Kamkin_-_Expluatatsia_sudovykh_dizeley_-_1990

6 w 7 связаны единой системой управления с целью оптимизации характеристик топливоподачи (подробно сущность действия систе­ мы VIT дизелей L-MC см. в п. 2.8, рис. 2.16).

Рассмотрим действие и регулирование насоса. Поскольку начало подачи насосом определяется моментом перекрытия рабочих окон втулки, то полный ход плунжера будет состоять из перепуска до НПН (hперн)» активного хода ha и перепуска после КПН (hneрк). При перекрытии окон втулки впускной клапан 15 практически тотчас же садится на место (начало подачи). Впускной клапан управляется действием гидравлических усилий, возникающих между полостями наполнения и нагнетания ТНВД при опускании и подъеме плунжера (давление подкачивания в полости 2 состав­ ляет 1 МПа).

Конец подачи насосом определяется совпадением регулирующих кромок 4 плунжера с нижними кромками рабочих окон 13.

Для гашения кинетической энергии потока перепуска, обуслов­ ленной высоким давлением топлива в момент КПН, и предохране­ ния головки 3 плунжера от кавитационной эрозии предусматривают­ ся не только малый диаметр цилиндрической части окон 13у но и уменьшение объема полости 2. Кроме того, постановкой штуцеров 1 и 11 с малым проходным сечением задросселированы впускной и перепускной каналы. Вследствие этого после КПН в период пере­ пуска топлива резко повышается давление в полости 2, что умень­ шает перепад давлений на рабочих кромках плунжера и, как пока­ зывает опыт, способствует снижению его кавитационной эрозии.

В уравнении (2.3) составляющая h neрн является величиной пере­ менной, несмотря на то, что торец плунжера — плоский и, казалось бы, перекрывает рабочие окна втулки в один и тот же момент (см. рис. 2.4, а). Однако, как говорилось, момент НПН управляется ме­ ханизмом VIТ и зависит от нагрузки двигателя, поэтому регулиро­ вание цикловой подачи g nн в ТНВД дизелей серии L-MC осущест­ вляется смешанным способом.

Цикловая подача Яцн по всем цилиндрам в процессе изменения на­ грузки дизеля регулируется от общего вала, связанного с регуля­ тором частоты вращения. Рейка 7 каждого ТНВД соединена с ука­ занным валом рычажной передачей. Индивидуальное регул ирование £цн производится обычным способом— талрепом в тяге к рейкеТг

Нулевая подача достигается таким положением рейки 7 каждого ТНВД, когда прорези на головке 3 плунжера встают против рабо­ чих окон 13.

В заключение остановимся еще на одной особенности топливной аппаратуры дизелей серии L-MC — приводе и реверсе насоса.

Привод насоса (рис. 2.4, б), за исключением кулачковой шайбы 22, имеет принципиально новое устройство. В теле толкателя закреп­ лена ось 25, на концы которой свободно насажены щеки 24. Между щеками располагается опорная часть толкателя (для пятки плун­ жера). Наружная (цилиндрическая) часть толкателя находится

51

внутри направляющей, закрепленной в корпусе насоса. В нижнем конце щек, выходящем за пределы цилиндрической части толкателя, закреплена ось 20 ролика 21. Усилие от шайбы 22 передается через ролик 21 щекам 24 и через ось 25 толкателю плунжера.

Реверс привода насоса производится путем перемещения ролика 21 на угол а влево или вправо относительно оси / — / плунжера. Реверсивный механизм состоит из пневмоцилиндра 19, тяги 18 и ползуна 28. В прорезь последнего входит палец 27 рычага 26у яв­ ляющегося продолжением одной из щек 24. В процессе реверса элементы реверсивного механизма совершают поворот относительно неподвижной оси 25. Один из упоров 23 надежно стопорит все реверсивное устройство в положении «Вперед» или «Назад». Если на каком-либо цилиндре реверс не получился, его ТНВД автомати­ чески переводится на нулевую подачу.

Насос имеет ручное выключение путем подъема ролика толкателя над шайбой. Выключение производится только при остановленном двигателе.

2.4. Особенности конструкции и эксплуатации распылителей форсунок современных и перспективых главных судовых дизелей

Распылитель — наиболее ответственная часть форсунки, так как выполняет функции распыливания и распределения топлива по объ­ ему камеры сгорания. Вместе с тем условия его работы наиболее тяжелые по сравнению с другими элементами топливной аппарату­ ры: сопловой наконечник распылителя выходит в камеру сгора­ ния и, следовательно, подвержен воздействию высоких температур и агрессивной газовой среды. Условиями длительной и надежной работы распылителя являются плотность сопрягаемых поверхностей его элементов и стабильный температурный режим нижней части (наконечника), расположенной в камере сгорания.

Далее рассматриваются распылители, имеющие те или иные ха­ рактерные конструктивные и эксплуатационные отличия, типичные для современных главных судовых дизелей (общее устройство и принципы регулирования форсунок изучаются в разделе конструк­ ций судовых ДВС) [2, 10].

В двигателях Зульцер RD и RND (рис. 2.5, а) для охлаждения сопловой части распылителя применяется специальная рубашка 7,

Опыт эксплуатации двигателей Зульцер RD, а затем и RND по­ казал, что место сопряжения 9 рубашки с направляющей иглы не всегда герметично. Было замечено просачивание воды из полости 8 в цилиндр. Этот дефект способствовал развитию коррозионных про-

52

Рис. 2.5. Распылители форсунок двигателей Зульцер RND и RND-М, Пилстик PC2-400V

цессов в поясе уплотнения 9 , отчего снижался срок службы распы­ лителей.

В новой конструкции, разработанной для двигателей серии RND-М (рис. 2.5, б), распылитель форсунки выполнен составным: в корпус направляющей иглы запрессовано сопло 13, имеющее сед­

наконечника и снижает возможность протечек воды (коррозии сопла).

В старых конструкциях распылителей (RD) наблюдалась также коррозия поверхностей в стыке между корпусами 3 форсунки и рас­ пылителя 5. Причина в том, что в рабочих условиях появлялась воз­ можность соединения каналов охлаждения 2 и подвода топлива 1 через микрополости, возникающие от несимметричности темпера­ турных полей или монтажных усилий. В итоге вокруг этих кана­ лов появлялись пояски коррозии.

С целью устранения этого явления, начиная с серии RND, рас­ пылители Зульцер крепят к корпусу 3 не накидной гайкой, а вин­ тами 4. Кроме того, для обеспечения большей плотности площадь по­ ясков сопряжения корпуса 3 и направляющей 5 уменьшена. Подъ­ ем иглы hu форсунки для дизелей RND составляет 1,3 мм.

отверстий диаметром 0,9 мм. Угол наклона отверстий различный с целью обеспечения высокого качества смесеобразования благодаря максимально возможному заполнению объема камеры сгорания факелами распыленного топлива (см. рис. 2.5, а).

53

В дизелях RND-М, где камера сгорания имеет другую форму и меньшую высоту, необходимость в двухрядном расположении от­ верстий отпала. Давление затяга форсуночной пружины р зп в обо­ их случаях передается на иглу через шток 10, проходящий в отвер­ стии упора 11 иглы форсунки.

В двигателях Пилстик РС2-400 распылитель составной и не­ сколько необычной конструкции (рис. 2.5, в). Сопло 13 одновре­ менно выполняет роль рубашки охлаждения распылителя. Муфта 19 стягивает в единый герметичный узел рубашку 13, направляю­ щую 18 и корпус 3 форсунки. Штифтом 15 осуществляется центров­ ка каналов в корпусе 3 и направляющей 18: 17 — для подвода топ­ лива и 14 — для охлаждающей воды. Усилие затяга Р зп пружины

ции требует гарантии плотности стыка торцов не только направляю­ щей 18 с корпусом 3 форсунки, но и рубашки 13 с направляющей в том месте, где центральный топливный канал 20 направляющей переходит в канал 22 сопла. Стык каналов омывается потоком воды в полости 2 1 , поэтому плотность здесь можно обеспечить только при условии постоянной хорошей притирки поверхностей стыка и уве­ ренности, что резьбовое соединение сопла (рубашки 13) с муфтой 19 абсолютно лишено слабины. По-видимому, практика не подтвер­ дила возможности строгого выполнения таких условий, поскольку в последующих дизелях типа РС2-5 распылитель выполнен цельным со сверлеными каналами для охлаждения распылителя [10].

Конструкцию распылителя форсунки судовых дизелей Бурмейстер и Вайн (рис. 2.6, а) с незначительными изменениями применя­ ли до тех пор, пока не была создана принципиально новая форсун­ ка с другим распылителем (рис. 2.6, б). В дизелях, построенных Брянским машиностроительным заводом для морского транспорта широко распространены те и другие форсунки.

В конструкции, показанной на рис. 2.6, а, сопло 10 запрессова­ ло в корпус И (соплодержатель), который притирается к нижнему горцу направляющей 8 иглы 7. Верхний торец направляющей при­ терт к корпусу 1 форсунки. Массивной гайкой 9 соплодержатель //, направляющая 8 и нижняя часть корпуса 1 скреплены в еди­ ный герметичный узел. Штифты 5 обеспечивают совпадение уча­ стков каналов охлаждения 12 и топливоподвода 6, Сопло 10 закреп­ лено в корпусе 11 горячей посадкой, чем обеспечивается надежная фиксация сопла, отверстия которого должны иметь строго задан­ ное направление (число форсунок две или три при центральном по­ ложении выпускного клапана). Три или четыре распыливающих от­ верстия сопла имеют диаметр 0,95— 1,05 мм. Для увеличения срока

54

Рис. 2.6. Распылители форсунок двигателей Бурмейстер и Вайн VT2BF МАН— Бурмейстер и Вайн KGF, L-MC

55

штока 3, передающего игле усилие затяга форсуночной пружины 2 (^зп), что повысило надежность узла пружина — шток.

Форсунки Бурмейстер и Вайн охлаждаются, как правило, ди­ зельным топливом от автономной системы.

В последние годы все высокомощные судовые малооборотные дизели Бурмейстер и Вайн, а также перспективные дизели МАН — Бурмейстер и Вайн оборудуют новыми форсунками унифицирован­ ной конструкции (см. рис. 2.6, б).

Принципиальным отличием в данном случае является то, что форсунка неохлаждаемая. Нормальная работа форсунки при вы­ соких температурах подогрева тяжелого топлива (105— 120 °С) обес­ печивается благодаря его центральному подводу по каналу 14. При этом получаются симметричное температурное поле и равные градиенты температур по поперечному сечению распылителя, а сле­ довательно, равные рабочие зазоры в сопряженных парах (во всех прочих конструкциях форсунок, где горячее топливо и охладитель подаются по разным сторонам ее корпуса, создается несимметрич­ ное температурное поле).

Распылитель состоит из сопла 10, направляющей 8, иглы 7 и запорного клапана 17 внутри иглы. Направление односторонних сопловых отверстий обеспечивается фиксацией сопла штифтом 5 (корпус 1 форсунки фиксируется своим штифтом в месте крепления, не показанном на чертеже). Игла 7, имеющая вверху форму стакана, воспринимает усилие затяга пружины 2 через ползун 13, в вырезы которого входит головка проставки 15 с центральным каналом 14. Внутри стакана иглы размещены пружина 16 запорного клапана 17

иузел сопряжения топливного канала в проставке 15 и в клапане

17.Нижний заплечик проставки 15 ограничивает подъем клапана (hH= 3,5 мм), а верхний — подъем иглы (/ги = 1,75 мм).

Форсунка обеспечивает циркуляцию нагретого топлива при не' работающем двигателе (во время подготовки к пуску и при вынуж­ денных остановках в море), а также в период между смежными впрысками, когда ролик толкателя плунжера обкатывает цилиндри­ ческую часть шайбы (см. участок НЕ на рис. 2.3).

При стоянке двигателя, когда ТНВД находится в положении нулевой подачи (полости наполнения и нагнетания соединены), топ­ ливоподкачивающий насос при давлении 0,6 МПа подает топливо в нагнетательный топливопровод и канал 14 форсунки. Так как пру­ жина 16 запорного клапана 17 имеет затяг 1 МПа, то клапан не под­ нимается, и топливо проходит через небольшое отверстие 18 в ста­ кан иглы и далее вверх на слив. Таким образом, при стоянке лю­ бой продолжительности вся система нагнетания будет заполнена топ­ ливом рабочей вязкости. Это исключительно важно для надежной работы топливной аппаратуры.

56

При работе двигателя в период активного хода плунжера давле­ ние нагнетания практически мгновенно поднимает запорный кла­ пан 77, и перепускное отверстие 18 перекрывается. Топливо прохо­ дит к дифференциальной площадке иглы 7 и поднимает иглу.

В конце активного хода плунжера вся система нагнетания быст­ ро разгружается через рабочую полость насоса, так как нагнета­ тельного клапана в нем нет. Когда давление топлива падает ниже давления затяга /?зп, пружина 2 сажает иглу 7, а при давлении ниже 1 МПа пружина 16 опускает на место запорный клапан 17. Ролик толкателя плунжера на длительное время выходит на верх шайбы (участок НЕ на рис. 2.3), и система нагнетания вновь про­ качивается топливом до следующего активного хода плунжера.

В рассмотренной особенности новой форсунки большое достоин­ ство топливной аппаратуры, так как в любых условиях эксплуата­ ции она постоянно находится в рабочем температурном режиме, что чрезвычайно важно для гарантии надежности.

Практика показала, что во время вынужденных остановок судов в море, при длительных стоянках в готовности, а также при про­ должительных режимах малых ходов и маневров тяжелое топливо остывает по всей линии нагнетания, вязкость его повышается. В та­ ких случаях после пуска двигателя или при резких набросах на­ грузки давление впрыскивания может сильно возрасти, а гидравли­ ческие усилия в линии нагнетания достичь опасного уровня. В ре­ зультате возможны образование трещин в корпусах ТНВД и стен­ ках нагнетательных топливопроводов, прорыв мест соединений их с насосом и форсункой (особенно когда эти места резьбовые).

Для топливной аппаратуры с охлаждаемыми форсунками суще­ ствует несколько решений, направленных на поддержание темпера­ турного режима системы нагнетания в упомянутых условиях: от­ ключение охлаждения форсунок, подача пара в каналы охлажде­ ния, установка вдоль всего (или части) нагнетательного топливо­ провода паровых «спутников» и т.д. [7]. Однако все эти решения по эффективности действия значительно уступают форсунке с симмет­ ричным температурным полем.

Положительным фактором в пользу неохлаждаемых форсунок является и то, что исключается необходимость применять специ­ альную систему охлаждения (два насоса, цистерна, трубопроводы, контрольно-измерительные приборы и приборы автоматики).

Есть, однако, и недостатки. Конструкция форсунки сложная, многодетальная. Одних мест притирки — девять, причем для при­ тирки требуются специальные оправки. В топливной аппаратуре фактически отсутствует нагнетательный клапан, так как запорный клапан 17 его функций не выполняет: в случае зависания иглы форсунки топливо из системы нагнетания выталкивается давлени­ ем газов в цилиндре вскоре после окончания активного хода плун­ жера. Опыт показывает, что цилиндр при этом самовыключается.

57

2.5.Параметры и характеристики топливоподачи

Вописательной части курса СДВС, где даются общие сведения

оработе топливной аппаратуры, подача топлива в цилиндр пред­ ставляется схематично как простое вытеснение плунжером через форсунку отмеренной цикловой порции топлива (gu = kha). В дей­ ствительности подача топлива — это сложный гидродинамический процесс, характеристики которого зависят от множества факто­

ров, например длины и вместимости системы нагнетания, наличия и места нагнетательного клапана, частоты вращения вала двигате­ ля, нагрузки цилиндра и т. д. Таким образом оценка показателей работы двигателя, устойчивость его режимов в разных условиях плавания ставятся в прямую зависимость от характеристик топ­ ливоподачи.

Чтобы понять сущность процесса впрыскивания, нужно вспом­ нить известное из физики положение об упругости жидкости: в зам­ кнутом сосуде жидкость сжимается под действием силы и расширя­ ется, когда силу снимают. Известно также, что если в жидкости создать возмущение, то оно будет распространяться в виде волны давления со скоростью звука (для топлива в среднем 1450 м/с). Встречая препятствие, волна частично или полностью отражается от него, отчего возникает обратная волна давления.

Если взять трубопровод и установить с одного конца источник возмущения, а с другого препятствие, например диафрагму с ма­ лым отверстием, и создавать регулярные возмущающие импульсы, то в трубопроводе возникнет волновой процесс с прямыми (от ис­ точника возмущения) и отраженными (от диафрагмы, а потом и от источника) обратными волнами давления.

Такая схема физических процессов является основой для пони­ мания сущности гидродинамики процесса впрыскивания в топлив­ ной аппаратуре дизелей. Источником возмущения в данном слу­ чае является плунжер, создающий импульсы давления в период активного хода, а препятствием — игла и сопловые отверстия форсунки.

2.6. Процесс впрыскивания и его параметры

Общее представление о процессе впрыскивания и его парамет­ рах дают осциллограммы давления топлива в рабочей полости на­ соса — Ян и топливоподводящем канале форсунки — /?ф, сня­ тые совместно с осциллограммами hn подъема иглы и отметкой ВМТ поршня (рис. 2.7, а).

До начала подачи насосом его рабочая полость заполнена топ­ ливом под давлением рП(т, создаваемым подкачивающим насосом. Резкий подъем давления р н после точки Н П Н свидетельствует о

58

Рнл<р~Рзп

1

7777777777^7777^ 7777777777^7777777777777^ 77

начале активного хода плунжера и сжатия топлива в насосе. Отре­ зок между точками НПН и верхней мертвой точкой (ВМТ) поршня определяет угол опережения подачи по насосу (фнгш)-

Нагнетательный клапан, установленный в ТНВД, открывается только в точке а, когда давление р п возрастает до остаточного дав­ ления р ост, существующего в линии нагнетания между смежными впрысками. В этот период система нагнетания перекрывается с одной стороны иглой форсунки, с другой — нагнетательным клапаном насоса.

После точки а сжатие топлива будет во всей линии нагнетания. Импульс р н в виде нарастающей волны давления идет к форсунке и достигает ее в точке b, что видно по началу подъема давления у фор­ сунки рф. Однако игла поднимается только тогда, когда давление рф станет равным давлению затяга пружины /?зп. Отрезок между точ­

59

впрыскивания /7Впр> под которым принято понимать максимальное давление у форсунки /?ф тах . Его нельзя смешивать с давлением за­ тяга пружины форсунки /?зп, которое определяют на контрольном прессе после притирки иглы и других профилактических работ с форсункой.

В топливной аппаратуре некоторых дизелей наблюдаются так называемые подвпрыски — дополнительные, обычно «вялые», подъе­ мы иглы после ее посадки (участок КПФ — КПФ' на рис. 2.7, а). Подвпрыск происходит под действием волны давления, возникшей от удара массы топлива о севшую на место иглу форсунки (КПФ) или обратного потока топлива о севший нагнетательный клапан ТНВД (КПН).

Наличие подвпрыска —результат неполной доводки топливной аппаратуры на заводе. В эксплуатационных условиях этот дефект

туры, поэтому дадим им необходимую классификацию. Пара­ метры топливоподачи делят на статические и динамические,

вают, как располагаются фазы впрыска относительно ВМТ поршня, какого качества процесс сгорания в цилиндре следует при этом ожи­ дать (в смысле его экономических и динамических показателей).

Взаимное расположение статических и динамических фаз регу­ лирования показано на рис. 2.7, б. Как видно, динамические фазы сдвинуты по отношению к статическим в сторону вращения коленча­ того вала. Основная причина такого смещения фаз — упру­ гость топлива, заполняющего объем системы нагнетания от плун­ жера ТНВД до иглы форсунки.

60