Kamkin_-_Expluatatsia_sudovykh_dizeley_-_1990

При изменении нагрузки двигателя фазы подачи фНпн и фкпн регулируются автоматически по заданной программе VIТ (рис. 2.14, б). Нетрудно видеть, что при уменьшении нагрузки дви­

(рис. 2.14, в, г, сплошные линии) по сравнению с прежним принци­ пом регулирования ТНВД, когда механизма VIT не было (штрихо­ вые линии). Как видно, в области экономичных нагрузок (участок ge mm на кривых ge) уменьшение расхода топлива Age составляет ^ 2 ,2 г/(кВт-ч).

Регулирование ТНВД Зульцер с помощью управляемых клапа­ нов позволяет сравнительно просто решить задачу перенастройки механизма VIT при работе дизеля на топливе с худшей воспламеня­ емостью. Как известно, в этом случае процесс сгорания переходит на линию расширения, давление pz уменьшается и расход топлива g Pрастет (рис. 2.14, д, е, штриховые линии). Для такого случая в ме* ханизме VIT на рис. 2.14, а предусматривается ручное регулирова­ ние угла опережения фНпн рычажным устройством 4 , корректирую­ щим программу VIT в регуляторе 2. При установке рычага 4 в по­ ложение I угол фнпн увеличивается, уровни рг и ge восстанавлива­ ются до прежних оптимальных значений (см. рис. 2.14, д, е сплош­ ные линии).

Следует, наконец, обратить внимание на характер изменения

пользованию импульса рХУ что наряду с повышением экономичности рабочего цикла улучшает маневренные качества дизеля.

В золотниковых ТНВД задача оптимизации регулировочных ха­ рактеристик оказалась более сложной, чем в клапанных, так как управлять фазами фнпн и фкпн можно только путем формирования профиля кромок, регулирующих начало и конец подачи топлива насосом (рис. 2.15, а). Такое решение на флоте встречается в мо­ дернизированных ТНВД дизелей MAH KZ70/120E, в новых дизелях MAH KSZ70/125B и в дизелях Бурмейстер и Вайн 6L45GFCA

В каждом случае плунжер имеет две пары симметрично располо­ женных регулирующих кромок и, естественно, два рабочих окна во втулке (см. рис. 2.2 и 2.3). На развертке пары регулирующих кро­ мок (см. рис. 2.15, а) верхняя ABC формирует характеристику фНпн> нижняя DE — характеристику фКПнРасстояние между кромками

71

по вертикали определяет активную подачу: ход h a и угол фа =

“Фн = Ф н п н “Ь ф к П Н '

Оптимизация фаз топливораспределения (применение VIT) обеспечивается в данном случае тем, что с поворотом плунжера на уменьшение хода h a (фа) верхняя кромка сначала поднимается, угол Фнпн растет (участок С), затем остается на одном уровне (уча­ сток £), а на средних и малых нагрузках опускается, уменьшая Фнпн (участок А). Схематически характеристика фНпн в зависимо­ сти от мощности показана на рис. 2.15, б.

Наличие резкой ступени Е на нижней кромке ED объясняется

и вызывает крутизну участка Е.

Как уже говорилось, окончательное суждение о протекании регулировочных характеристик топливной аппаратуры дают динами­ ческие параметры топливоподачи — начало фНпф и конец фКПф

г) p z ■w s па

120

Рис. 2.15. Реализация VIT в золотниковом ТНВД с фигурными кромками

72

подачи топлива форсункой. На рис. 2.15, в динамические характе­ ристики фнпф и фкпф представлены по данным осциллографирования процесса топливоподачи судового дизеля L45GFCA в режимах стендовой винтовой характеристики.

Если сопоставить рис. 15, а и в, то нетрудно заключить, что от­ дельные ступени регулирующих кромок, иллюстрирующих статиче­ ские характеристики /фнпн и Фкпн» весьма отчетливо выражают­ ся соответственно в динамических характеристиках Фнпф и Фкпф (см. участки 1 — 2 — 3 — 4 и С, В, Л, а также 7—6— 5 и £, D). Это значит, что в процессе впрыскивания (в динамике) в целом реали­ зуется заданное профилем кромок плунжера оптимальное регулиро­ вание топливоподачи.

На рис. 2.15, г, д приведены экспериментальные зависимости из­ менения показателей работы двигателя pZJ ge при штатной конструк­ ции плунжера, когда ход/1 а регулировался только концом подачи (штриховые линии) и при оптимизированном регулировании со сту­ пенчатыми кромками (сплошные линии). Нетрудно видеть, что и в зо­ лотниковой конструкции ТНВД идея VIT успешно реализуется, обеспечивая экономию топлива (Age) в широком диапазоне эксплуа­ тационных режимов дизеля, работающего на винт.

Однако из этого не следует, что золотниковый ТНВД конструк­ тивно более отвечает задаче VIT. Конечно, в нем нет ни регулирую­ щих клапанов, ни сложной рычажной передачи к ним, но именно эта конструктивная особенность, присущая клапанным ТНВД, позволяет просто осуществить перенастройку механизма VIТ при изменении сорта топлива одновременно для всех секций ТНВД, причем на ходу двигателя (см. рис. 2.14, а, д , е). Золотниковый ТНВД такой возможности не имеет.

В современных судовых дизелях, где идея VIT реализована ступенчатыми кромками плунжера, при смене сорта топлива угол Фнпн Для номинальной нагрузки изменяется отдельно для каждой секции ТНВД либо прокладками, либо разворотом кулачка (см. рис. 2.2 и 2.3). Такая работа длительна и трудоемка.

В связи с этим в некоторых перспективных судовых дизелях, на­ пример в четырехтактном среднеоборотном MAH L58/64 (Ne -

^=1215 кВт; ре ~ 2,15 МПа), имеющем золотниковые ТНВД со ступенчатыми кромками, применен рычаг с промежуточным роли­ ком, как в старых конструкциях насосов дизелей Бурмейстер и Вайн (см. рис. 2.12). Однако конструкция ТНВД от этого только ус­ ложнилась и его эксплуатационная надежность снизилась.

Особым, пока еще не имеющим аналога примером решения зада­ чи VIТ в золотниковых ТНВД является двухреечный механизм (см. рис. 2.4). Система управления рейками, реализующая программу VIT в таких ТНВД (рис. 2.16), внедрена во всех судовых дизе­ лях МАН — Бурмейстер и Вайн серии L-MC (кроме малых двигате­ лей L35-MC и L42-MC, имеющих механизм VIT в виде ступенчатых кромок на плунжере ТНВД).

73

Как говорилось, в ТНВД дизелей L-MC цикловая подача g nn изменяется обычным способом: зубчатая рейка 6 через поворотную втулку 5 сообщает плунжеру 2 угловые перемещения. Но угол one* режения подачи фНпн изменяется принципиально новым способом: в зависимости от нагрузки двигателя, т. е. в итоге от подачи g n, мо­ мент перекрытия рабочих окон втулки / плунжером 2 (момент НПН) подчиняется закономерности VIT (такой, например, как на рис. 2.15, 6). Достигается это аксиальным смещением втулки 1 (см. рис. 2.16) плунжера, сопряженной резьбовым соединением с поворотной втулкой 3. Последняя своим наружным зубчатым вен­ цом входит в зацепление с рейкой 4, находящейся под действием сис­ темы управления VIТ.

В эту систему входят три главных элемента: вал 10, связанный с регулятором частоты вращения, клапан управления 14 (датчик по­ ложения рейки 4 VIT) и исполнительный сервопневмоцилиндр 17, перемещающий рейку VIT. Рабочий воздух поступает в клапан 14 по трубопроводу 15 и под заданным давлением (рку « 5-105 Па) подается в линию 16 к сервомотору 17.

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

5} Ргй>10sПа

Рис. 2.16. Реализация VIT в золотниковом ТНВД с простейшими кромками плунжера

74

ния 14.

Таким образом, активный ход плунжера h a (статическая про­ должительность подачи топлива) и угол опережения фНпн взаимо­ связаны и подчиняются программе, заложенной в регулятор скоро­ сти. Для индивидуального подрегулирования параметров фНПн и h а имеются талрепы 7 и 8 на тягах к рейкам 4 и 6.

Эксплуатационный контроль за системой управления VIT осу­ ществляется по графическим зависимостям положений рейки 4 VIT

Не отрицая оригинальности исполнения механизма VIT и его гибкости, следует отметить, что эксплуатационная надежность топ­ ливной аппаратуры дизелей L-MC при этом далеко не очевидна. Дело в том, что втулка плунжера, выполняющая роль рабочего элемента в исполнительном механизме VIT, очень тяжела (для двигателя L60-MC ее масса равна 34 кг) и имеетдевять уплот­ нительных колец по внутренней и наружной поверхностям (см. рис. 2.4).

Перемещения втулки, неизбежные при действии механизма VIT, создают трудные условия для работы уплотнений, снижают их на­ дежность и долговечность. Особенно остро встает этот вопрос при плавании в штормовую погоду, в мертвую зыбь, во льдах.

Остановимся на последнем вопросе, касающемся оптимизации регулировочных характеристик топливной аппаратуры. Ранее мы все время выделяли одну конечную цель оптимизации — экономию топлива. Экономия действительно есть и по многим сравнительным испытаниям топливной аппаратуры с механизмом VIT и без него для разных дизелей составляет Age — 2,5-^-4 г/(кВт*ч). Это, бе­ зусловно, положительный итог оптимизации топливораспределения в дизелях.

Однако в этом есть и другая сторона вопроса, которая должна проявиться позже — в обобщенном опыте эксплуатации современ­ ных и перспективных дизелей. Речь идет о неизбежном ухудшении динамических показателей рабочего цикла на тех нагрузочных ре­ жимах, где система VIT дает наиболее впечатляющий экономиче­ ский эффект.

Теория этого положения была изложена выше, а иллюстрация реальной картины изменения динамики рабочего процесса в цилинд-

75

Рис. 2.17. Изменение показателей динамичности рабочего процесса в цилиндре по винтовой характеристике при оптимизированных фазах топливо­ подачи

ре представлена на рис. 2.17. Графики на рис. 2.17, а получены об" работкой данных стендовых испытаний двигателя МАН — Бурмейс'

Рис. 2.17, б наглядно иллюстрирует картину процесса на участке сгорания сг при действии механизма VIТ. Только опыт эксплуата­ ции, которого пока еще очень мало, позволит составить объективное суждение об истинной ценности идеи оптимизации регулировочных характеристик топливной аппаратуры, поскольку следствием ее является очевидное снижение надежности двигателя и в первую очередь головного, мотылевого и рамового подшипников.

2.9. Рабочие характеристики топливной аппаратуры

Общие сведения. Рабочие характеристики выражают зависимость рабочих параметров процесса впрыскивания от скоростного (п) или нагрузочного (piy ре) режима работы двигателя. Как уже гово­ рилось, рабочими параметрами процесса топливоподачи являются цикловая порция топлива, поданная насосом g nH или форсункой йцф = g ц» а также давление впрыскивания р впр, от которого в пер­ вую очередь зависит цикловая подача.

Если теперь обратиться к формуле, выражающей удельную рабо­ ту цилиндра, Pi — LilVh — то нетрудно заключить, что уро­ вень давления р г (а при данном скоростном режиме и уровень мощ­

с протеканием регулировочных характеристик, о чем подробно го­ ворилось ранее.

Таким образом, можно сформулировать обобщающий вывод: ра­ бочие характеристики топливной аппаратуры в совокупности с ре­ гулировочными создают полное представление о связи процесса топ-

76

ливоподачи с процессом сгорания и о влиянии параметров топливо­ подачи на показатели рабочего цикла. Рассмотрим отдельные рабо­ чие характеристики топливной аппаратуры.

Характеристика давления впрыскивания. Напомним, что давле­ ние, при котором топливо впрыскивается в цилиндр через форсунку, не является постоянным (см. рис. 2.7, а). Оно сначала возрастает от давления начала подачи форсункой /?Нпф до некоторого максимума Рфтаху а затем падает до давления конца подачи форсункой р кПф. Поэтому под термином «давление впрыскивания» понимается конкрет­ ная величина — максимальное давление у распылителя: /?впр =

~Р ф шах* Объясняется это тем, что именно уровень рф тах опре­

деляет гидравлические нагрузки элементов форсуночного топливо­ провода и мест его соединений, т. е. в конечном счете надежность работы топливной аппаратуры.

Натурные испытания судовых дизелей показывают, что давление р впр зависит от нагрузки двигателя (подачи g n) и скоростного ре­ жима (частоты вращения я), поскольку масса топлива определяет силу его сжатия в системе нагнетания, а частота вращения коленча­

По опытным данным при работе главного двигателя непосредст­ венно на винт фиксированного шага (ВФШ) частота вращения вала

ухудшается. Это наглядно иллюстрируют осциллограммы давления

затяга пружины р зп: игла страгивается с места и, не достигая упо­ ра, тотчас садится. При я ш1п угол Цф = 1,54-3,0° ПКВ. Впрыск становится вялым и неустойчивым. Топливная аппаратура работает ненадежно.

В этом частном случае, когда дизель находится на грани самовы­ ключения, можно считать справедливым равенство р впр = р нПф^=

=Рзп» показывающее, что давление р ВпР соответствует давлению

опрессовки форсунки р ЗП. Во всех других случаях, когда n > nmini давление р впр > р 3ш так как величины g n я п растут. Поэтому, прессуя форсунку, мы задаемся целью определить только затяг ее

Закономерность падения характеристики 1— 2—3 с уменьшени­ ем частоты вращения от п яом до nminy или от 100 % ре до холостого

77

хода X X (ре = 0), зависит от типа двигателя, передачи мощности на винт и конструктивных особенностей топливной аппаратуры (типа ТНВД, наличия и местоположения рабочих клапанов, вмести­ мости системы нагнетания и т.д.).

Давление впрыскивания на режимах минимальной частоты вра­

Вредких случаях с целью улучшения характеристики /?ВПр~

=/ (я, ре) в области низких частот вращения или нагрузок прибега­ ют к выключению одного ряда ТНВД. Делают это тогда, когда на

один цилиндр работают два насоса, как, например, в дизелях серии Д100 и MAH KSZ105/180. В таком случае в области малых ходов (п2 и ниже на рис. 2.18, б) цикловые подачи второго ряда ТНВД возрастают, характеристика p BUj> в точке 2 отрывается от положе­ ния 1—2— 3 и переходит в положение 4—5. Впрыск в области ре­ жимов л4 — пъ вследствие роста давления /?впр становится более устойчивым, минимальная частота вращения лт1п надежно выдер­ живается .

Характеристика неравномерности подачи. Несмотря на жест­ кие технические условия, при изготовлении топливной аппаратуры не удается достичь полного гидравлического единообразия ее отдельных секций. Это объясняется различной (в пределах допуска) плотностью прецизионных пар ТНВД и форсунки, неодинаковым эффективным сечением распыливающих отверстий, различием ус­ ловий наполнения отдельных секций, вызванных динамикой про­ цесса наполнения, и т. д. Поэтому всегда существует та или иная неравномерность цикловых подач по цилиндрам.

Рис. 2.18. Характеристики давления впрыскивания

78

стики по неравномерности подачи, устанавливают плунжерные па­ ры одной группы плотности, а распылители форсунок — одной группы производительности.

Нетрудно видеть, что с уменьшением параметра п или ре про­ исходит резкое увеличение бц, вызванное различием цикловых по­ дач g n отдельных цилиндров. Происходит как бы саморазрегулирование отдельных секций топливной аппаратуры. Объясняется это тем, что с уменьшением нагрузки двигателя резко падает цик­ ловая порция топлива, поэтому начинает сильно проявляться влияние таких факторов, как различная плотность прецизионных пар ТНВД и форсунки, различие в диаметрах сопловых отверстий распылителей и силе затяга пружин форсунок. Чем меньше цикло­

А/вг по цилиндрам объясняются в первую очередь неравномерно­ стью цикловых подач топлива. Чем слабее соблюдаются требования заводских инструкций к нормам износа (плотности) прецизионных пар ТНВД и форсунки, а также к диаметру сопловых отверстий распылителя, тем труднее выдержать требования ПТЭ к пределам расхождения параметров р и pZf tBr.

79

Закономерность впрыскивания. Рассмотренные регулировоч­ ные и рабочие характеристики топливной аппаратуры позволяют ответить на вопрос, когда и сколько топлива поступает в цилиндр за цикл. Однако этим не исчерпываются сложные закономерности топ­ ливоподачи. Действительно, одну и ту же порцию топлива g n> г/цикл, можно в процессе впрыскивания по-разному распределить

развитию процесса сгорания в цилиндре, поскольку косвенно харак­ теризует закономерность тепловыделения Q$ (ср), кДж/град, за пе­ риод впрыскивания.

Связь величин £ф и имеет важное значение в первую фазу сгорания — период задержки самовоспламенения срь поскольку

фактор динамичности процесса сгорания gyJg^ зависит от количе-

£

ства топлива gф , поданного за период фг*, а именно £ф. = £фф*.

Массу топлива можно рассчитать по известной формуле истече­ ния, г/град,

(2.5)

Для данного двигателя, сорта топлива и режима работы в урав­ нении (2.5) все параметры, кроме /?ф, — постоянны, поэтому, вно­ ся их в постоянную k , получим аналитическое выражение закона подачи

( 2 . 6)

Таким образом, графически закон подачи топлива можно в не­ котором масштабе представить осциллограммой давления топлива в распылителе форсунки рф (ф). Резкий подъем осциллограммы приводит к росту количества топлива gф. и увеличению жесткости

процесса сгорания.

В эксплуатации закон подачи, а значит, и показатели динамично­ сти процесса сгорания могут меняться. Если обратиться к уравне­ нию (2.5), то ясно, что сорт топлива влияет на факторы |лф и рт> износ сопловых отверстий распылителя — на |хфХ/С0, разработка прецизионных пар ТНВД и форсунки, клапанов, просадка и по­ ломка пружин — на Рф. Особенно следует обращать внимание на износ сопловых отверстий форсунки, который может резко изме­ нить закон подачи (тепловыделения), что отразится на показателях рабочего цикла.

Скоростная характеристика. Чтобы уяснить физическую сущ­ ность этой рабочей характеристики топливной аппаратуры, напом­

80