2. Конструктивные схемы топливных систем высокого давления

В зависимости, от конструктивной схемы топливные системы вы­сокого давления судовых дизелей разделяют на 2 группы (рис 2) систе­мы непосредственного действия и аккумуляторные. В системах непо­средственного действия подача топлива насосом высокого давления к форсунке и его впрыскивание форсункой в рабочий цилиндр дизеля происходит во время нагнетательного хода плунжера ТНВД. В аккумулятор­ных системах впрыскивание топлива осуществляется за счет энергии топлива, аккумулированной до начала впрыскивания в специальном аккумуляторе.

Рис. 2. Классификационная схема топливных систем высокого давления судовых дизелей

Топливные системы непосредственного действия делят на 2 типа:

разделенные и неразделенные. В первом случае ТНВД и форсунка соеди­нены между собой топливопроводом высокого давления (см.рис. 1), а во втором они объединены в общем корпусе и система названа насос-форсункой. В судовых дизелях наибольшее распространение получили топливные системы разделенного типа, а насос-форсунки, несмотря на их большую компактность, меньшие габаритные размеры и массу, от­сутствие подвпрыскивания топлива, используются редко. Это обусловле­но трудностями размещения их в крышках цилиндров, сложностью при­вода который, как правило, мешает демонтажу крышек цилиндров, а также необходимостью разборки всей насос-форсунки с последующей ее регулировкой при смене распылителя. Последнее в эксплуатации случа­ется очень часто, а поэтому обслуживание насос-форсунок более трудоемко по сравнению с обслуживанием разделенных топливных сис­тем высокого давления.

Разделенные топливные системы высокого давления иногда вы­полняются разветвленного типа, например: 1 насос подает топливо в не­сколько форсунок или 2 насоса подают топливо к одной форсунке.

Топливные насосы высокого давления в судовых дизелях, особен­но в малооборотных (МОД) и среднеоборотных (СОД), обычно выпол­няют автономными для каждого цилиндра. Но встречаются, главным об­разом в высокооборотных дизелях (ВОД), и блочные насосы, в кото­рых секции (плунжерные пары, состоящие из плунжера и его втулки) размещают в общем блоке. Размещение этих секций бывает рядное и V-образное.

Топливные насосы разделяют на золотниковые и клапанные. В первых дозирование осуществляется плунжерами-золотниками, а во вто­рых — специальными клапанами с механическим приводом от толкате­лей, связанных с плунжером. В клапанных насосах более простая плун­жерная пара, но они сложнее по конструкции, имеют много движущихся деталей и очень чувствительны к износам посадочных поясков в седлах всасывающего и отсечного клапанов, толкателей и рычагов, что влияет на процесс впрыскивания топлива и приводит к возрастанию неравно­мерности подачи топлива по цилиндрам дизеля. Золотниковые насосы проще по конструкции и в эксплуатации, чем и объясняется их широ­кое распространение. Серьезным недостатком золотниковых насосов является более быстрый износ плунжера в золотниковой части.

Топливные насосы высокого давления в настоящее время, как правило, имеют механический привод, т.е. плунжер с толкателем приво­дится в движение от. кулачковой шайбы, размещенной на распредели­тельном валу двигателя или на валике ТНВД. Механический привод обес­печивает надежную работу ТНВД, но при высоких давлениях топлива и ударном характере нагрузки привод топливных насосов во многих ди­зелях (особенно в МОД) получается громоздким. Поэтому много лет ведутся научно-исследовательские и конструкторские работы по заме­не механического привода газовым, гидравлическим, пружинным или пневматическим.

При газовом приводе плунжер приводится в движение специаль­ным поршнем, на который воздействуют газы, поступающие из рабочего цилиндра дизеля. Этот привод получил сравнительно широкое распрост­ранение на компрессорных дизелях после их конвертации с компрес­сорного распыливания топлива на бескомпрессорное, так как компрес­сорные двухтактные дизели с контурными продувками не имели распре­делительных валов. Однако во время многолетней эксплуатации была установлена малая надежность газового привода, так как поршень привода работает в очень тяжелых температурных условиях. Кроме того, при газовом приводе не удается обеспечить заданный закон перемещения плунжера, а поэтому практически исключается оптимизация процесса впрыскивания топлива. В связи с этим газовый привод на вновь строя­щихся дизелях не используют.

Гидравлический привод ТНВД позволяет существенно снизить на­грузку на привод, но пока не найдено такое конструктивное решение, при котором в длительной эксплуатации возможно обеспечить заданный закон перемещения плунжера независимо от условий работы привода. Пружинный и пневматический приводы ТНВД в судовых дизелях в нас­тоящее время не встречаются, и мало вероятно, что они найдут примене­ние в судовых дизелях.

Аккумуляторные топливные системы судовых дизелей выполня­ют только с гидравлическим аккумулированием. При этом топливо по­дается насосом высокого давления в аккумулятор или большой емкости для нескольких впрысков топлива в рабочие цилиндры дизеля, или ма­лой емкости, предназначенный для одного впрыска. Такие топливные системы обеспечивают качественное распыливание топлива на всех режи­мах работы дизеля, но они сложнее систем непосредственного действия, недостаточно надежны в работе (часто выходят из строя клапаны доза­торов) , не обеспечивают сверхвысокого давления впрыскивания и высо­кого отношения цикловых подач на номинальном режиме и режиме наи­меньшей нагрузки дизеля. По этой причине аккумуляторные системы все реже и реже стали применять в судовых дизелях. Однако аккуму­ляторная система оказалась перспективной при использовании форсунок с электрогидравлическим управлением.

Форсунки судовых дизелей строят только закрытого типа, т.е. форсунки имеют иглу, выполняющую роль клапана. После окончания впрыскивания топлива игла форсунки, нагруженная сверху пружиной или давлением гидрозапорной жидкости, опускается на седло, тем са­мым исключая подтекание топлива в рабочий цилиндр.

В судовых дизелях запирание иглы, как правило, выполняют пру­жинным. Однако в 50—60-е годы широкое распространение получили гидрозапорные форсунки, в которых закрытие иглы осуществляется жидкостью (топливом, маслом или их смесью), которая подается в по­лость над иглой специальным насосом высокого давления. Но гидроза­порные форсунки не оправдали себя [5], и дизельные заводы отказа­лись от них.

Рассмотрим принципы работы основных схем топливных систем высокого давления, получивших наибольшее распространение в судовых дизелях.

Рис. 3. Схема топливной системы с золотни­ковым ТНВД и закрытой форсункой

На рис. 3 показана схема системы непосредственного действия разделенного типа, состоящая из золотникового топливного насоса с механическим приводом и закрытой форсунки с пружинным запира­нием иглы. Кулачковая шайба 1, размещенная на распределительном ва­лу 2, при набегании на ролик 3 толкателя поднимает плунжер 4. После закрытия плунжером наполнительных отверстий 9 во втулке 7 плунже­ра начинается сжатие топлива в надплунжерном пространстве 10 с интен­сивным ростом давления. Когда это давление на нагнетательный клапан 11 пересилит усилие пружины 12 и давление топлива в штуцере насоса, равное остаточному давлению в нагнетательной магистрали, клапан под­нимется, и топливо вначале поступит в штуцер, а затем в топливопривод высокого давления 13.

Во входном сечении топливопровода образуется волна повышен­ного давления, распространяющаяся по топливопроводу со скоростью, 9 близкой к звуковой. После прихода этой волны к карману 17 корпуса 16 распылителя форсунки начинается повышение давления топлива в этом кармане, так как топливо из трубопровода 13 и канала 19 в корпу­се форсунки втекает в распылитель. Когда усилие, создаваемое давлени­ем топлива на дифференциальную площадку иглы 15, пересилит усилие пружины 14, игла поднимется и начнется впрыскивание топлива через распыливающие отверстия 18.

Подача топлива насосом продолжается до тех пор, пока не начнут открываться отсечные отверстия 8 (кромкой а), после чего давление топлива в надплунжерном пространстве быстро снижается, что в конеч­ном счете приводит к закрытию клапана 11. В связи с продолжающимся истечением топлива через распыливающие отверстия давление в кармане распылителя падает, и наступает момент, когда пружина 14 в состоянии опустить иглу на седло, после чего впрыскивание топлива прекращает­ся.

Контакт ролика толкателя с кулачковой шайбой обеспечивается пружиной 5, а поворот плунжера, необходимый для изменения подачи топлива, осуществляется поворотной втулкой 6 с зубчатым венцом, ко­торый входит в зацепление с зубцами рейки насоса. Поворот этой втул­ки происходит при линейном перемещении рейки, связанной или с регу­лятором двигателя, или с рукояткой его поста управления.

При рассмотрении принципа действия топливного насоса начало и конец подачи приняты соответствующими моментами закрытия на­полнительных и открытия отсечных отверстий. Эти фазы топливоподачи называют геометрическими. В действительности подача топлива насосом может быть раньше или позднее геометрического начала нагнета­ния. Если объем, описанный плунжером при подъеме за какой-то проме­жуток времени, будет больше объема топлива, вытекшего за тот же про­межуток времени через наполнительные отверстия, то давление топлива начнет подниматься раньше, чем плунжер успеет перекрыть эти отвер­стия. В зависимости от интенсивности роста давления топлива в надплун­жерном пространстве в период закрытия наполнительных отверстий на­чало подъема иглы, т.е. момент начала впрыскивания топлива, может быть раньше или позднее геометрического начала нагнетания топлива на­сосом.

Обычно и окончание впрыскивания, определяемое моментом по­садки иглы, также не совпадает с геометрическим концом нагнетания, т.е. моментом отсечки подачи. Это несовпадение заключается в том, что в начале отсечки (из-за дроссельного эффекта в отсечных отверсти­ях) еще некоторое время продолжается подача топлива насосом в топливопровод высокого давления и, кроме того, в момент отсечки дав­ление топлива в распылителе существенно выше давления, при кото­ром начинается посадка иглы.

В клапанном насосе (рис. 4) нагнетание топлива начинается пос­ле посадки всасывающего клапана на седло, что происходит вследствие опускания толкателя 10 на величину 5 при подъеме плунжера 3. Отсечка подачи произойдет в момент, когда толкатель 15 поднимется на величи­ну 6i и откроет отсечный клапан 6. В остальном принцип действия кла­панного насоса такой же, как и золотникового. Изменение подачи топлива осуществляется путем изменения зазоров 6 и 51, зависящих от положе­ния эксцентрикового вала 13, который связан или с регулятором дизе­ля, или с рукояткой его пульта управления.

	Рис. 4. Схема клапанного насоса: 1 - кулач­ковая шайба; 2 — ролик толкателя; 3 -плунжер; 4 - пружина плунжера; 5 - на­гнетательный клапан; 6 - отсечный клапан; 7 - полость отсечки; 8 - всасывающий клапан; 9 - всасывающая полость; 10,15 -толкатели; 11,14 — регулировочные болты; 12 — рычаг; 13 — эксцентриковый вал

Схемы аккумуляторных топливных систем высокого давления приведены на рис. 5, при этом схема а соответствует системе с аккуму­лятором 2 малой емкости, а схема б—с аккумулятором 6 большой ем­кости. В первом случае для каждого цилиндра система автономна (на­пример, в дизелях фирмы "Доксфорд"), а во втором - общая для всего двигателя (например, в дизелях фирмы "Купер Бессемер").

В схеме а насос высокого давления 1 нагнетает топливо в аккуму­лятор 2, из которого оно поступает к форсунке 4 в момент открытия

Рис. 5. Схемы аккумуляторных систем

клапана дозирующего устройства 3. В схеме б насос высокого давления 1 подает топливо в аккумулятор б, из которого оно по топливопроводам высокого давления 5 идет к форсункам 4 соответствующих цилинд­ров в моменты, когда открыты клапаны дозирующих устройств 3. До­зирующие устройства предусмотрены для каждого цилиндра, и их клапа­ны приводятся в движение кулачковыми шайбами, размещенными на распределительном валу дизеля.