Категории сайта

Процессы топливоподачи в СДВС

Система низкого и высокого давления дизеля судна включает в себя такие составляющие, как: трубопроводы, насосы для перекачки топлива, подогреватели вязкого топлива, сепараторы и фильтры, и т. п. в зависимости от комплектации.

Топливная система дизельной силовой установки включает в себя системы низкого и высокого давления. Принципиальная схема системы дана на рис. 1.

Назначение, классификация, схемы работы систем топливоподачи в судовых дизелях

Система подачи топлива низкого давления предназначена для подготовки и подачи топлива от расходной цистерны к топливным насосам высокого давления (ТНВД), при использовании тяжелого топлива – поддержания системы впрыска в рабочем состоянии за счет рециркуляции тяжелого топлива.

Схема системы топливоподачи
Рис. 1 Схема системы топливоподачи.
1 – расходная цистерна тяжелого и 2 – легкого топлива; 3 – расходомер; 4 – фильтры; 5 – топливоподкачивающие насосы; 6 – подогреватель; 7 – фильтры тонкой очистки; 8 – дизель; 9 – регулятор вязкости; 10 – ТНВД; 11 – форсуночный трубопровод; 12 – форсунка

Обычно в систему низкого давления входят расходные цистерны тяжелого 1 и легкого 2 топлива, расходомер 3, фильтры тонкой очистки 7, регулятор вязкости 9, трубопроводы с паровыми спутниками.

В системе низкого давления поддерживается давление на уровне 7-9 бар. Вязкость тяжелого топлива поддерживается автоматически в пределах 12-14 (но не выше 18-19) cSt, для чего топливо подогревается до максимальной температуры 135-145 °C. Обеспечена постоянная прокачка горячего топлива через систему высокого давления (ТНВД 10, форсуночный трубопровод 11 и форсунку 12) с его возвратом на всасывание к топливоподкачивающему насосу.

В схеме главного дизеля подкачивающие насосы чаще – винтовые, реже – шестеренчатого типа. Схема системы на конкретном судне может отличаться т приведенной на рисунке – вместо одного подкачивающего насоса в системе может быть два (подкачивающий и циркуляционный), подогревателей топлива чаще всего предусмотрено два. В оговоренных случаях дизель может работать на легком или тяжелом топливе.

Конструкция системы в первую очередь определяется типом используемого топлива. Если используется только дизельное топливо – система значительно проще, в предельном случае может включать в себя быстрозапорный клапан на расходной цистерне, трубку подвода топлива и топливный фильтр, поступление топлива к ТНВД – самотеком.

Такие схемы питания вспомогательных дизелей встречались на старых судах. На современных судах вспомогательные дизели работают на тяжелом топливе, схема системы подачи топлива аналогична схеме главного дизеля. Все дизели, работающие на тяжелом топливе, могут быть переведены на работу на дизельном топливе. Некоторые производители требуют перевода двигателей на легкое топливо при их запуске или остановке. Однако современная эксплуатация силовых установок практикует работу главных и вспомогательных дизелей на всех режимах, в том числе при пусках и остановках, только на тяжелом топливе.

Топливная система высокого давления (иначе — “система впрыска”) предназначена для:

  1. Дозирования единичной (цикловой) подачи в соответствии с нагрузкой;
  2. Своевременной подачи этой дозы;
  3. Качественного распыливания топлива в рабочем цилиндре.

Работа системы впрыска значительно определяет все энерго-экономические показатели индикаторного процесса.

В судовых дизелях применяются различные системы впрыска как по принципу действия, так и по конструктивному исполнению элементов. Их можно разбить на 2 группы: системы непосредственного впрыска и аккумуляторные системы (иногда называемые системами “косвенного” впрыска).

В общем случае система непосредственного впрыска состоит из топливного насоса высокого давления (ТНВД) 1, форсуночного трубопровода 2 и форсунки 3 (рис. 2). Подача топлива в цилиндр осуществляется за счет нагнетательного хода плунжера топливного насоса.

Схема топливной системы высокого давления
Рис. 2 Схема топливной системы высокого давления непосредственного впрыска.
1 — ТНВД; 2 — форсуночная трубка; 3 — форсунка

Эти системы можно классифицировать:

Схема ТНВД
Рис. 3 Топливный насос высокого давления клапанного типа
Плунжеры ТНВД
Рис. 4 Плунжеры ТНВД с регулированием по началу (а), по концу подачи (б), и со смешанным регулированием (в)
Распылители в ТНВД
Рис. 5 Распылители штифтового (а) и начального (б) типа

Аккумуляторные топливные системыПроцесс топливоподачи осуществляют впрыск топлива за счет предварительно аккумулированной энергии (рис. 6). Обладают рядом достоинств: возможностью обеспечения примерно постоянного давления впрыска, качественного распыливания на всех режимах эксплуатации, отсутствием значительных усилий в ТНВД (вместо ТНВД с большим диаметром плунжера можно использовать маленький насос с повышенной частотой вращения по сравнению с частотой вращения коленчатого вала).

Схема судовой топливной системы
Рис. 6 Схема аккумуляторной топливной системы

Однако аккумуляторные системы показали меньшую надежность в эксплуатации по сравнению с системами непосредственного впрыска. Их можно классифицировать:

  1. По способу аккумулирования энергии — с гидравлическим, механическим (за счет сжатия пружины) и пневматическим аккумулированием;
  2. По количеству аккумулированной энергии — с аккумуляторами большой емкости (многократных впрысков) и малой емкости (единичных подач);
  3. По конструкции дозатора – с механически или электроно управляемым дозатором.

Практическое применение в судовых ДВС имели аккумуляторные системы с гидравлическим аккумулированием в баллоне большой емкости с механическими дозаторами клапанного типа (двигатели Доксфорд на судах Арктического пароходства). В аккумуляторах большой емкости поддерживается примерно постоянное давление, что позволяет уменьшить время топливоподачи, повысить экономичность двигателя. Схема системы приведена на рис. 6. Основными ее узлами являются: ТНВД 1, аккумулятор 2, дозатор 3 и форсунка 4.

Наибольшее распространение на судах получили ДВС с разделенными топливными системами непосредственного впрыска; ТНВД — индивидуальные как золотникового, так и клапанного типа (первые — чаще). Предпочтение отдается регулированию по концу подачи. ТНВД современных двигателей оснащаются устройствами для изменения угла опережения впрыска в зависимости от режима работы. Форсунки — закрытого типа, гидравлически управляемые, игольчатые, с механическим запиранием, в большинстве случаев охлаждаемые.

Параметры топливоподачи и факторы, их определяющие

В общем случае топливоподающая система дизеля представляет собой сложную гидродинамическую систему. Гидродинамика определяется периодичностью (импульсностью) подачи топлива, наличием форсуночного трубопровода, в котором развиваются волновые явления, наличием таких источников возмущений, как нагнетательный клапан и игла форсунки. Примерный вид осциллограммы топливоподачи дан на рис. 7.

Осциллограмма топливоподачи в ТНВД
Рис. 7 Осциллограмма топливоподачи в двигателе 8RND90 т/х “Маршал Захаров”

Давление у насоса Pн(τ) снимается с помощью датчика давления, установленного на входе в форсуночный трубопровод; давление у форсунки Pф(τ) — с помощью датчика на входе в форсунку. Подъем иглы форсунки hи(τ) и отметка ВМТ, как правило, замеряются с помощью датчиков индуктивного типа.

Для оценки характера топливоподачи, его влияния на показатели распыливания топлива и индикаторный процесс в цилиндре, оценки механической напряженности топливной аппаратуры используются параметры: максимальное и среднее давление у насоса и форсунки (Pнср, Pнмах, Pфср, Pфмах), давление “затяга” иглы форсунки Pфи, углы опережения подачи топлива по насосу и по форсунке (φнпн, φнпф), действительный угол опережения подачи топлива в цилиндр дизеля φнп, моменты конца подачи по насосу φипф и по форсунке φип, продолжительность впрыска φф, цикловая подача qц, закон (или характеристика) впрыска q(τ), коэффициент подачи ηп.

Максимальное давление в системе Pнмах и Pфмах определяет динамические напряжения в насосе, форсуночном трубопроводе, форсунке, в приводе насоса и является исходным при расчете прочности элементов топливной системы. В то же время, максимальное давление у форсунки совместно со средним давлением Pфср является косвенным показателем, характеризующим параметры распыливания (дальнобойность и угол конуса факела, дисперсность и однородность распыливания). Параметры распыливания на начальной и конечной фазах косвенно характеризуются давлением затяга Pфи и посадки P′фи иглы форсунки.

Следует сделать замечание, что давление посадки иглы P′фи меньше давления подъема иглы Pфи. Когда игла сидит в седле, то давление топлива действует только на дифференциальную площадку (рис. 8, а); при поднятой игле давление топлива действует и на запорный конус (рис. 8, б). Следовательно, при большей площади для преодоления того же усилия затяга пружины форсунки требуется меньшее давление: P′фи < Pфи.

Давление в ТНВД
Рис. 8 Действие давления топлива на иглу форсунки при ее подъеме (а) и при посадке (б) на седло

Достоинство косвенных показателей при анализе процесса распыливания — возможность их определения сравнительно простым путем (по данным осциллографирования топливоподачи).

Закон впрыска q(τ), включающий в себя параметры — цикловую подачу qц и продолжительность впрыска φф, — совместно с углом опережения подачи топлива φнп определяет динамику индикаторного процесса (величины Pz и ΔP/Δφ), а также экономичность цикла. Подробно об этом говорилось при анализе процесса сгорания.

При специальных испытаниях закон впрыска q(τ) может быть описан осциллограммой давления в специальной емкости, куда производится впрыск топлива. При наличии осциллограммы топливоподачи закон впрыска может быть считан с помощью уравнения расхода топлива через распылитель.

Коэффициент подачи равен отношению действительной и “геометрической” цикловой подачи:

ηп = gц / gцг = gц / fплhаγт,          Форм. 1

где:

Коэффициент подачи характеризует в какой-то степени экономичность собственно системы впрыска и характер изменения показателей индикаторного процесса при изменении режима работы двигателя. Коэффициент ηп зависит от конструкции топливной аппаратуры и режима ее работы. Влияние этих факторов на значение ηп рассматривается в статье ТНВД золотникового типа с регулированием по концу подачи топлива“ТНВД золотникового типа”.

Такие параметры топливоподачи, как угол опережения подачи по насосу φнпн (иначе — геометрический угол опережения подачи), продолжительность впрыска φф, цикловая подача gц, давления затяга иглы форсунки Pфи являются основными “рычагами” управления индикаторным процессом и обеспечения потребной мощности дизеля в условиях эксплуатации. Цикловая подача и соответственно мощность цилиндра регулируются изменением активного хода плунжера hа.

Угол опережения подачи по форсунке φнпф зависит от угла φнпн и времени прохождения волны давления от насоса к форсунке.

Если обозначить:

– то время прохождения волны от насоса к форсунке Δτ определится равенством: Δτ = lтр/a.

Этому времени соответствует угол поворота коленчатого вала:

φ = φнпн  φнпф = 6n τ = 6nlтр/a.        Форм. 2

Обычно в судовых ДВС a = 1 100-1 300 м/сек. При lтр = 12,3 м (двигатель 909S Фиат), Δτ = 9,5 · 10-3 сек, Δφ = 7° пкв. В двигателях RDN-76 фирмы Зульцер длина форсуночного трубопровода равна lтр = 7,6 м, n = 119 об/мин, Δτ = 5,5 · 10-3 сек, Δφ = 4° пкв. Как видно, запаздывание начала подачи по форсунке существенно отличается от геометрического начала подачи, что должно быть учтено при регулировке ТНВД.

Действительный угол начала подачи φнп определяется величиной φнпф, давлением затяга иглы Pфи и характером изменения давления Pф(τ) — чем резче нарастание давления у форсунки, тем быстрее будет достигнута величина Pфи и раньше начнется впрыск.

Характер изменения давления у насоса, у форсунки и соответственно закон впрыска определяются конструктивными показателями топливной аппаратуры, скоростным режимом двигателя и физическими параметрами топлива (плотностью и вязкостью). К основным конструктивным показателям относятся:

Если не учитывать сжимаемость топлива, то в соответствии с формулой сплошности можно написать для полости нагнетания насоса:

fпл·Cпл = fтр·Cтр,         Форм. 3

где:

Импульс давления Pно, создаваемый плунжером в начале форсуночного трубопровода, связан со скоростью движения топлива в трубопроводе Cтр зависимостью:

Pно = Cтр·aρ,          Форм. 4

где:

Связь давления и скорости в гидродинамической системе аналогична закону Ома для участка электрической цепи: U = I·R. Аналогом давления служит напряжение U, скорости топлива — ток I; удельного волнового сопротивления W — электрическое сопротивление R.

Поскольку давление у насоса при наличии нагнетательного клапана в начале форсуночного трубопровода складывается из давления импульса Pно и остаточного давления в форсуночном трубопроводе Pо, то в общем случае можно записать такую зависимость для давления у насоса (с учетом формулы 3)):

Pн = Cтр·aρ + P0 = fплCплfтр·aρ + P0 = dплdтр2·Cпл·aρ + P0,          Форм. 5

где:

Приведенная формула не учитывает сжимаемость топлива и влияние подошедшей к насосу отраженной от форсунки волны давления, однако позволяет оценить влияние основных конструктивных факторов ТНВД и форсуночного трубопровода, а также физических параметров топлива и скоростного режима на давление в системе.

Как видно из формулы 5:

Cпл = dhпл / dτ = dhпл / dφ/6n = 6n dhпл / dφ.       Форм. 6

Следовательно, при прочих равных условиях давление в системе пропорционально частоте вращения коленчатого вала n.

Конструкция нагнетательного клапана находит свое выражение в величине P0. Основное назначение нагнетательного клапана — обеспечить остаточное давление в форсуночном трубопроводе P0 и тем самым повысить среднее давление впрыска по сравнению с давлением импульса, создаваемого движением плунжера. При отсутствии нагнетательного клапана (малооборотные двигатели Бурмейстер и Вайн) остаточное давление равно нулю: P0 = 0.

Влияние длины форсуночного трубопровода и вязкости топлива в нрмальных условиях эксплуатации проявляется через уменьшение амплитуды волны давления при прохождении по форсуночному трубопроводу:

Pфо = Pно·e βlтр;         Форм. 7

где:

Коэффициент затухания возрастает с увеличением вязкости топлива. Чем больше β и длина трубопровода lтр, тем больше потери давления в трубопроводе при прохождении волны от насоса к форсунке.

Зависимость параметров топливоподачи от конструкции распылителя проявляется через отраженную волну давления. Так, если представить крайний случай — все сопловые отверстия распылителя засорены, форсуночный трубопровод фактически заглушен на конце, — то имеет место быть “гидравлический удар”, прямая волна давления полностью отразится у форсунки, а суммарное давление у форсунки будет равно удвоенной амплитуде прямой волны: Pф = 2Pфо.

При подходе этой отраженной волны к насосу она отразится вторично, вызовет соответствующее возрастание давления у насоса и т. д. Теоретически давление в системе будет возрастать до бесконечности, практически — до срабатывания предохранительного клапана на ТНВД или до разрыва форсуночного трубопровода.

Предположим, что проходное сечение распылителя (количество и диаметр сопловых отверстий) будет постепенно увеличиваться от заглушенного состояния. Очевидно, что при этом амплитуда отраженной волны у форсунки будет уменьшаться по сравнению с заглушенным трубопроводом. Наконец, при вполне определенном количестве и диаметре сопловых отверстий наступит режим, при котором отраженная волна у форсунки будет отсутствовать, а давление Pф будет меньше давления Pн лишь на величину потерь при прохождении волны по форсуночному трубопроводу.

Такие условия работы топливной системыПроцесс топливоподачи являются оптимальными; дизелестроители стремятся обеспечить такие условия работы рациональным выбором числа и диаметра сопловых отверстий.

Если продолжить увеличение проходных сечений распылителя далее, то в системе появится так называемая “отрицательная” отраженная волна — давление у форсунки снижается по сравнению с амплитудой прямой волны, в конце топливоподачиПроцесс топливоподачи появляется “разрыв сплошности” потока, топливо вытекает из распылителя. В распылитель проникают горячие газы, он перегревается.

При этом закоксовываются сопловые отверстия, может зависнуть игла форсунки, ухудшается распыливание топлива, перегревается поршень цилиндра. По указанной причине фирменные инструкции по эксплуатации ДВС требуют замены распылителей при разработке сопловых отверстий более, чем на 10 %.

Обычно для судовых дизелей параметры топливоподачи имеют значения:

Ход работы плунжера ТНВД
Рис. 9 Характер изменения хода h и скорости C плунжера у малооборотных (а) и высокооборотных (б) дизелей

Максимальный диаметр плунжера достигает 40-65 мм, ход плунжера — 50-80 мм. Максимальные цикловые подачи достигают значений gц = 180-210 г/цикл в таких двигателях, как RND-105, К98 FF. Угол опережения подачи топлива φнпн = 6-30° пкв (с тем, чтобы обеспечить действительный угол опережения подачи в цилиндр φнп = 1-8° пкв).

У длинноходовых моделей малооборотных двигателей с системой автоматического регулирования угла опережения подачи (системой VIT) на режимах нагрузки до 65 % угол опережения подачи устанавливается в ВМТ или даже несколько позже ВМТ. На режиме 85-90 % нагрузки угол опережения автоматически увеличивается до 1-5° пкв до ВМТ. Давление затяга иглы форсунки обычно составляет Pфи = 200-320 бар (максимальное значение у двигателей Фиат серии “S”: Pфи = 400 бар).

Расчет процесса топливоподачи

Наиболее достоверные данные о параметрах топливоподачи могут быть получены путем осциллографирования процессов в топливной аппаратуре. В случае невозможности экспериментальных исследований оценка величины параметров может быть дана на основе расчетов топливоподачи одним из теоретических методов. Различают критериальные, статические и гидродинамические методы расчета.

В основе критериальных методов лежит требование обеспечения подобия двух систем. Подобие обеспечивается выбором таких конструктивных параметров системы, которые давали бы одинаковые критерии подобия. Тогда оценка параметров топливоподачиПроцесс топливоподачи в исследуемой системе может быть дана по параметрам подобной ей системы.

В основе статических методов расчета лежит допущение о равенстве давления во всех точках системы в каждый момент времени, т. е. волновые явления не учитываются. Впервые для расчета топливоподачи был применен метод без учета сжимаемости топлива. Однако в последующем такой подход не применялся ввиду большой погрешности расчета. Более широкое применение получили статические методы с учетом сжимаемости топлива. Они базируются на дифференциальном уравнении:

αсж V dP / dτ = fплCпл  μcfcUc,          Форм. 8

где:

Расчет топливоподачи производится по этапам, характеризуемым постоянством граничных условий.

Статические методы дают хорошие результаты при расчетах систем с короткими форсуночными трубопроводами (лучшие результаты — при расчетах насос-форсунокНасос-форсунки с гидроприводом). Однако для судовых дизелей, имеющих форсуночные трубопроводы большой длины, допущение об отсутствии волновых явлений в системе дает большие погрешности. В этих случаях обычно применяют гидродинамические методы расчета.

Гидродинамические методы базируются на общих дифференциальных уравнениях нестационарного одномерного потока жидкости:

C / τ + 1 / ρ·dP / dx = 0;

C / x + 1 /a2 ρ·dP / dτ = 0.        Форм. 9

Применительно к топливоподающим системам общее решение приведенных уравнений имеет вид:

P = P0 + Fτ  x/a  Wτ + x/a;

C = 1/aρFτ  x/a + Wτ + x/a,        Форм. 10

где:

По этой системе уравнений давление и скорость движения топлива в любом сечении форсуночного трубопровода определяются как алгебраическая сумма прямых и отраженных волн. Первая прямая волна возникает в начале форсуночного трубопровода в результате нагнетательного хода плунжера и достигает форсунки через промежуток времени lтр/a. При “закрытой” форсунке (игла запирает распылитель) прямая волна полностью отражается.

При этом у форсунки в результате наложения прямой и отраженной волны скорость топлива равна 0: C = 0, а амплитуда волны давления удваивается: Pф = P0 + 2F(τ-lтр/a). В дальнейшем, когда давление у форсунки становится равным давлению затяга иглы форсунки, игла поднимается, начинается впрыск топлива. В конце топливоподачи, когда давление в системе падает и игла садится на седло, в системе продолжают наблюдаться волновые явления, которые затухают к началу следующего нагнетательного хода плунжера.

Впервые в России методика гидродинамического расчета топливоподающих систем была разработана профессором И. В. Астаховым. Методика не учитывала потери в системе из-за вязкости топлива, однако давала хорошие результаты при расчетах систем высокооборотных дизелей, где этими потерями можно пренебречь. Дальнейшее развитие гидродинамические методы получили в работах Ю. Я. Фомина, Т. Ф. Кузнецова и др., где в той или иной форме учитывается вязкость топлива.

Рассмотрим упрощенный метод гидродинамического расчета, учитывающий потери на трение при прохождении волны по форсуночному трубопроводу, однако пренебрегающий динамикой нагнетательного клапана и иглы форсунки, не учитывающий дросселирование в перепускных и отсечных органах насоса, протечки топлива и объем форсунки. Методика разработана автором в учебных целях, дает достаточно близкие результаты при сравнении расчетных и экспериментальных данных, полученных при испытаниях главных судовых дизелей.

При оговоренных допущениях уравнение расхода по насосу до подхода отраженной волны запишется в виде:

αсж·Vн·dPн/dτ = fпл·Cпл  fпр·Cср,          Форм. 11

где:

С учетом отраженной волны, подошедшей к насосу, можно записать:

αсжVнdPн/dτ = fплCпл  fтрCтр + fтрWτ + lmp/a eβlтр,        Форм. 12

где:

Решение последнего равенства совместно с системой (Формула 10) в конечных разностях является следующее выражение:

PHi+1 = αсжVнi+1/τ·Pнi+fплCплiсрσ0 + kfтр/2aρ·2P0  Pнiσ1  kfтр·Wi1/2τpез·eβlтрσ2αсжVнi+1/τ + fтр/2aρσ1.        Форм. 13

В этом уравнении:

Q0=0 при τнп>τ1>τп;1 при τнпτ1τп;

Q1=0 при PнiP0;1 при Pнi>P0;

Q2=0 при τiτнп+1/2 τрез;1 при τi>τнп+1/2 τрез;

Объем полости нагнетания насоса для каждого расчетного интервала определяется по формуле:

Vнi+1 = Vнi  fплCплiср τ.         Форм. 14

Средняя скорость плунжера на расчетном интервале равна:

Cплiср = 1/2 Cплi + Cплi+1.        Форм. 15

Уравнение сплошности для камеры нагнетания форсунки при пренебрежении ее объемом и динамикой иглы запишется как:

fтрW1 = fтрCi1/2рез eβlтр + σμсfс 2/ρPфi  Pц.         Форм. 16

Давление у форсунки Pфi определяется воздействием прямой и отраженной волны:

Pфi = Ci1/2рез eβlтр + Wi aρ + P0.        Форм. 17

Подставив значение отраженной волны из уравнения 16, и имея в виду, что: Ci = (Pi — P0)/aρ, — получим расчетное уравнение для давления у форсунки в конечных разностях:

Pфi = 2Pнi1/2рез + P0eβlтр  σaρ/fтр μсfс 2/ρPфi  Pц + P0;          Форм. 18

где:

σ = 0 при 2 Pнi1/2τрез  P0 eβlтр + P0Pфи;1 при 2 Pнi1/2τрез  P0 eβlтр + P0>Pфи;        Форм. 19

Последнее уравнение решается методом последовательных приближений. Задаваясь величиной Pфi подставляют его в правую часть и решают относительно левой части. При несовпадении принятого и полученного результата задаются новым значением Pфi и повторяют расчет до получения приемлемого расхождения.

Определив расчетом характер изменения давления у насоса Pн(τ) и у форсунки Pф(τ), можно найти основные параметры топливоподачи и рассчитать закон впрыска топлива по формуле:

dq = μсfс 2/ρ Pфi  Pцdτ.        Фрм. 20

Уравнение решается методом конечных разностей. Приняв Δτ = 1 мс, можно найти qi — объемную скорость впрыска, от которой несложно перейти к конечным расходам на каждый градус поворота коленчатого вала. По характеристике впрыска рассчитывается объемная qц и весова gц цикловая подача (gц = qц γт). Итоги расчетов можно проверить по паспортным параметрам дизеля:

gц = pi·Vs·gi3.6.         Форм. 21

В этой формуле:

Формулу несложно вывести на основе определения входящих в нее параметров.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Август, 23, 2016 5966 0
Добавить комментарий

Текст скопирован
Пометки
СОЦСЕТИ