Назначение, классификация, схемы работы систем топливоподачи в судовых дизелях

Топливная система дизельной силовой установки включает в себя системы низкого и высокого давления.

Система низкого давления предназначена для приема, перекачки, заполнения расходных цистерн, подачи топлива от расходной цистерны к топливным насосам высокого давления. Она включает в себя трубопроводы, насосы для перекачки топлива, подогреватели вязкого топлива, сепараторы, фильтры, топливоподкачивающие насосы, регуляторы вязкости и арматуру. При работе на легком топливе в случае достаточности статического напора от расходной цистерны подогреватели и подкачивающие насосы могут отсутствовать.

На рис. 1 дана типичная схема системы топливоподачи низкого давления от расходной цистерны до насосов высокого давления при работе на вязком топливе. Как видно, схема предусматривает подогрев вязкого топлива в расходной цистерне 1 и в подогревателе 5, рециркуляцию топлива после ТНВД 7 на всасывание к подкачивающим насосам 4 или в расходную цистерну через воздухоотделитель 9.

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 в значительной степени определяет все энергоэкономические показатели индикаторного процесса. Учитывая это, изучение процесса топливоподачи в системе высокого давления вынесено в специальный раздел настоящего курса.

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.

Эти системы можно классифицировать:

• По способу соединения насоса и форсунки — разделенные или объединенные системы. В разделенной системе соединение ТНВД и форсунки — при помощи форсуночного трубопровода. В объединенной системе форсуночный трубопровод отсутствует, насос и форсунка — единый узел. Насос-форсунки в судовых ДВС применяются редко по причине их сложности и неудобства обслуживания. Из-за неполадок форсунок (что случается часто) приходится разбирать топливный насос. При демонтаже крышки необходимо предварительно снимать распределительный вал, размещенный над крышками для привода насос-форсунки, что неудобно;
• По типу ТНВД — с насосами золотникового или клапанного типа. В золотниковых насосах цикловая подача регулируется косой кромкой на плунжере (рис. №2), в клапанных — открытием клапанов (рис. №3). Золотниковые насосы в последнее время получили большее распространение, так как они проще по конструкции и в эксплуатации. Их недостаток — более быстрый износ плунжера (его отсечных кромок);

• По способу регулировки ТНВД — с регулированием цикловой подачи по началу подачи, с регулированием по концу подачи и со смешанным регулированием (рис. №4 — а, б, в);

• По способу привода ТНВД — с механическим, газовым (так называемый “газовый толкатель”), гидравлическим и пневматическим приводом. В механическом приводе — слишком велики усилия на плунжер и распределительный вал (в двигателе РД — 90 при максимальном давлении в системе 700 кг/см² максимальное усилие на топливный кулак — порядка 17,3 т). Поэтому были предприняты попытки перейти на газовый толкатель, когда плунжер ТНВД приводился энергией газов из рабочего цилиндра (двигатели MAN KZ 78/140, Кокум — MAN KZ 84/180). Однако практика показала недостаточную надежность газового толкателя, работающего в тяжелых условиях, и сложность его регулировки. По указанной причине газовый толкатель не нашел широкого применения. Пневмогидравлический привод находится в стадии испытаний (насосы BICERA);
• По количеству насосов высокого давления — с индивидуальными насосами на каждый цилиндр (одним или двумя) или же с насосом распределительного типа, когда впрыск топлива во все цилиндры осуществляется поочередно одним и тем же ТНВД. Наибольшее распространение получил вариант — один ТНВД на каждый цилиндр. Два насоса устанавливаются либо с целью получения “ступенчатой” характеристики впрыска (двигатель MAN W40/54 с 2-мя плунжерами малого и большого диаметра), либо с целью получения минимальных цикловых подач на частичных режимах работы высокомощных судовых ДВС (двигатель MAN KSZ 105/180). Насосы распределительного типа упрощают конструкцию двигателя, дешевле; проходят эксплуатационную проверку в судовых условиях на двигателях небольшой мощности;
• По конструкции распылителей форсунок — с форсунками открытого или закрытого типов. На судах исключительное распространение имеют распылители закрытого типа, у форсуночных трубопровод отделен от рабочего цилиндра запорным органом — иглой, предотвращающим подтекание топлива;
• По конструкции запорного органа распылителя — со штифтовым (одно-дырчатым) и игольчатым (многодырчатым) распылителем (рис. №5). Штифтовые распылители применяются в маломощных ДВС с разделенными камерами сгорания, где изготовление многодырчатых распылителей представляет большие технологические трудности из-за малых диаметров сопловых отверстий;

• По способу управления форсунок — с гидравлически и механически управляемыми форсунками. В гидравлически управляемых форсунках при подаче топлива в полость распылителя запорный орган (штифт или игла) поднимается под действием давления, действующего на дифференциальную площадку. В механически управляемых форсунках (двигатели Доксфорд старой конструкции) игла поднималась с помощью механического привода от распределительного вала. Последний способ (рис. №5). Распылители штифтового (А) и игольчатого (Б) типов показал возможность попадания топлива в цилиндр во время стоянки двигателя, не получил распространения;
• По способу запирания распылителя — с механическим и гидравлическим запиранием. При механическом запирании игла форсунки прижимается к седлу под действием предварительно сжатой пружины и открывается лишь при определенном давлении в полости распылителя. При гидравлическом запирании на иглу сверху действует не пружина, а гидросмесь под определенным давлением. При “гидрозапоре” увеличивается срок службы распылителей (так как “мягче” посадка иглы), однако система сложнее, имеет повышенный расход гидросмеси (смеси топлива и масла); поэтому гидрозапор не нашел широкого применения;
• По способу охлаждения распылителей — с охлаждаемыми или неохлаждаемыми форсунками. Как правило, ранее в двигателях, форсированных наддувом, применялись охлаждаемые форсунки. Охлаждение — топливом (двигатели Бурмейстер и Вайн, MAN), маслом (среднеоборотные двигатели Зульцер ВАН-22, др.) или водой (малооборотные двигатели Зульцер). Современные малооборотные двигатели MAN-B&W имеют неохлаждаемые форсунки.

Аккумуляторные топливные системы (рис. №6) осуществляют впрыск топлива за счет предварительно аккумулированной энергии. Обладают рядом достоинств: возможностью обеспечения примерно постоянного давления впрыска, качественного распыливания на всех режимах эксплутации, отутствием 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).

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).

Практическое применение в судовых ДВС имели аккумуляторные системы с гидравлическим аккумулированием в баллоне большой емкости (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 I, 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.