Kamkin_-_Expluatatsia_sudovykh_dizeley_-_1990

Рабочие параметры процесса впрыскивания прямо или косвен­ но характеризуют топливоподачу с количественной стороны, т. е. оценивают цикловую порцию топлива, подаваемую насосом g nH или форсункой £ цф.

Ранее [см. уравнение (2.2)1 было показано, что цикловая подача насосом £цН — k h aj т. е. отмеренная насосом порция топлива по своему смыслу является статическим параметром и определяется только продолжительностью активного хода ha плунжера. Что каса­ ется цикловой подачи форсункой, то она выражается уравнением, г/цикл,

(2.4)

гДе ^ф —коэффициент истечения форсунки; / со, ico — площадь, см2, и число

сопловых отверстий распылителя; Сф — “j / 2/р• Т/Рвпр — скорость истечения топлива из форсунки, см/с; р — удельная масса топлива (р = 7lg)\ рт — плотность топлива, г/см3; Тф — продолжительность подачи форсункой, с; k — постоянная.

Как видно, цикловая подача форсункой непосредственно связа­ на с давлением впрыскивания /?впр, которое является динамиче­ ским параметром процесса впрыскивания и зависит не только от нагрузки, но и от скоростного режима двигателя, износа сопловых отверстий распылителя, плотности прецизионных пар насоса и фор­ сунки, уровня остаточного давления и т. д.

Таким образом, как по физическому смыслу, так и по численному значению параметры g nn и £ цф значительно различаются. Поэтому под действительной цикловой подачей топлива понимается подача форсункой g nф = §-ц, г/цикл.

2.7. Регулировочные характеристики топливной аппаратуры

Ранее было дано понятие о регулировочных параметрах топлив­ ной аппаратуры — статических (фНпн> Фкпн, Фн) и динамических (фнпф, фкпфу Фф), а на рис. 2.7, б показано их взаимное положение для какого-то одного режима работы дизеля. Однако, чтобы судить об эксплуатационных качествах и рабочих показателях дизеля, нуж­ но иметь представление о регулировании топливной аппаратуры в широком диапазоне эксплуатационных режимов. Это позволяют сде­ лать регулировочные характеристики, показывающие, как распре­ деляются статические и динамические фазы топливоподачи относи­ тельно ВМТ поршня в зависимости от указателя нагрузки двигателя или от частоты вращения коленчатого вала. В качестве УН принимаются положения топливной рукоятки на посту управле-

61

После

100 П,об/мин

п, оЬ/мин

Рис. 2.8. Совмещенные регулировочные характеристики по статическим (сплои] ные л и н и и ) и динамическим (штриховые линии) параметрам при работе на винт двигателей Зульцер RD-76 (a), MAH KZ70/120C (б). Фиат C758S (в)

ния, рейки ТНВД или стрелки шкалы выходного вала регулятора частоты вращения.

Наиболее типичные регулировочные характеристики для слу­ чаев регулирования ТНВД началом (а) и концом (б, в) активного хо­ да плунжера h a представлены на рис. 2.8. Для наглядности общей картины регулирования на рис. 2.8, а и б показана характеристи­ ка h ay все зависимости даны в функции УН и частоты вращения од­ новременно. Направление вращения коленчатого вала показано стрелками /.

Статические регулировочные характеристики снимают по специ­ альной методике 13], вращая коленчатый вал дизеля валоповоротной машиной, динамические — обработкой осциллограмм процесса топливоподачи на различных нагрузочных и скоростных режимах работы двигателя.

Из рассмотрения рис. 2.8 можно сделать несколько принципиаль­ ных выводов, касающихся регулирования топливной аппаратуры.

1.Статические характеристики фНпн и фКПн сходятся в точке В

характеристика активного хода плунжера: в точке А при У Н а ~

УНв активный ход плунжера ha = 0. Но нулевая подача начина­ ется раньше, чем органы управления ТНВД встанут в положение «Стоп», поскольку У Н а = УНВ > У Н 0. Участок шкалы УН меж­ ду УН ав и У#о (заштрихован) представляет собой как бы область гарантии нулевой подачи независимо от способа регулирования на­ соса (началом или концом хода h a) и конструкции органа регулиро­ вания h a (клапан или золотник).

62

Для клапанного ТНВД это обстоятельство существенно упрощает процесс настройки насоса на нулевую подачу, так как устраняется необходимость искать момент точного соответствия положения орга­ на управления двигателем на «Стоп» (УН = 0) и регулирующего клапана насоса, когда он только начинает обеспечивать нулевой активный ход плунжера, т. е. h a = 0 (<ра — 0). Дело в том, что мас­ сы, перемещаемые валоповоротной машиной, весьма велики, поэто­ му, управляя ею, очень трудно уловить указанный момент по сигна­ лу контрольного прибора. Кроме того, по некоторым причинам ну­ левая подача может быть «сбита», и наличие «резерва» ее в виде участка У Н а в — УН о всегда дает уверенность, что дизель в положе­ нии «Стоп» будетостановлен.

В золотниковом ТНВД область гарантии нулевой подачи полу­ чается сама собой в период совмещения перепускного канала плун­ жера с рабочим окном втулки.

2. Ординаты между статическими характеристиками фНпн и Фкпн представляют собой продолжительность активной подачи насосом по углу ПКВ (<ра = ф н = Фнпн + Фкин)* Для различных нагрузок двигателя поля ординат фа на рис. 2.8 заштрихованы. Нетрудно видеть, что фазы подачи фа неодинаково располагаются относительно ВМТ поршня. На рис. 2.8, в это особенно выражено, поскольку характеристика фНпн оказывается высоко поднятой над ВМТ, т. е. реально угол опережения подачи по насосу очень велик (положение фазы подачи насосом фа относительно ВМТ зависит от нагрузки двигателя, частоты вращения вала, принципа регулиро­ вания ТНВД, объема системы нагнетания, остаточного давления и других факторов).

3. Особенно наглядно статические регулировочные характери­ стики проявляют себя в области малых и самых малых ходов: при регулировании по началу подачи (см. рис. 2.8, а) фаза ф„ сначала частично, а затем полностью сдвигается за ВМТ; по концу подачи (см. рис. 2.8, б) этот сдвиг происходит в сторону ВМТ и до нее (см. об­ ласти БВГ) для обоих случаев регулирования, а в редких случаях вся подача насосом фа = фн переходит в область опережения даже при высокой частоте вращения (высоких нагрузках) двигателя (см. рис. 2.8, в).

4. Динамические характеристики Ф„Пф и фКпф сдвинуты по от­ ношению к статическим (ф Нпн и фкпн) в сторону вращения колен­ чатого вала (по стрелке /). Как говорилось, причиной этого является упругость топлива. Однако взаимное смещение характеристик на­ чала и конца подачи топлива происходит неодинаково.

Запаздывание момента НПФ относительно НПН объясняется в основном временем, необходимым для сжатия топлива в системе наг­ нетания от давления подкачивания (/?под) до давления затяга пру­ жины форсунки (рзп)- Поэтому чем больше объем системы, меньше остаточное давление р 0ст и сильнее затяг пружины, тем дальше по углу ПКВ смещается фаза ф Нпф-

63

Примером редкого сочетания сразу всех перечисленных факто­ ров является топливная аппаратура двигателя Фиат, у которого дли­ на форсуночного топливопровода /фт достигает 9— 12 м, система наг­ нетания разгружается до давления /?под, а р зп = 40 МПа. Вслед­ ствие этого различие в углах опережения по насосу и форсунке очень велико: фНпн — Фнпф = 27^-30° ПКВ. Динамическая же характе­ ристика Фнлф во всем диапазоне эксплуатационных режимов распо­ лагается параллельно статической фНпн> но уже с обычным опере­ жением (фнпф ~ 6° до ВМТ).

Зависимость запаздывания момента КПФ по отношению к КПН —

более сложная. Здесь имеет значение не только упругость топли­ ва, которое расширяется после момента КПН, но и сама динамика процесса впрыскивания. Так, при регулировании ТНВД началом хода плунжера 1га с уменьшением нагрузки двигателя фаза подачи насосом фа = фн все больше сдвигается на участок падающей вет­ ви скорости плунжера [3], потому нарушается баланс секундных подач насоса и форсунки. В области малых ходов подача насоса ста­ новится настолько вялой, что игла форсунки садится на место рань­ ше. чем плунжер закончит свой активный ход. Поэтому характери­ стика Фк],ф на рис. 2.8, а в области малых ходов начинает опережать характеристику фкии.

При регулировании ТНВД концом хода плунжера 1га в случае, когда нагнетательный клапан располагается в насосе, динамиче~ екая регулировочная характеристика фКПф также не отражает зако­ номерности статической (рис. 2.8, б). Объясняется это тем, что в мо­ мент КПН давление в насосе резко падает и через нагнетательный клапан, который еще поднят, быстро формируется обратный поток топлива. При посадке клапана создается гидравлический удар, от которого возникают прямые (идущие к форсунке) волны давления. За счет энергии этих волн игла форсунки продолжает стоять в упо­ ре. Впрыск, хотя и вялый, затягивает момент посадки иглы, при­ чем тем дольше, чем выше нагрузка двигателя. Этим объясняется увеличивающийся наклон характеристики фКПф п0 отношению к Фкпн с повышением индекса УН (см. рис. 2.8, б).

Когда нагнетательного клапана нет (рис. 2.8, в), то смещение статических и динамических характеристик начала подачи (фНЦф относительно ф „Пн) и конца подачи (фКПф относительно фКпн) происходит как бы равномерно, поскольку в этом случае действует только один фактор — упругость топлива. Однако, как следует из расположения характеристик, период, затрачиваемый на сжатие топлива от момента НПН до момента НПФ, значительно больше пе­ риода расширения топлива между моментами КПН и КПФ. Объяс­ няется это тем, что сжатие топлива плунжером происходит медлен­

64

ние pz имеет важное значение как с точки зрения экономичности рабочего цикла, так и устойчивости низкой частоты вращения, т. е. маневренных качеств дизеля.

2.8. Повышение экономичности дизеля путем оптимизации регулировочных характеристик топливной аппаратуры

Ранее говорилось, что параметры, определяющие начало (<р11Ш1, Фнпф), конец (фкпн» Фкпф) и продолжительность (фн, фф) подачи топ­ лива насосом и форсункой, являются параметрами качественного ре­ гулирования топливной аппаратуры, так как именно они при про­ чих равных условиях влияют на характер развития процесса сгора­ ния, качественной оценкой которого является уровень динамиче­ ских и экономических показателей рабочего цикла. Остановимся на этом несколько подробнее, чтобы уяснить сущность задачи оптими­ зации регулировочных характеристик. На рис. 2.10, а показаны два

в первом случае топливо поступает в цилиндр с большим опереже­ нием (фнпн), во втором — с малым (фнпн)* Большое опережение подачи топлива приводит к развитию процесса сгорания до ВМТ, на ходе сжатия, когда объем цилиндра уменьшается; малое опереже­ ние, наоборот, переносит процесс за ВМТ, на ход расширения, ког­ да объем цилиндра увеличивается.

Такое отличие в условиях сгорания одного и того же количества топлива = idem) при разных углах опережения резко ме­ няет вид осциллограмм (рис. 2.10, б) и индикаторных диаграмм

Рис. 2.10. Пример качественного регулирования топливоподачи

66

логичный вывод может быть сформулирован так: с ростом угла опе­ режения рабочий цикл должен быть более экономичным и динамич­ ным, т. е. расход топлива (gt и ge) должен уменьшаться, а показа­ тели механической напряженности двигателя (pzy p j p c, Д/?//Д<р) — возрастать.

Практика эксплуатации и опыт доводки судовых дизелей на за­

угол опережения фНпн с целью достижения большей экономичности? Ответ на такой вопрос в каждом конкретном случае дает только эксперимент. Поэтому дизелестроительные заводы в процессе довод­ ки головного образца дизеля на стенде снимают так называемые регулировочные характеристики, показывающие, как зависят пара­ метры рабочего цикла от угла опережения фнпн. Продолжительность фазы подачи топлива фн и частота вращения вала п при этом посто­

янны. С увеличением угла опережения (рис. 2.11):

максимальное давление сгорания pz все время растет, так как все большая доля цикловой подачи топлива gn поступает в цилиндр в процессе сжатия;

температура выпускных газов /вг падает, поскольку снижают­ ся параметры конца расширения р в и /в (из теории рабочего цикла известно, что эти параметры уменьшаются, если процесс сгорания заканчивается в районе ВМТ поршня — см. участок CZV на рис. 2.10, в)\

удельный расход топлива ge снижается только до определенного предела (geH), отмеченного на рис. 2.11 точкой Я, после которого на­ чинает снова расти. Объясняется это тем, что при слишком больших углах опережения подачи плотность и температура воздуха в ци-

/вг, а также показатели механической и тепловой напряженности мо­ гут значительно ухудшиться вследствие отрицательного действия многих эксплуатационных факторов, среди которых главными яв­ ляются ухудшение атмосферных условий, увеличение сопротивле­ ния движению судна, применение низкосортных топлив. В таких случаях заводское регулирование топливной аппаратуры уже не бу­ дет оптимальным, а изменить его соответственно конкретным экс­ плуатационным условиям при обычной конструкции топливной ап­ паратуры практически нельзя.

П р и м е ч а н и е . Известен единственный случай создания топливной аппаратуры, способной обеспечить оптимальное регулирование при измене­ нии всего комплекса перечисленных эксплуатационных факторов, — это ак ­ кумуляторная топливная система МАН с электронным управлением (см.

Отдельные частичные решения задачи сохранения оптимальных регулировочных характеристик были раньше и встречаются в насто­ ящее время, но реализованы они преимущественно для случая из­ менения сорта топлива. В качестве примера рассмотрим устройство для ручного регулирования угла опережения, примененное фир­ мой Бурмейстер и Вайн в ТНВД малооборотных дизелей серии VT2BF (рис. 2.12).

Коромысло 3 имеет с одной стороны эксцентриковую ось 2 , а с другой — промежуточный ролик 5, помещенный между кулачной

68

шайбой 4 и роликом 6 толкателя 1 плунжера. Поворотом оси 2 в ту или другую сторону изменяются момент набегания ролика на ку­

двигателя, что позволяет оперативно в процессе индицирования вы­ равнять давление pz по отдельным цилиндрам до уровня, рекомен­ дованного заводом-строителем, или изменить рг по всем цилиндрам при переходе на другой сорт топлива. Недостаток конструкции — ее громоздкость.

Итак, на основании сказанного о регулировочных параметрах можно заключить, что угол опережения подачи топлива фНПн яв­ ляется определяющим в оценке экономических и динамических по­ казателей рабочего цикла. Поэтому, когда в эксплуатации судовых дизелей встала проблема экономии топлива, одним из путей ее реше­

Рассмотрим термодинамическую основу задачи, поставив ее кон­ кретно (рис. 2.13): как изменится КПД цикла, если подводимую теп­ лоту £?под = Qv + QP уменьшить за счет доли Qpi т. е., сохраняя давление pz постоянным, перенести конец подвода теплоты из точ­ ки г в точку

Нетрудно видеть, что работа L t-цикла (заштрихованная площадь) уменьшится. Что касается КПД, то о его изменении в данном слу­ чае, когда Qп0д¥= idem, можно судить только по результатам рас­ чета, которые приведены на рис. 2.13, б для реальных значений па­

делает теоретический цикл более экономичным (% растет). Полученный вывод явился принципиальным отправным положе­

нием в решении практической задачи об экономии топлива в судо-

а)

69

+ Ф к п н - Это как раз и было достигнуто оптимизацией регулировоч­

Фирма «Зульцер» первая решила задачу оптимизации регули­ ровочных характеристик в клапанных ТНВД путем включения в сис­ тему управления насосом добавочного регулирующего устройства VIT (Variable Injection Timing). Механизм VIT (рис. 2.14, а) позволяет синхронно задавать углы опережения ф н п н й продолжи­ тельности подачи фн при нагрузках N e <i Л^ном в соответствии с программой, встроенной в регулятор частоты вращения.

В топливном насосе 1 оба клапана — впускной 10 и перепуск­ ной 7 выполнены управляемыми. Их эксцентриковые оси 9 и 6 на­ ходятся под воздействием рычажных механизмов 8 и 5, соединен­ ных с регулятором 2 частоты вращения тягами 3. Штриховые ли­ нии фиксируют нулевое и максимальное положения указателя на­ грузки.

\ А/о--Ю0°[о

/ \

^ <р-Xf /1

2,8

и

Рис. 2.14. Устройство VIT для автоматического регулирования начала фнпн и продолжительности фн подачи топлива в двигателе Зульцер RLB

70