Впервые аккумуляторная система топливоподачи была разработана и прошла испытания в 1894 г. Рудольфом Дизелем на опытном одноцилиндровом двигателе 15/40. Он использовал насос, подающий керосин к двигателю, направив подачу непосредственно к форсунке и обеспечив постоянство давления.
Управление подачей обеспечивалось за счет механического управления иглой форсунки. Но тут же он столкнулся с тем, что при сохранении угловых фаз неизменными, время подачи при снижении оборотов увеличивалось и это приводило не к необходимому снижению, а увеличению подачи. На основе полученного опыта он в своем дневнике записал: «форсунки крайне ненадежны, впрыск не поддается регулировке». В итоге он перешел на компрессорный распыл топлива с использованием сжатого воздуха, подаваемого в форсунку вместе с топливом. Компрессорный распыл продержался до 1923 года, когда был заменен на непосредственный впрыск топлива с помощью ТНВД.
В 1933 г. фирмой Атлас-Империал применительно к использованию в аккумуляторной системе были предложены форсунки с электромагнитным управлением впрыска. Однако с тех пор аккумуляторная система редко применялась. В 1979 г. фирмой МАN для 2-х тактного малооборотного двигателя была разработана и испытана аккумуляторная система топливоподачи с электронным управлением. Были получены хорошие результаты, но рынок еще не был подготовлен к переходу на столь радикальные решения. Двумя десятилетиями позже ситуация с внедрением электронных систем управления топливоподачей резко изменилась и фирмы Катерпиллар, MAN-B&W и ВяртсиляНасосы двигателей Вяртсиля стали активно внедрять электронику в свои 4-х тактные двигатели. В 2000 г. фирмы MAN-B&W и Зульцер вернулись к аккумуляторным системам с электронным управлением 2-х тактных двигателей и испытали их на судах. Позднее фирма MAN-B&W отказалась от аккумуляторной системы и перешла на гидропривод плунжера ТНВД.
Преимущества аккумуляторных систем топливоподачи
Основная задача топливной аппаратуры — подавать в камеру сгорания хорошо распыленное топливо в течение очень короткого промежутка времени. В обычных системах наполнение ТНВД и сжатие в них топлива осуществляется плунжером с приводом от топливного кулачка распредвала, форма которого и скорость вращения определяют закон подачи и величину развиваемого давления. Поскольку форма кулачка фиксирована, то изменение закона подачи с изменением нагрузочного и скоростного режима работы двигателя невозможно. Это исключает возможность оптимального регулирования рабочего процесса и улучшения рабочих характеристик двигателя. Особенно остро стоит вопрос с давлениями впрыска и определяемым ими качеством распыливания топлива, так как давление впрыска падает практически пропорционально снижению скорости вращения топливного кулачка. Падение давления впрыска происходит и при уменьшении подачи топлива.
Читайте также: Форсунки
В аккумуляторных системах давление впрыска может поддерживаться постоянным вне зависимости от перечисленных факторов. Более того регулирование давления впрыска и фаз топливоподачи осуществляется независимо одно от другого. В подтверждение сказанному на рис. 1 вверху показаны кривые давлений впрыска для стандартной системы впрыска и внизу — для аккумуляторной системы.
Как видим, в первом случае при снижении скорости с 750 1/мин до 450 1/мин давление падает со 135 до 70 МПа. При наличии аккумуляторной системы давление не зависит от скорости и может устанавливаться в пределах 90-160 МПа.
Аккумуляторная система фирмы Вяртсиля
Эта система разработана применительно к использованию в 4-х тактных среднеоборотных двигателях, работающих как на дизельных, так и на тяжелых топливах. Она включает следующие элементы (см. рис. 2):
- электронный блок управления;
- ТНВД (по одному на два цилиндра);
- аккумуляторы высокого давления;
- форсунки.
Электронный блок управления
Основные задачи: управлять фазами и количеством подаваемого в цилиндры топлива в соответствии с порядком их работы и устанавливать для каждого режима давление впрыска.
Кроме того, в функции блока входит ряд функций по обеспечению безопасности:
- защита от превышения давления в аккумуляторе;
- мгновенный сброс давления при остановке;
- осуществление периодической циркуляции топлива в системе во избежание его застывания при остановке.
Для выработки управляющих сигналов электронный блок получает информацию от установленных на двигателе датчиков: положения ВМТ и скорости вращения, давления и температуры топлива в аккумуляторе, давления управляющего гидромасла, давления и температуры надувочного воздуха, наличия в системе утечки топлива.
Топливный насос высокого давления
В его задачу входит наполнение аккумулятора топливом и поддержание в нем давления в пределах 90-150 МПа, в каждом случае задаваемого микропроцессором. Простым вариантом было бы установить один насос высокого давления с приводом от вала двигателя и имеющего несколько насосных элементов, как это делается в насосах распределительного типаТопливные насосы распределительного типа. Однако с выходом такого насоса из строя дальнейшая эксплуатация двигателя была бы невозможна.
Поэтому конструкторы пошли по пути установки на каждые 2 цилиндра по одному насосу и связанному с ним аккумулятору. В случае их поломки двигатель сможет продолжать работу на оставшихся цилиндрах. Разумным следует также признать использование в качестве насосного элемента плунжерную пару традиционных ТНВД, давно освоенных в производстве и имеющих высокую надежность. Чтобы не использовать более дорогие пары большого диаметра и обеспечить большую равномерность подачи, привод плунжера осуществлен от распределительного вала, кулачек которого состоит из 2-3 нагнетательных выступов. В итоге за один оборот вала плунжер осуществляет не одну, а четыре подачи, в сумме составляющие одну.
Чтобы избежать излишних затрат мощности на сжатие порции топлива, необходимой для двух цилиндров, подача насоса дозируется управляющим клапаном наполнения. На выходе топлива из насоса установлен невозвратный нагнетательный клапан, исключающий возможное перетекание топлива из аккумулятора в насос.
Форсунка
Управление фазами впрыска в форсунке осуществляется управляющим клапаном, приводимым в действие соленоидом, запитываемым током от микропроцессора. Рассматривались два решения:
- клапан управляет поступлением топлива к игле;
- клапан не контактирует непосредственно с горячим топливом (до 150°), а управляет относительно холодным, сжатым до 10 МПа маслом. Последнее перемещает расположенный в корпусе форсунки золотник, который и открывает доступ топлива к игле. Последний вариант, естественно, более предпочтителен, так как он исключает контакт тяжелого горячего топлива с клапаном и соленоидом, что могло бы отрицательно отразиться на их функционировании.
Кроме того, при контакте с клапаном топлива, сжатого до высоких давлений и движущегося в сечении под ним с большими скоростями, на его посадочных плоскостях образуются кавитационно-эрозионные разрушения. Это подтверждает опыт эксплуатации подобных клапанов в насос-форсункахНасос-форсунки разных приводов двигателей Катерпиллар. Поэтому использование в качестве управляющей жидкости масла, сжатого всего до 10 МПа и поэтому движущегося со значительно меньшими скоростями, должно существенно уменьшить риск эрозионного износа клапана. Использование фирмой последнего решения, несомненно является верным. В дополнение к сказанному, следует также отметить, что в рассматриваемой форсунке топливо, поступающее из аккумулятора под высоким давлением к игле форсунки, попадает лишь в периоды впрыска.
Будет интересно: Регулирование ТНВД SKL – NVD 48 и 36
Этим исключается его возможное подтекание под иглу при ее неплотной посадке. Наличие гидропривода иглы обеспечивает ее четкие и быстрые подъемы и посадки, (скорость достигает 0,5 м/с) без подвпрысков.
Аккумулятор
Аккумулятор, аккумулирующий сжатое насосами топливо и соединенный с форсунками, по своему предназначению должен представлять собой толстостенную трубу, протянутую вдоль двигателя от первого до последнего цилиндра. Но в длинной трубе аккумулятора, равно как и в трубках к форсункам, не исключено образование волн давлений и скоростей, которые могут существенно исказить распределение топлива по цилиндрам и нарушить законы подачи. Этим объясняется, что в рассматриваемой конструкции аккумулятор разделен на самостоятельный части, получающие топливо от отдельного насоса и соединенные только с двумя форсунками. Малый объем и малые скорости потоков исключают пульсацию, а также позволяют повысить жесткость и прочность конструкции.
Аккумуляторная система фирмы MAN-B&W
На рис. 3 представлена аккумуляторная система, разработанная применительно к использованию в 4-х тактных среднеоборотных двигателях, работающих на тяжелых топливах.
Распределительный вал приводит два насоса высокого давления в 6 цилиндровых двигателя и 3 насоса в 7-9 цилиндровых.
Аккумулятор поделен на сообщающиеся между собой секции, каждая из которых обслуживает 2 цилиндра. Давление в них может поддерживаться в пределах от 50 до 160 МПа. Электронный блок (на рисунке не показан) в соответствии с информацией, полученной от датчиков ВМТ и скорости вращения вала, нагрузки и давления наддува, рассчитывает необходимые для данных условий работы двигателя значения давления топлива в аккумуляторе, фазы начала и конца подачи и форму кривой закона подачи. Управление форсунками осуществляется по аналогии с ранее рассмотренной системой Вяртсиля посредством соленоидного и управляющего клапана, установленных на каждой форсунке. Гибкость управления подачей позволяет осуществлять 2-3 фазную подачу (см. рис. 4) при различных значениях давлений впрыска (подробно это было изложено в статье — насос-форсункиНасос-форсунки с гидроприводом с гидроприводом).
Перед пуском холодного двигателя предусмотрена прокачка заранее нагретого топлива через насосы и аккумуляторы и спускной клапан с пневмоприводом, через который топливо поступает обратно в расходную цистерну. В случае ужесточения требований к содержанию NOх в выхлопных газах предусмотрена возможность работать на водотопливной эмульсии. В целях безопасности все трубы и аккумуляторы имеют двойные стенки и датчики утечки. Во избежание непрерывного впрыска топлива в камеру сгорания в случае повреждения соленоидного клапана в топливопровод каждого цилиндра встроен клапан ограничения потока.
Для исключения чрезмерно высоких давлений в аккумуляторе установлен предохранительный клапан и клапан быстрого сброса давления при аварийной остановке двигателя. Исследования на двигателе 6L32/40 CR подтвердили высокую надежность системы аккумуляторного впрыска, особенно хорошие результаты были получены по показателям эмиссии выхлопных газов как на установившихся, так и на переходных режимах. По величине удельного расхода топлива различия между работой со стандартной системой топливоподачиНазначение, классификация, схемы работы систем топливоподачи в судовых дизелях и аккумуляторной на режимах от 100 до 50 % нагрузки практически не отмечалось, но на нагрузке в 10 % удельный расход топлива был на 7 % ниже. По планам фирмы аккумуляторная система внедрена также на двигателях 48/60 В и 21/31.
