфтов и заеданий в регулировочных тягах ТНВД, неодинаковой плотности плунжерных пар, неоднородности форсуночных распылителей, неодинаковой затяжки пружин форсунок и других причин. Различие в цикловых подачах на холостом ходу может составлять не 3…5 % как на номинальном режиме, а значительно больше с учетом эксплуатации на различных топливах.

В практике эксплуатации недопустимы большая разница в износе плунжер­ных пар и распылителей, появление значительных свободных ходов в сочлене­ниях механизма управления топливными насосами. При таких неисправностях механику на маневрах приходится вручную изменять подачу топлива с пульта управления, чтобы исключить самопроизвольную оста­новку двигателя.

При снижении оборотов мощность ГД падает по винтовой характеристике. При n= 0,3∙n_ном среднее эффективное давление уменьшается до 9 % , эффективная мощность до 2,7 % , а на двигателях, установленных на современных среднескоростных и высокоскоростных судах, относительная мощность будет еще меньше, так как величина показателя степени в формуле винтовой характеристик составляет 4…4,5, а не 3,0 [22].

Кроме снижения подачи топлива происходит значительное падение давления наддува ввиду снижения располагаемого теплоперепада на турбину турбокомпрессора, зависящего от давления и температуры выпускных газов. Для улучшения воздухоснабжения на малых нагрузках в современных МОД включают дополнительные воздуходувки с электроприводом, что позволяет обеспечить устойчивую и надежную работу на малых ходах.

Снижение температуры в камере сгорания приводит к значительному ухудшению условий для самовоспламенения топлива, возможны пропуски вспышек. Двигатель может заглохнуть. Для поддержания устойчивой минимальной частоты вращения следует повысить температуру наддувочного воздуха.

Снижение минимально устойчивой частоты вращения способствует повышению маневренных качеств судна и безопасности мореплавания. По требованию Морского Регистра эта величина не должна превышать 0,3∙n_ном.Современные условия мореплавания требуют часто меньших значений.

Для снижения степени влияния указанных негативных факторов необходимо:

- следить за отсутствием пропусков вспышек в цилиндре, контролируя параметры работы дизеля, прежде всего температуры выпускных газов и обороты дизеля;

- повысить температуру наддувочного воздуха после охладителя воздуха и температуру охлаждающей воды на входе и выходе из дизеля до наибольшей предельной величины, указанной в инструкции по эксплуатации.

Повышение температуры наддувочного воздуха достигается за счет уменьшения расхода забортной воды на охладитель. Перекрывать полностью подачу забортной воды нельзя во избежание засоления теплообменных поверхностей.

В двигателях с двухконтурной системой охлаждения пресной водой подогрев наддувочного воздуха на малых нагрузках осуществляется подачей горячей воды высокотемпературного контура во вторую ступень воздухоохладителя. В СОД «Вяртсиля» терморегулятор низкотемпературного контура пресной воды на малых нагрузках перенастраивается на режим поддержания повышенных температур – 65…70 °С, тогда как на полных нагрузках температура поддерживается в пределах 35…40 °С.

Температура масла на малых нагрузках также поддерживается на более высоком уровне.

Для повышения эффективности и надежности при пуске, работе на холостом ходу и работе при малых нагрузках устанавливаются подогреватели или используется охлаждающая вода работающих вспомогательных двигателей.

Продолжительность работы на холостом ходу не должна превышать времени, указанном в инструкции по эксплуатации, а при отсутствии таких указаний время работы на холостом ходу должно быть не более 30 минут [7].

Введение новых конструктивных изменений (система отключения цилиндров на малых оборотах, электронные аккумуляторные системы управления топливоподачей) позволяет обеспечить устойчивую работу двигателей на малых оборотах.

Отключение половины цилиндров на двигателях К90МС, введенное фирмой Mitsui при работе на малых оборотах, позволило за счет увеличения цикловой подачи работающих цилиндров снизить минимально устойчивую работу до 13 мин^-1 при номинальной частоте вращения 104 мин^-1. [27].

Поскольку режим работы двигателя на малых нагрузках является неблагоприят­ным, то его, по возможности, следует избегать. Например, в зави­симости от конструктивного исполнения установки (два ГД) и условий плавания целесообразно оставлять в работе один двигатель, а оптимальная нагрузка дизельгенераторов судовой электростан­ции регулируется количеством включенных ВДГ.