Литература по Механике и для Механиков / Для 3-го курса / Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (2)

На рис. 3.2а стрелками и пунктирными линиями показаны на­ правления перемещения и положения рычагов механизма управления отсечкой - 7 и управления началом подачи - 8 при повышении нагруз­ ки дизеля (4 - регулятор частоты вращения; 6 - кулачковая шайба).

Характер изменения статических фаз топливоподачи (р ф при действии механизма VIT в ТНВД двигателя «Зульцер» 6RTA-58 пока­ зан на рис. 3.3 сплошными линиями. В случае необходимости меха­ низм может быть отключен путем замены профилированной кулисы на кулису с дугообразным вырезом. В этом случае ТНВД будет иметь регулирование g концом подачи (см. штрихпунктирные линии фнпн, (ркпн на рис. 3.3).

Механизм VIT снабжен специальной рукояткой 5 (рис. 3.2а), по­ зволяющей при необходимости смещать активную фазу подачи топли­ ва фав ту или иную сторону относительно ВМТ.

Благодаря такому регулированию угла опережения подачи топли­ ва, при повышении нагрузки дизеля до 85% максимальное давление цикла р_ постепенно повышается до номинального, а в диапазоне на­ грузок от 85% до 100% оно поддерживается практически неизменным, равным номинальному значению (см. рис. 3.4а, сплошная линия).

(р, фтт

Рис. 3.3. Характеристики регулирования ТА двигателя «Зульцер» 6RTA-58 при работе на ВРШ (и = const)

а)

A g e , Г/(КВТЧ)

Относительное изменение удельного эффективного расхода топ­ лива по сравнению с номинальным значением приведено на рис. 3.46 (сплошная линия). Штриховыми линиями на рисунках показано изме­ нение параметров при отключенном механизме VIT.

Регулирование угла опережения подачи топлива в указанном диапа­ зоне мощностей и обусловленное этим постоянство максимального дав­ ления позволяют понизить удельный эффективный расход топлива на 1,5-2,0 г/кВтч за счет повышения индикаторного КПД на долевых мощ­ ностях. Последнее обусловлено возрастанием степени повышения дав­ ления в цикле Я = p jp вследствие сохранения p z и снижения р с при уменьшении мощности.

Оптимизация фаз топливоподачи для снижения расхода топлива в золотниковых ТНВД двигателей «МАН» была реализована гораздо проще - путем профилирования регулирующих кромок на плунжере (см. рис. 3.5).

Профиль ABC верхней регулировочной кромки плунжера обес­ печивает изменение (ртн при изменении мощности двигателя анало­ гично рассмотренному действию VIT двигателей «Зульцер». В облас­ ти высоких нагрузок в связи со смещением (рнт в сторону запаздыва­ ния нижняя регулирующая кромка имеет профиль DE, обеспечиваю­ щий при повышении нагрузки увеличенный сдвиг (ркпнв сторону запаз­ дывания для обеспечения необходимой фазы активной подачи топ­

Наиболее сложное конструктивное решение реализации механиз­ ма VIT внедрено на всех малооборотных дизелях «MAH-Бурмейстер и Вайн» серии L-MC, оборудованных двухреечными золотниковыми ТНВД (кроме малоразмерных моделей с диаметром цилиндра 35 и 42 см, имеющих простые золотниковые ТНВД с реализацией VIT в виде сту­ пенчатых кромок, как и в дизелях «МАН»). Принцип действия и конст­ рукция двухреечных ТНВД рассмотрены в 12-й главе I тома учебника.

Система управления рейками, реализующая программу VIT, при­ ведена на рис. 3.6.

Напомним, что в ТНВД дизелей L-MC цикловая подача урегули ­ руется следующим образом: зубчатая рейка 6 через поворотную втул­ ку 5 сообщает плунжеру 2 угловые перемещения. Угол опережения подачи <р изменяется при изменении нагрузки двигателя за счет ак­ сиального смещения втулки 1 плунжера, сопряженной резьбовым со­ единением с поворотной втулкой 3. Втулка своим наружным зубчатым венцом входит в зацепление с рейкой 4, находящейся под действием системы управления VIT.

В эту систему входят три главных элемента: вал 10, связанный с регулятором частоты вращения, клапан управления 14 (датчик поло­ жения рейки 4 VIT) и исполнительный сервопневмоцилиндр 17, пере­ мещающий рейку VIT. Рабочий воздух поступает в клапан 14 по тру-

64 Судовые двигатели внутреннего сгорания

бопроводу 15 и под заданным давлением подается в линию 16 к серво­ мотору 17.

В качестве входного параметра регулирования в системе VIT ис­ пользуется положение вала 10 регулятора частоты вращения.

Через рычаг 9 вал 10 непосредственно воздействует на реечный механизм 6-5 изменения цикловой подачи топлива, а через шарнир­ ные тяги 11, 13 - на шток 12 клапана управления 14.

Таким образом, активный ход плунжера haи угол опережения (ршш взаимосвязаны и подчиняются программе, заложенной в регулятор скорости. Для индивидуального подрегулирования параметров <рнт и

hимеются талрепы 7 и 8 на тягах к рейкам 4 и 6.

Вотличие от механизмов в рассмотренных выше клапанных ТНВД двигателей «Зульцер» и золотниковых «МАН» здесь имеется возмож­ ность изменять программу реализации VIT за счет изменения настро­ ек системы пневматического управления.

§3.1.2. Динамика и характеристики

процесса впрыска

Реальные моменты начала и конца подачи топлива в цилиндр су­ щественно отличаются от статических фаз топливоподачи. Качествен­ ное представление о процессе впрыскивания и его параметрах дают кривые давления топлива в рабочей полости насоса —р ни топливопод­ водящем канале форсунки - р ф, снятые электронными приборами кон­ троля совместно с перемещением иглы форсунки h и отметкой ВМТ поршня (рис. 3.7а).

До начала подачи насосом его рабочая полость заполнена топ­ ливом под давлением р под, создаваемым подкачивающим насосом (7-10 бар).

Начало активного хода плунжера и сжатия топлива в насосе фик­ сируется по моменту резкого подъема давления р нв точке НПН. Отре­ зок между точками НПН и верхней мертвой точкой (ВМТ) поршня оп­ ределяет угол опережения подачи по насосу (<Рнпн)-

Нагнетательный клапан, установленный в ТНВД, открывается только в точке а, когда давление р нвозрастает до остаточного давления р , которое сохраняется в линии нагнетания между смежными впрыс­ ками. В этот период система нагнетания перекрывается с одной сторо­ ны иглой форсунки, с другой - нагнетательным клапаном ТНВД.

После точки а сжатие топлива происходит во всей линии нагнета­ ния. Импульс р нв виде нарастающей волны давления движется по тру-

66 Судовые двигатели внутреннего сгорания

Как отмечалось ранее, в эксплуатации топливную аппаратуру на­ страивают по статическим (геометрическим) фазам подачи ТНВД. Для обеспечения требуемых действительных (динамических) фаз топливо­ подачи —(ркпф, <Рнпф, (Рвпр необходимо учитывать их сдвиг относительно статических фаз в сторону запаздывания.

Процесс топливоподачи условно разбивают на три фазы (см. рис. 3.3 и рис. 3.7а, б).

/ —задержка впрыскивания (от момента НПН до момента НПФ)

обусловлена в основном временем прохождения импульса давления от насоса до форсунки, сжимаемостью топлива и упругой деформацией трубопровода высокого давления. Величина этой фазы зависит от дли­ ны трубопровода ВД, объема топлива в нем и частоты вращения колен­ чатого вала двигателя. С увеличением упомянутых параметров угло­ вая продолжительность первой фазы возрастает, и наоборот. Для судо­ вых средне- и малооборотных дизелей ее продолжительность состав­ ляет 2 20° п.к.в.

II —фаза активного впрыскивания (от момента НПФ до момента

КПН). В течение этой фазы в цилиндр впрыскивается основная часть цикловой подачи топлива. Продолжительность второй фазы зависит от нагрузки двигателя (см. рис. 3.8).

Момент НПФ определяется по началу подъема иглы форсунки при достижении давления р . Последующее незначительное, но легко распознаваемое, снижение давленияр фобусловлено увеличением объе­ ма нагнетательной системы при подъеме иглы форсунки.

От момента НПФ до окончания второй фазы при работе двигателя в диапазоне эксплуатационных мощностей (более 70% от номиналь­ ной мощности) р фвозрастает. Характер изменения давления в значи­ тельной мере определяется скоростью движения плунжера ТНВД, ко­ торый, в свою очередь, в системах с механическим приводом опреде­ ляется профилем кулачной шайбы.

III - свободное истечение топлива (от момента КПН до момента

КПФ). После прекращения подачи насосом впрыскивание продолжа­ ется за счет энергии сжатого топлива и упругой деформации нагнета­ тельного трубопровода. Продолжительность третьей фазы (для судо­ вых дизелей 2 + 8° п.к.в.) зависит от объема нагнетательной системы, наличия нагнетательного клапана в ТНВД, затяга пружины и других конструктивных факторов. Наличие третьей фазы является негатив­ ным фактором, так как падающее р фприводит к ухудшению распыливания и сгорания топлива. Кроме того, топливо, вытекая из сопла, час­ тично оседает на его наконечнике, вызывая сильные нагары.

После завершения впрыска возникают затухающие колебания дав­ ления в нагнетательной системе под действием волны давления, воз­ никшей от удара массы топлива о севшую на место иглу форсунки (КПФ) или обратного потока топлива о севший нагнетательный кла­ пан ТНВД (КПН).

Регулировочные параметры топливной аппаратуры определя­ ют фазы регулирования: начало, конец и продолжительность подачи топлива насосом (<Рнпн, (ркпн, <Ра —статические параметры регулирова­ ния) и форсункой ((рнпф, (рюф, <Рвпр - динамические параметры регулиро­ вания). Эти параметры характеризуют топливоподачу с качественной стороны, показывают, как располагаются фазы впрыска относительно ВМТ поршня, что определяет экономические и динамические показа­ тели рабочего цикла. Взаимное расположение статических и динами­ ческих фаз регулирования на примере малооборотного дизеля «Зуль­ цер» показано на рис. 3.3. Как видно из рисунка, динамические фазы существенно сдвинуты по отношению к статическим фазам в сторону вращения коленчатого вала.

Рабочие параметры процесса впры скивания прямо или кос­ венно характеризуют топливоподачу с количественной стороны, т.е. оценивают цикловую порции топлива, подаваемую насосом g или форсункой g

где d' - диаметр плунжера, см; сТ- плотность топлива, г/см3. Пренеб­ регая незначительны изменением плотности топлива вследствие его малой сжимаемости, можно утверждать, что отмеренная насосом пор­ ция топлива является статическим параметром и определяется только продолжительностью активного хода h плунжера.

Цикловая подача форсункой выражается уравнением:

ё ц = 8 ЦЛ = ^ Ч 2, с А т\„. (3.2)

В уравнение (3.2) входит параметр r\n = g jg щ, отражающий количест­ венное несоответствие цикловых подач и именуемый коэффициентом подачи топливной аппаратуры. На его величину влияют: конструкция плунжерной пары, наличие и место расположения нагнетательного клапа­ на, принцип регулирования ТНВД, динамические процессы со стороны наполнения и нагнетания насоса. В топливной аппаратуре дизелей различ­ ных конструкций коэффициент подачи может иметь значения от 0,6 до 1,3.

5*

Если объединить в уравнении (3.2) все постоянные параметры константой к, то действительная цикловая подача топлива может быть представлена как g = khr)n. Это означает, что ее величина зависит не только от ha, но и от перечисленных выше факторов, влияющих на г) .

При изменении скоростного режима дизеля изменяются гидроди­ намические условия в насосе и нагнетательной системе, вследствие чего изменяется г]п. Зависимость g =А п)т=шет ПРИНЯТ0 называть ско­ ростной характеристикой топливной аппаратуры. Скоростные харак­ теристики снимаются на специальных стендах при фиксированном по­ ложении УН (ha) и переменной частоте вращения двигателя. Они опре­ деляют изменение крутящего момента при увеличении нагрузки - тя­ говые свойства двигателя.

При наличии кривойр ф =f{(p) можно по известной формуле исте­ чения рассчитать текущую массу топлива, подаваемую в цилиндр, в функции угла поворота коленчатого вала

где 1ЛфЕ/с - эффективное сечение распылителя форсунки, мм2; ут, Рт- удельный вес, Н/м2 и плотность, г/м3 топлива.

Эту зависимость принято называть дифференциальной харак­ теристикой впрыскивания или дифференциальным законом подачи топлива.

Интегральный закон подачи топлива g =f t (р) получаем решением дифференциального уравнения (3.3). Очевидно, что в точке НПФ g. = О,

влияние на его сгорание и тем самым в значительной мере определяет показатели рабочего цикла.

Таким образом, цикловая подача форсункой непосредственно свя­ зана с давлением впрыскивания р = р фтах, которое является динами­ ческим параметром процесса впрыскивания и зависит не только от нагрузки, но и от скоростного режима двигателя, износа сопловых от­ верстий распылителя, плотности прецизионных пар насоса и форсун­ ки, уровня остаточного давления и т.д.

В дизелях с механическим приводом ТНВД р существенно из­ меняется при изменении режима работы. Зависимость параметров впрыскивания для различных мощностей малооборотного дизеля при­ ведена на рис. 3.8. На всех режимах давление открытия иглы форсунки составляет около 450 бар, давление закрытия также остается постоян-

Угол поворота коленчатого вала, град

Рис. 3.8. Динамика процессов со стороны нагнетания ТНВД в судовом малооборотном дизеле «МАН-Бурмейстер и Вайн» 6S50MC-C при работе на режимах винтовой характеристики

ным и равно 300 бар. Эти параметры обусловлены силой затяга пружи­ ны форсунки.

Импульс давления р фимеет два максимума. Первый из них соот­ ветствует моменту НПФ, второй - давлению впрыскивания. Однако такая форма импульса имеет место для диапазона мощностей двигате­ ля от 75 до 110% от номинала. При меньших мощностях характерная точка абсолютного максимумар фперестает быть таковой. Как видно из рис. 3.8, на долевых режимах с Ne = 25-50% максимальным давлением впрыскивания становится р .

Таким образом, на долевых режимах работы закон подачи топли­ ва из «прогрессивного» (с возрастанием р фв процессе впрыска) стано­ вится «регрессивным» (снижениер отр офдор ). Как уже отмечалось ранее, последнее является негативным фактором, так как приводит к ухудшению распыливания топлива, образованию нагаров на распыли­ теле и дымному выпуску. В значительной мере это определяет сравни­ тельно высокую минимально устойчивую частоту вращения коленча­ того вала, ухудшая маневренные качества судна при прямой передаче мощности от главного двигателя на винт фиксированного шага.

Особенности топливоподачи в дизелях электронным управле­ нием (см. главу 14, I том).