1.2 Будова та робота паливної системи дизельного двигуна

В швидкохідних дизельних двигунах процес горіння палива проходить на протязі короткого проміжку часу. Внаслідок цього повне і своєчасне горіння палива і повне використання повітря, яке знаходиться всередині циліндра двигуна можуть бути досягнуті тільки при виконанні наступних вимог:

- паливо повинно поступати в камеру згоряння мілко розпиленим, з розміром крапель від 5 до 50 мкм;

- форма, напрямок та глибина проникнення факелу розпиленого палива повинна співпадати з формою і розмірами камери згоряння та з направленням потоку повітря, яке рухається в ній;

- момент початку подачі палива та тривалість подачі повинні забезпечити підготовку палива до горіння та протікання процесу горіння коло в.м.т. поршня;

- в початковий період подачі палива повинна проходити з низькою швидкістю, щоб на протязі періоду затримки самозапалення в камеру згоряння потрапила невелика кількість палива. Це необхідно для отримання малої швидкості наростання тиску;

- в наступний, основний період подача палива повинна проходити з високою швидкістю, яка забезпечує поступлення всього необхідного для отримання необхідної потужності двигуна заряду палива при обертанні колінчатого валу двигуна на кут 10-20⁰;

- закінчення подачі палива (відсічка) повинна бути різкою, так як розтягування заключного періоду подачі палива приводить до догоряння палива на лінії розширення та до коксування соплових отворів форсунки;

- в кожен циліндр повинно подаватися однакова кількість палива в послідовності, яка відповідає порядку їх роботи [8,9,10].

Особливості роботи автотракторних дизелів викликає необхідність забезпечення ряду додаткових вимог:

• подача палива на кожний робочий цикл повинна змінюватися в залежності від навантаження на двигун;

• для здійснення економічного робочого циклу (з згорянням палива поблизу в.м.т.) при роботі двигуна в широкому діапазоні частоти обертання колінчатого валу двигуна необхідно введення пристосування, яке автоматично змінює момент початку подачі палива;

• при пуску двигуна повинно подаватися збільшена кількість повітря, так як його значна частина, потрапляючи на холодні стінки камери згоряння, не буде запалюватися та згоряти;

• перед входом в паливний насос паливо повинно бути профільтрованим, для того, щоб сторонні частки, які містяться в ньому, не приводили до спрацювання плунжерних пар та розпилювачів форсунок.

Система живлення паливом дизельного двигуна складається з наступних елементів: паливного бака, який містить кількість палива, яка достатня для заданої тривалості роботи трактора без дозаправки; комплекту фільтруючих елементів та відстійників, які забезпечують ефективне очищення палива від сторонніх частинок та води; паливно підкачувального насосу низького тиску, який забезпечує подачу палива з баку крізь систему фільтрів до насосу високого тиску; насосу високого тиску, який нагнітає паливо в форсунки дизельного двигуна; форсунок, які розпилюють і подають розпилене паливо в камеру згоряння; трубопроводів низького та високого тиску.

В деяких випадках замість окремого насосу високого тиску та форсунок застосовують насос-форсунки. Останні часто використовують для викооборотних двигунів, з метою усунення можливих завад заданої оптимальної характеристики подачі палива коливальними процесами, які можуть виникати в паливо проводах високого тиску.

Разом з системою подачі палива, в якій використовується паливний насос високого тиску, існують також акумуляторні системи з акумуляторами високого та низького тиску.

На дизельних двигунах використовуються два типи паливних систем. Найбільше розповсюдження отримала роздільна система, у якої секція насосу високого тиску та форсунка конструктивно виконані окремо та з’єднуються паливо проводом високого тиску. В другому типі паливної системи використовують насос-форсунки. У останніх секції насосу високого тиску і форсунки об’єднані в одному вузлі а паливопровод високого тиску відсутній. Паливна система будь якого типу має агрегати та вузли низького та високого тиску (рисунок 1.1). До агрегатів та вузлів низького тиску на приведеній схемі відносяться паливний бак 14, фільтри грубого 10 та тонкого очищення 9, паливо підкачувальний насос 12 та відповідні паливо проводи. Призначення цих агрегатів в зберіганні палива, його фільтрації та подачі під малим тиском до насосу високого тиску. Паливо підкачувальний насос подає більше палива ніж його поступає в циліндр двигуна. Надлишок палива зливається по паливо проводу 15 в бак, а на ряді двигунів поступає по паливо проводах 11 або 13 на вхід відповідно фільтру грубого очищення або паливно підкачувального насосу. Агрегати високого тиску це насос високого тиску 8, паливопровод високого тиску 7, та форсунку 6, та забезпечують дозування та впорскування палива в камеру згоряння дизельного двигуна.

Особливості протікання процесу подачі палива в дизельному двигуні. В секції паливного насосу високого тиску в результаті переміщення плунжера різко наростає тиск, який не може миттєво розповсюдитися на весь об’єм палива, який заключний в порожнинах паливо проводу високого тиску та форсунки, так як паливо це пружне середовище та імпульси в ньому рухаються зі швидкістю звуку. Початок наростання тиску в форсунці запізнюється в порівнянні з початком наростання тиску в штуцері насосу, тому затрачується деякий час на рух хвилі по паливо проводу високого тиску. В результаті під дією тиску в об’ємі корпусу розпилювача, що зростає, відкривається запірні пристрої форсунки та паливо впорскується крізь розпилюючи отвори. Але форсунка є певним опором на шляху руху хвилі, тому від неї виникає часткове відбиття енергії та виникає зворотня хвиля, яка рухається від насосу до форсунки.

Рисунок 1.1 – Схема паливної системи

Це приводить до того, що в перерізах паливо проводу одночасно можуть бути дві хвилі, які рухаються в різних направленнях. Зворотня хвиля, досягаючи насосу, частково відіб’ється та створить другу пряму хвилю, яка може бути достатня для повторного відкриття запірного пристрою форсунки. В результаті виникне під впорскування палива. Рух та відбиття хвиль тиску в лінії високого тиску поступово затухають та до початку наступного впорскування практично припиняються, з-за незворотних втрат енергії. Найбільші втрати виникають в результаті тертя потоку рідини об стінки паливо проводу. Таким чином, в паливоподаючих системах розділеного типу при подачі палива має місце хвильовий характер руху рідини в лінії нагнітання.

Рисунок 1.2 - Конструкція секції насосу високого тиску

Паливний насос високого тиску. Такий насос дозує паливо у відповідності з робочим режимом двигуна та подає паливо до форсунки, забезпечуючи отримання необхідної характеристики впорскування. При цьому одна секція паливного насосу може подавати паливо тільки в один циліндр двигуна. В цьому випадку кількість секцій відповідає кількості циліндрів. Якщо секції розміщуються в одному корпусі та такий паливний насос називається багато секційним. Другий тип насосу високого тиску – розподільний – односекційний або двох секційний, а також роторний. У цих насосів кожна секція подає паливо на кілька циліндрів двигуна (до шести).

Секція паливного насосу високого тиску (рисунок 1.2) складається з наступних вузлів та деталей: приводу плунжера (кулачок 1, штовхач 2 та пружина плунжера 3); плунжерної пари (плунжер 4 та втулка плунжера 5); нагнітального клапану (сідло клапану 6, клапан 7, пружина клапану 8, упор 9), штуцера 10, а також деталей, за допомогою яких плунжер повертається навколо вісі для регулювання циклової подачі (зубчатий сектор 12, рейка 13, поворотна втулка 14). Усі деталі змонтовані в корпусі насосу 11, який має канали а та б відповідно для підведення та відведення палива.

Паливні насоси високого тиску також розрізняються за методами дозування палива. На дизельних двигунах використовують як правило два способи зміни циклової подачі: відсічкою та дроселюванням на впуску.

Розглянемо принцип роботи секції паливного насосу з дозуванням відсічкою. На (рисунку 1.3) стрілками показано напрямок руху плунжера та палива у втулці при роботі секції такого насосу. При русі плунжера 3 у втулці 2 виникає:

1) витіснення палива (рисунок 1.3а) з об’єму V_Н у втулці насосу крізь наповнюючий отвір 1 в канал підведення палива, який розміщений в корпусі насосу;

2) нагнітання палива (рисунок 1.3б) плунжером при перекритому отворі 1 (після відкриття нагнітального клапану 5) в об’єм V_H^’ штуцеру насосу. При цьому різко наростає тиск у втулці плунжера та у штуцері насосу;

3) відсічка та перепуск палива (рисунок 1.3в) крізь отвори 6 та 7 у відсічний канал. При відсічці тиск знижується, а нагнітальний клапан під дією пружини та перепаду тиску сідає на сідло.

Рисунок 1.3 - Схема роботи паливного насосу високого тиску

Нагнітання може проходити одночасно з витісненням палива в канал для підведення палива або з перепуском.

У втулці об’єм заповнюється паливом при русі плунжера донизу спочатку крізь отвір 7, а потім крізь отвір 1 (рисунок 1.3г). таким чином плунжер нагнітає паливо та керує закриттям та відкриттям наповнюю чого та відсічного отворів у втулці, тобто виконує роль золотника, тому такі паливні насоси називають золотниковими.

Нагнітальний клапан, який встановлений між плунжерною парою та паливо проводом високого тиску, роз’єднує лінію нагнітання (об’єми нагнітального штуцера, паливо проводу, та форсунки з об’ємом у втулці. Він перешкоджає зворотньому перетіканню палива при зворотньому ходу плунжера та потраплянню повітря в лінію нагнітання. Клапан забезпечує отримання ідентичних умов в об’ємах штуцера, паливо проводу та форсунки перед початком кожного впорскування та має істотний вплив на величину залишкового тиску в цих об’ємах. За допомогою нагнітального клапану можливо корегувати швидкісні характеристики подачі палива.

Рисунок 1.4 - Конструкція нагнітальних клапанів паливних насосів високого тиску

В паливний апаратурі автотракторних двигунів застосовують нагнітальні клапани різних конструкцій. Нагнітальний клапан об’ємної дії (рисунок 1.4а) у верхній частині має грибок 4 та розвантажувальний пасок 3, в нижній – хвостовик 2 з чотирма канавками для проходу палива. На початку руху від сідла клапан займає частину об’єму штуцера, витісняючи паливо. Тиск в штуцері підвищується та паливо перетікає в паливо провід високого тиску. Паливо з об’єму V_H починає поступати в об’єм штуцера V_H^’після виходу паска 3 з каналу сідла 1. При відсіканні тиск у втулці р_Н зменшується та тиск у штуцері р_Н^’ стане більше р_Н, тому паливо буде перетікати назад в об’єм у втулці, а клапан – рухатися до сідла. По мірі опускання нагнітального клапану з моменту, коли циліндричний пасок 3 нижньою кромкою увійде в направляючий канал сідла 1, і до посадки на сідло в штуцері насосу вивільняється об’єм, який називається розвантажуючим. При цьому тиск в штуцері різко знижується та подача палива насосом закінчується. Збільшення розвантажую чого об’єму веде до ще більшого зниження тиску р_Н^’, та тим самим зменшенню залишкового тиску в порожнині штуцера, нагнітального паливо проводу та форсунки. В деяких випадках при великому об’ємі V_раз залишковий тиск знижується до тиску нижче атмосферного, що приводить до виділення розчиненого в паливі повітря та розриву сплошності в розглядаємих об’ємах лінії нагнітання. При цьому утворюються вільні об’єми, які заповнені парами та повітрям, яке виділилося з палива.

Клапан об’ємної дії (рисунок 1.4б) має центральний 5 та радіальний 6 отвори для проходу палива, для проходу не через нагнітальний пасок. Нагнітальні клапани такого типу називають корегуючи ми. Роль отворів може відігравати і зазор між поверхнями розвантажую чого паску та направляючого отвору сідла. Крім розглянутих використовують ще нагнітальні клапани подвійної дії (рисунок 1.4в). В процесі подачі під дією тиску р_Н клапан 10 піднімається з сідла 9, стискає пружину 11. Між торцем клапану та сідлом утворююється зазор, крізь який паливо проходить з об’єму V_H до об’єму V_H^’. Додатковий клапан 8 залишається притиснутим до торця клапана 10 пружиною 7. після відсікання та посадки клапана 10 на сідло 9 додатковий клапан 8 відкривається під дією тиску р_н^’, яке знижується в результаті зворотнього перетікання палива. Цей же ефект може мати місце і при підході до штуцеру хвилі тиску, яка відбилася від форсунки. Такі нагнітальні клапани застосовують в паливних насосах розподільного типу.