Опливная система и аппаратура назначение и схемы топливных систем дизеля

На топливную систему возлагаются задачи: очищать топливо от механических примесей, подавать (впрыскивать) его в цилиндры в нужный момент в мелкораспыленном виде и обеспечивать распределение впрыснутого горючего по всему объему камеры сгорания для лучшего перемешивания с воздухом, а также отмеривать (регулировать) количество топлива, вводимого в цилиндры. Только при исправной топливной аппаратуре дизель работает экономично, устойчиво, без перебоев и развивает необходимую мощность. Основные элементы топливной аппаратуры — насосы высокого давления, форсунки, фильтры, нагнетательные трубопроводы — вместе с топливным баком и подкачивающим насосом образуют топливную систему. Знакомство с топливной аппаратурой начнем с рассмотрения схемы топливной системы (рис. 71).

Рис.71. Схема топливной системы дизеля

Посмотрим, как осуществляется подача топлива в цилиндры. Топливо из бака подается к топливному насосу высокого давления вспомогательным шестеренным насосом. По пути из бака оно очищается в двух фильтрах: предварительной (грубой) очистки и более тщательной (тонкой) очистки. Удаление мельчайших твердых частиц, разными путями попавших в топливо, уменьшает износ и, следовательно, увеличивает срок службы высокоточных (прецизионных) деталей насоса и форсунки. Топливный насос высокого давления приводится в действие кулачком кулачкового вала, соединенного зубчатой передачей с коленчатым валом дизеля. В четырехтактном дизеле кулачковый вал топливных   насосов  так же, как и распределительный вал газораспределения, вращается вдвое медленнее коленчатого вала, в двухтактном — с той же скоростью. При набегании выступа кулачка на плунжер насоса он (плунжер), перемещаясь, выталкивает топливо по нагнетательной трубке к форсунке, из которой оно под давлением в несколько сотен атмосфер впрыскивается в камеру сгорания дизеля. От топливного насоса и форсунки, как видно из схемы, отходят трубки, по которым сливается в бак топливо, просочившееся через зазоры между деталями. Шестеренным насосом топлива подается больше, чем впрыскивается в цилиндр. Избыток топлива также по трубопроводу сливается в топливный бак. Запас топлива в баке по мере его расходования обычно через 1000 км пробега тепловоза периодически пополняется, когда тепловоз находится в пунктах экипировки. Вместимость топливного бака мощных магистральных тепловозов доходит до 5000— 6000 л. Прежде чем перейти к описанию топливного насоса и форсунки, выясним, для чего нужно распыливать топливо при впрыске в цилиндры.

Распыливание топлива

Распыливание представляет процесс раздробления на мельчайшие частицы порции топлива, впрыскиваемого в цилиндр форсункой. При распыливании топлива общая поверхность его, соприкасающаяся с воздухом, резко возрастает. Для примера возьмем каплю дизельного топлива диаметром 0,35 мм и раздробим ее так, чтобы из нее образовались мельчайшие капельки диаметром 0,01 мм. Число капелек составит примерно 43 000. Допустим, что все капельки имеют форму шара. Определим поверхность одной капли диаметром 0,35 мм. Геометрия учит, что для определения полной поверхности шара нужно величину его диаметра возвести в квадрат и умножить на число 3,14 (число пи). Следовательно, поверхность капли, имеющей диаметр 0,35 мм, будет равна 0,352 х З,14 = 0,122 х З,14 = 0,382 мм2, а поверхность маленькой капельки с диаметром 0,01 мм составит 0,012 х З,14 = 0,0001 X 3,14 =  0,000314 мм2. Поверхность же всех 43 000 капелек диаметром 0,01 мм будет равна 43 000 х 0,000314 = 43 х0 ,314 = 13,50  мм2, в то время как поверхность одной капли диаметром 0,35 мм равна только 0,382 мм2. Это значит, что при дроблении капель диаметром 0,35 мм общая поверхность их резко возрастает. В нашем случае образование капелек диаметром 0,01 мм из капли диаметром 0,35 мм сопровождается возрастанием общей поверхности более чем в 35 раз. Чем меньше диаметр капель топлива, тем быстрее они нагреваются, лучше смешиваются с кислородом горячего воздуха, а это улучшает их сгорание. Но очень маленькая капля будет иметь небольшую кинетическую энергию. Это затруднит забрасывание частиц топлива в удаленные от форсунки участки пространства цилиндра. Поэтому наиболее выгодная степень распыленности топлива определяется для каждого типа дизеля. В цилиндр тепловозного дизеля в зависимости от развиваемой мощности, числа цилиндров и частоты вращения коленчатого вала за один цикл впрыскивается от 0,07 до 1,0 г топлива. Струя топлива, впрыскиваемого в цилиндр дизеля, распадается на миллиарды капель, превращаясь в пылеобразное облачко. В обычных условиях (при малых давлениях и в неограниченный промежуток времени) осуществить распыливание жидкости не так уж сложно, примером чего может служить обыкновенный пульверизатор. Но в условиях дизеля задача осложняется тем, что распыливание нужно осуществить в плотную среду сжатого воздуха за тысячные доли секунды (0,002—0,008 с), которые отведены для этого. Начало и конец распыливания должны быть резкими, четкими, иначе топливо будет выходить из отверстий форсунки с малой скоростью (подтекать). В этом случае топливо плохо сгорает и превращается в нагар, который будет оседать вокруг распыливающих отверстий форсунки. Образовавшийся нагар, постепенно нарастая, затруднит впрыскивание топлива и его перемешивание с воздухом, что неизбежно приведет к ухудшению работы дизеля и увеличению расхода горючего. Что же нужно сделать, чтобы хорошо распылить топливо за весьма короткий промежуток времени? Надо топливо подавать через форсунки под высоким давлением 19,6— 117 МПа (200—1200 кгс/см2). Благодаря такому давлению скорость истечения топлива через распыливающие отверстия возрастает и процесс впрыска происходит в очень короткий промежуток времени. Скорость струи топлива, выходящей из форсунки, достигает 250—350 м/с. Для сравнения напомним, что скорость звука 330 м/с. Большая скорость способствует дроблению струи в камере сгорания и увеличивает дальность полета отдельных частиц топлива («дальнобойность» струи), которые движутся в плотной среде сжатого воздуха и должны распределиться по всему объему камеры. Давление впрыска рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить необходимую «дальнобойность» струи, но при этом топливо не должно попадать на стенки цилиндра, чтобы не охлаждать их. Таким образом, насосы, подающие топливо в цилиндры дизеля, должны создавать высокое давление.