книги из ГПНТБ / Колоколов А.А. Двигатели внутреннего сгорания изотермического подвижного состава учебник

При движении плунжера под действием пружины 12 вниз в про­ странстве 7 образуется разрежение. При подходе плунжера к нижнему положению пространство 7 насоса снова заполняется топливом, посту­ пающим из коллектора через отверстие 8.

В некоторых насосах сообщающая канавка 3 выполнена в виде осе­ вого а и радиального b каналов.

Иногда винтовой делается и верхняя (торцовая) кромка плунжера. В этом случае с поворотом плунжера изменяется момент начала подачи топлива.

В отдельных конструкциях плунжер выполнен полым с всасываю­ щим клапаном на верхнем конце (см. описание конструкции дизеля 4ДВ-224 во I I разделе книги).

Помимо плунжерно-золотниковых насосов, применяются топлив­ ные насосы с перепускными или отсечными клапанами, переменным ходом плунжера за счет косого кулака, дросселированием топлива на всасывании и т. п. Однако эти насосы имеют весьма ограниченное при­ менение в современных дизелях.

с калиброванными отверстиями, расположенную на конце нагнетатель­ ного топливопровода насоса. В такой форсунке нет игольчатого кла­ пана, подобного показанному на рис. 45.

Недостатком открытых форсунок является подтекание топлива и вызываемое этим нагарообразование. Объясняется это тем, что в конце подачи топлива после закрытия нагнетательного клапана насоса из сопловых отверстий продолжает вытекать некоторое количество топ­ лива вследствие упругого сжатия трубки, находившейся ранее под высоким внутренним давлением, а также вследствие нагревания имеющегося в ней топлива. Применяются эти форсунки сравнительно редко, за исключением случаев, когда емкость топливопровода между насосом и форсункой очень мала, например если топливный насос и форсунка объединены в одну конструкцию (насос-форсунка).

80

Наибольшее применение в бескомпрессорных дизелях имеет закры­ тая форсунка, схема которой была приведена на рис. 45. Закрытые форсунки бывают многодырчатые с числом распыливающих отверстий от четырех до девяти и более.

Форсунки с однодырчатыми распылителями применяются в боль­ шинстве двигателей с разделенными камерами сгорания (предкамерные и вихрекамерные двигатели) при невысоких давлениях рф. Одно-, дырчатые распылители имеют сравнительно большие диаметры от­ верстий, поэтому они в меньшей степени подвержены засорению и нагарообразованию, чем многодырчатые.

Вштифтовом распылителе игла, кроме конусной части, выполняю­ щей функции клапана, имеет на своем нижнем конце штифт в форме обратного конуса 4 (рис. 46, а). При подъеме иглы топливо распыливается через узкую кольцевую щель 2, образованную стенками отвер­ стия и штифтом, имеющим меньший диаметр, чем отверстие.

Вбесштифтовых распылителях конец иглы может быть конусным 3 (рис. 46, б) или плоским 4 (рис. 46, в).

§33. Скоростные характеристики двигателя

ипринцип действия регуляторов

Если допустить, что орган, регулирующий подачу топлива в ци­ линдры, не меняет своего положения с изменением числа оборотов вала двигателя (неизменный активный ход h плунжера), то теорети­ чески при этом будет обеспечено постоянство среднего эффективного давления р е и крутящего момента Ме. Мощность же двигателя будет изменяться прямо пропорционально числу оборотов вала.

В действительных условиях при неизменном положении органа, регулирующего подачу топлива, среднее эффективное давление, а сле­ довательно, и крутящий момент не будут оставаться постоянными, так как с изменением числа оборотов вала двигателя будут меняться условия смесеобразования, наполнения цилиндра воздухом, коэф­ фициент подачи топливных насосов, потери на трение и другие факторы.

Зависимости ре, Ме, Ne от числа оборотов вала при неизменном по­ ложении органа, регулирующего подачу топлива или горючей смеси, называются скоростными характеристиками данного двигателя.

Скоростные характеристики двигателя, получаемые путем лабора­ торных испытаний, выражаются обычно соответствующими графиками.

Скоростная характеристика двигателя, относящаяся к установке регулирующего органа на максимально возможную подачу топлива, называется внешней.

Несмотря на неизменное положение органа, регулирующего подачу топлива (рейка топливных насосов в дизеле или дроссель карбюратора в карбюраторных двигателях), по мере роста частоты вращения вала среднее эффективное давление, а следовательно, и крутящий момент сначала возрастают и при некотором числе оборотов, наиболее благо­ приятном для данного двигателя, достигают максимума. При дальней­ шем увеличении частоты вращения вала ре и Ме начинают падать.

81

Наибольшая мощность двигателя достигается при числе оборотов вала, значительно большем, чем число оборотов, при котором крутя­ щий момент имеет максимальное значение. На рис. 47, а показан при­ мерный вид скоростных характеристик двигателя при различных ак­ тивных ходах/гг а а х , hlt h2, h0 плунжера топливного насоса. Верх­ няя кривая SC является внешней характеристикой. Характеристика hn = 0 показывает затрату мощности на вращение вала двигателя от постороннего источника при нулевом активном ходе плунжера топлив­ ного насоса.

Одним из основных требований, предъявляемых к двигателю, является сохранение им заданного скоростного режима при всех из­ менениях нагрузки в пределах от холостого хода до максимальной. Регуляторы, автоматически поддерживающие единственный для дан­ ного двигателя скоростной режим при всех нагрузках, называются о д н о р е ж и м н ы м и .

Схема простейшего однорежимного регулятора прямого действия показана на рис. 47, б. Валик 1 регулятора приводится во вращение от вала двигателя при помощи шестеренной передачи. Вместе с валиком вращается корпус 3 регулятора, внутри которого, помещены грузы 5, подвешенные на осях 2. Пружина 9, нажимающая на муфту 7, противо­ действует центробежной силе, развиваемой грузами. При частоте вра­ щения вала меньше пх (см. также рис. 47, а) центробежная сила грузов оказывается недостаточной для преодоления усилия пружины и поло­ жение грузов фиксируется упорами 6. В этом случае тяга 8, связанная с рейкой топливных насосов, находится в положении, соответствующем наибольшему активному ходу плунжеров топливных насосов. Таким образом, в интервале частоты вращения от 0 до п1 двигатель будет работать по внешней характеристике SA.

Рис. 47. Скоростные характеристики дизеля (а) и схема регулятора (б)

82

Когда частота вращения вала достигнет пъ грузы начнут расходить­ ся, перемещая муфту регулятора вверх, вследствие чего тяга 8 будет перемещаться в направлении уменьшения активного хода плунжера топливного насоса. Каждой частоте будет соответствовать определен­ ное промежуточное положение грузов, а следовательно, и соответст­ вующая величина активного хода плунжера h. Когда частота возрастет до пх, грузы разойдутся до упора 4 и тяга 8 займет крайнее (левое по рисунку) положение, соответствующее нулевому активному ходу плунжера.

Таким образом, для каждого регулятора в зависимости от его кине­ матической схемы и конструкции может быть построен график KLMP изменения активного хода плунжера топливного насоса, устанавли­

Регуляторная характеристика показывает зависимость мощности, развиваемой двигателем, от частоты вращения вала под воздействием регулятора или, наоборот, зависимость частоты вращения, устанавли­ ваемой регулятором, от мощности нагрузки.

При работе двигателя по регуляторной характеристике наиболь­ шее число оборотов п2 будет наблюдаться при холостом ходе (точка Т), а наименьшее пг — при максимальной мощности.

Винт 10 (синхронизатор) с ручным или дистанционным управ­ лением предназначен для подрегулировки частоты вращения вала двигателя. При ввертывании винта противодействующее усилие пру­ жины на грузы возрастает, вследствие чего будет увеличиваться частота вращения, при которой грузы начнут расходиться. В этом случае график LM переместится в положение L'M', что в свою очередь вызо­ вет перемещение регуляторной характеристики в положение CD. Следствием этого будет возрастание частоты вращения вала при задан­ ной нагрузке или увеличение мощности при неизменной частоте.

Рассмотрим частный случай. Положим, что при заданном положении синхро­ низатора двигатель работает по регуляторной характеристике АВ и мощность его нагрузки Ne. В этом случае точка R' определяет число оборотов п' вала двига­ теля. При возрастании мощности нагрузки до Ne точка R' переместится в поло­ жение R", и число оборотов понизится до п". Синхронизатор позволяет восстано­ вить прежнее число оборотов я' при возросшей нагрузке. Для этого необходимо увеличить усилие пружины на муфту регулятора, переместив тем самым регуляторную характеристику в положение EF. Тогда при возросшей мощности до Ne двигатель будет продолжать работать с прежним числом оборотов п'.

83

Следует указать, что в ряде двигателей действие синхронизатора конструктивно достигается не изменением натяга регуляторной пру­ жины, а перемещением точек опоры промежуточных звеньев, передаю­ щих движение от муфты регулятора к рейке топливных насосов.

Если двигатель приводит в действие генератор переменного тока, то регуляторная характеристика может быть построена в координа­ тах р\ /, где р — степень нагрузки двигателя, т. е. отношение его фак­ тической мощности в данный момент к максимальной, a f — частота тока.

У многих двигателей средней мощности и у большинства двигате­ лей большой мощности применяются н е п р я м о д е й с т в у го-

щи е р е г у л я т о р ы .

Вэтом случае регулятор осуществляет только командные функции датчика, реагирующего на изменение частоты вращения вала двигате­ ля. Исполнительные же силовые функции по перестановке органов,

изменяющих подачу топлива, выполняет вспомогательное устройст­ во — сервомотор.

В рассмотренных системах регулирования каждой нагрузке со­ ответствует определенное число оборотов вала двигателя и степень неравномерности регулирования б > 0. В ряде случаев при автоном­ ной работе двигателя система регулирования должна удовлетворять условию б = 0, т. е. при всех нагрузках регулятор должен поддержи­ вать заданное и строго неизменное число оборотов вала двигателя. Регуляторы, отвечающие этому требованию, называются и з о д - р о м н ы м и.

Изодромное регулирование достигается с помощью дополнитель­ ного устройства — изодрома, благодаря которому при изменении нагрузки автоматически восстанавливается заданное число оборотов.

В случаях, когда двигателю приходится длительно работать без нагрузки, применяются регуляторы, позволяющие в зависимости от потребности устанавливать два скоростных режима: минимальных оборотов холостого хода и номинальных рабочих оборотов вала дви­ гателя. Такие регуляторы называются д в у х р е ж и м н ы м и .

Регуляторы, позволяющие задавать двигателю несколько заранее обусловленных скоростных режимов, называются м н о г о р е ж и м ­

ны м и .

Вдвигателях тракторного типа с учетом их небольшой мощности

ипеременной скорости движения трактора применяются прямодействующие в с е р е ж и м н ы е регуляторы, допускающие плавный пе­

ревод двигателя с одного скоростного режима на другой.

§ 34. Параллельная работа двигателей

Если несколько двигателей работают так, что каждый из них имеет самостоятельную нагрузку, то мощность и число оборотов отдельного

84

Иногда оказывается целесообразным, чтобы силовые агрегаты сов­ местно обслуживали общую, объединенную нагрузку.В этом случае режимы работы двигателей оказываются взаимозависимыми и не могут изменяться произвольно. Такая работа называется п а р а л ­ л е л ь н о й .

Если двигатели приводят в действие генераторы переменного тока, включенные на общие шины, то угловая скорость вращения их роторов должна обеспечивать совпадение фаз. Это оказывается возможным толь­ ко тогда, когда двигатели имеют строго определенное число оборотов, зависящее от числа пар полюсов генераторов. При стандартной частоте тока / = 50гц и двух парах полюсов генератора частота вращения

была одинаковой, но она должна обеспечивать синхронность фаз тока и не может изменяться у отдельных двигателей произвольно.

Синхронная частота тока у всех параллельно работающих генера­ торов поддерживается их синхронизирующими моментами. Если синх­ ронизирующий момент какого-либо генератора превысит установлен­ ную величину, то срабатывает защита и генератор отключается от шин. В таком случае общая нагрузка автоматически переключается на ос­ тальные параллельно работающие двигатели, что в большинстве слу­ чаев вызывает значительную их перегрузку, выход из регуляторной характеристики и остановку.

Рассмотрим несколько подробнее условия параллельной работы двух двигателей, имеющих в общем случае различные мощности и регуляторные характеристики. Для этого обозначим:

Nu и N'H — номинальная мощность соответственно первого и вто­ рого двигателей;

iVe' и N'e — фактическая мощность в данный момент первого и вто­

Отношение номинальной мощности первого двигателя к номи-

85

Общая мощность, развиваемая параллельно работающими двига­ телями в данный момент, будет N'e -{- N'e = fi'NH + P'W„. Поделив обе части равенства на максимальную мощность системы, получим степень нагрузки системы

частоты по регуляторной характеристике того и другого двигателя мож­ но определить значения р' и р " , что дает возможность построить график зависимости степени нагрузки р системы от частоты тока /.

Поясним сказанное примером. Положим, имеется два двигателя мощностью NH = 100 л. с. и TVh = 60 л. с. Тогда доля мощности каждого из двигателей в системе составит:

Положим далее, что регуляторные характеристики, построенные в системе коор­

86

первый двигатель будет иметь привод от второго двигателя, степень

Сопоставляя регуляторные характеристики р', Р" и р, также можно увидеть, что при больших значениях общей нагрузки (например, в точке D, р 3 = 93%) первый двигатель выйдет из регуляторной ха­ рактеристики (точка Е, f3 = 48 гц). Вследствие этого работа его станет неустойчивой (степень нагрузки Рз) и он отключится от системы. Тогда вся общая нагрузка переключится на второй двигатель, что вызовет его вынужденную остановку.

Из сказанного можно сделать вывод, что при параллельной работе двигатель, имеющий более пологую регуляторную характеристику, будет в меньшей степени реагировать на изменение общей нагрузки, чем двигатель с крутой характеристикой.

Переключение нагрузки с одного двигателя на другой при парал­ лельной работе производится с помощью синхронизаторов. Например, если при общей нагрузке (35 = р\ = 80% уменьшить натяг регулятор­ ной пружины у второго двигателя (в некоторых конструкциях —

включению двигателя возбуждается его генератор и частота тока дово­ дится до частоты тока работающих генераторов путем воздействия на синхронизатор включаемого двигателя при холостом ходе. После сов­ падения фаз включаемого и работающих генераторов производится включение генератора на общие шины методом, принятым для данного типа электрооборудования.

После подключения на параллельную работу двигатель будет продолжать работать еще без нагрузки. Затем путем медленного воздействия на синхронизатор в направлении повышения частоты вращения вала двигатель будет воспринимать нагрузку, частично разгружая другие двигатели.

В дальнейшем доведение частоты тока до требуемой и передача нагрузки с одного двигателя на другой производятся с помощью синхронизаторов, как было указано выше.

87

Г л а в а V I

КАРБЮРАТОРНЫЕ И ГАЗОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

§ 35. Система питания карбюраторного двигателя

Топливом для карбюраторных двигателей служат различные сорта бензина, обладающие малой вязкостью даже при низких температурах. Поэтому для очистки топлива от твердых примесей и воды в карбюра­ торных двигателях в отличие от дизелей чаще всего ограничиваются применением простейших отстойников и мелких латунных сеток, имею­ щих небольшое сопротивление и не требующих создания значительного напора в системе топливоподачи.

На рис. 49 показана общая схема системы питания карбюраторного двигателя. Топливо из бака 1 подается подкачивающим насосом 5 в карбюратор 7. По пути из бака к насосу топливо проходит комбини­ рованный фильтр-отстойник 3. Воздух, необходимый для образования горючей смеси, всасывается через воздухоочиститель 6.

В карбюраторе воздух смешивается с мелко распыленным топливом, которое здесь же частично испаряется. Из карбюратора смесь про­ ходит по впускному коллектору 9, где происходит дальнейшее испаре­ ние топлива, заканчивающееся уже в цилиндре двигателя в процессе сжатия. Количество воздуха, проходящего через карбюратор в еди­ ницу времени, а следовательно, и количество горючей смеси регули­ руются заслонкой 8 (дросселем) в зависимости от требуемой мощности.

В цилиндре горючая смесь смешивается с остаточными газами, образуя так называемую рабочую смесь.

Если впускной коллектор холодный, то частицы топлива, содер­ жащиеся в горючей смеси, испаряются не полностью и оседают на стенках трубопровода. Чтобы устранить это нежелательное явление, впускной коллектор карбюраторных двигателей обогревают. Для этой цели выпускной коллектор 10 располагают так, чтобы его стенки

4-е

Рис. 49. Схема системы питания карбюраторного двигателя

88

непосредственно примыкали к стенкам впускного коллектора. В не­ которых случаях часть выхлопных газов пропускается через рубашку, обогревающую впускной коллектор. При чрезмерном подогреве горю­ чей смеси снижается мощность двигателя из-за уменьшения весового заряда цилиндров.

Из выпускного коллектора выхлопные газы выходят в атмосферу через трубу 4 и глушитель 2.

Подкачивающие топливные насосы диафрагменного типа карбюра­

§ 36. Образование горючей смеси в карбюраторе

На рис. 50 показана схема, поясняющая принцип образования го­ рючей смеси в карбюраторе. Топливо от подкачивающего насоса по трубке 6 поступает в поплавковую камеру 4 карбюратора. Пусто­

вращается самопроизвольное вытекание топлива через распылитель.

Для поддержания равенства давлений в поплавковой камере и пространстве т предусмотрена уравновешивающая трубка 7. В ка­ нале, по которому топливо поступает из поплавковой камеры в рас­ пылитель, помещен жиклер / в виде латунной пробки с калиброванным отверстием, предназначенным для дозировки топлива, иду­ щего на образование смеси.

89