Процесс топливоподачи в судовой топливной аппаратуре

Процесс топливоподачи – это важный этап работы судовых двигателей, который включает в себя несколько этапов. Основными элементами системы топливоподачи являются топливный насос и форсунка.

СодержаниеСвернуть

Основные понятия и параметры процесса топливоподачи
Развитие процесса топливоподачи

Важно отметить, что процесс топливоподачи должен быть тщательно контролируем и настроен для обеспечения оптимальной работы двигателя и минимизации выбросов вредных веществ в окружающую среду.

Основные понятия и параметры процесса топливоподачи

Цикловая подача — подача топлива за один рабочий цикл:

g_{ц} = (g_{e} N_{e} m / 60 n i) г / ц и к л

где:

m — коэффициент тактности,

для 2-т. дв. = 1;
для 4-х т. дв. = 2;

n — об/мин;
i — число цилиндров.

Фазы подачи — φ_нпн, φ_кн, φ_{кпф н}, φ_нпф — фазы начала и конца подачи по насосу и по форсунке.

φ_{н п ф} = φ_{ф . о .}

или угол опережения впрыска топлива,

φ_{п} = φ_{н п ф} + φ_{к п ф}

продолжительность подачи топлива.

P_н, P_ф, P_н.макс, P_ф.макс, P_ф.о, P_ф.з, P_ост — давления топлива в насосе, форсунке, максимальные, открытия иглы, закрытия иглы, остаточное в топливопроводе между впрысками.

Остановимся более подробно на величине цикловой подачи. В свою очередь,

g_{ц} = (F_{п л} h_{а} ρ_{т} η_{п о д}) 10^{- 3} г / ц и к л

где:

F_пл = πd²/4 — площадь плунжера м³;
h_а — активный ход плунжера м;
ρ_т — плотность топлива кг/м³.

Коэффициент подачи топливного насоса η_под представляющий собой отношение действительно поданной порции топлива g_ц к теоретически возможной и равной объему, описываемому плунжером на протяжении его активного хода, умноженному на плотность. Коэффициент подачи величина переменная и зависит от большого числа факторов, к числу которых относятся геометрические и конструктивные соотношения в ТНВД, сжимаемость топлива и явления дросселирования в периоды наполнения и отсечки и, конечно, утечки в системе насос-форсункаНасос-форсунки с гидроприводом. По опытным данным η_под = 0,75-1,1, на него существенное влияние оказывают число оборотов и величина цикловой подачи (рис. 1).

Коэффициент подачи в функции оборотов ДВС — Рис. 1 Кривые изменения коэффициента подачи в функции оборотов и величины цикловой подачи (h_а)

Увеличение g_ц (h_а) приводит к росту коэффициента подачи. Важная особенность изменения η_под заключается в том, что при снижении оборотов от номинальных до ≈ 75 % η_ном и сохранении положения топливной рейки неизменным, он увеличивается (на 10-15 %) и лишь затем падает. Это увеличение влечет за собой рост цикловой подачи и, соответственно, — среднего эффективного давления

P_{e} = к g_{ц} η_{e},

и развиваемого двигателем крутящего момента M_кр, что благоприятно сказывается на тяговых свойствах двигателя и устойчивости режима малых оборотов.

Пример — главный двигатель буксирующего судна. С увеличением силы тяги на гаке обороты двигателя будут падать и, если крутящий момент не будет увеличиваться, то обороты и тяговое усилие будут продолжать снижаться. Если же при снижении оборотов, цикловая подача за счет роста коэффициента подачи растут, то, соответственно, увеличиваются момент и сила тяги.

Развитие процесса топливоподачи

О том, как развивается процесс топливоподачиРасчет процесса топливоподачи, можно проследить по приведенным на рис. 2 кривым:

давлений топлива у форсунки;
хода иглы форсунки при ее открытии;
интегрального распределения подачи за один впрыск по углу п. к. в. (закона подачи).

Давление топлива в топливопроводе и в форсунке поднимается до значения P_фо, при котором игла форсунки поднимается и, в связи с истечением топлива под нее, в этот момент обычно отмечается небольшой местный провал давления. Однако этот провал быстро компенсируется в связи с тем, что плунжер продолжает сжимать топливо, и давление поднимается до максимального значения — P_макс. Дальнейший рост давления прекращается, так как в насосе начинается отсечка (или плунжер приходит в ВМТ кулачка) и давление падает. По достижении P_фз, при котором пружина сажает иглу на седло, впрыск топлива прекращается.

В форсунке и в топливопроводе при наличии нагнетательного клапана с отсасывающим пояском устанавливается давление, равное остаточному — P_ост, сохраняющееся до следующего цикла подачи топлива. При отсутствии разгрузки устанавливается более высокое давление, равное P_фз, что провоцирует появление подтекания топлива под иглу.

Кривые работы ТНВД — Рис. 2 Кривые:
а – давления впрыска у форсунки; б – хода иглы форсунки; в – закона подачи топлива в пределах цикла

В общем случае процесс топливоподачи в системе «ТНВД — форсуночный топливопровод — форсунка» можно условно подразделить на следующие этапы:

1 этап — наполнение полости ТНВД топливом, поступающим от подкачивающего насоса под давлением 0,4-0,5 МПа. Начало — открытие плунжером при его движении вниз впускного окна (клапана).

Окончание — закрытие плунжером впускного окна (клапана) при его движении из крайнего нижнего положения вверх (геометрическое окончание наполнения). Действительное окончание наполнения происходит раньше, так как при подходе верхней кромки плунжера к верхней кромке окна благодаря возникающему в остающейся узкой щели дросселированию начинается сжатие топлива, давление топлива начинает расти и перепуск прекращается. При этом, чем больше обороты двигателя, тем больше сказывается дросселирование и тем раньше (по углу поворота вала) заканчивается наполнение и начинается сжатие топлива. Таким образом, активный ход плунжера несколько увеличивается.

2 этап — сжатие топлива в надплунжерной полости насоса от давления подкачки до давления, при котором открывается нагнетательный клапан насоса P_{откр.п.кл} = P_{затяг.плуж.кл} + P_ост. Здесь уместно отметить, что существенную роль в процессе топливоподачи играет сжимаемость топлива. Коэффициент сжимаемости топлив α = (0,6 — 1,0) 10^-6 м³/кг. Благодаря сжимаемости плунжер затрачивает часть своего хода на сжатие топлива.

Расчетное уравнение:

F_{п л} C_{п л} d t = α V_{1} d p Ф о р м . 1

где:

F_пл — площадь плунжера;
C_пл — скорость плунжера;
t — время;
V₁ — объем надплунжерной полости насоса;
P — давление топлива.

3 этап — продолжение сжатия (соответствующего роста давления) топлива в объеме полости насоса V₁ и в объеме топливопровода и форсунки V₂. Начало — открытие нагнетательного клапана. Окончание — достижение давления открытия иглы P_фо.

Расчетное уравнение:

F_{п л} C_{п л} d t = α (V_{1} + V_{2}) d p Ф о р м . 2

4 этап — впрыск топлива в цилиндр с момента открытия иглы и до момента начала отсечки в ТНВД. Начало этапа — момент подъема давления топлива у иглы форсунки до величины давления открытия иглы.

Окончание — начало отсечки в ТНВД, соответствующее открытию отсечной кромкой плунжера отсечного отверстия (открытию отсечного клапана в насосе клап. типа) и закрытие нагнетательного клапана.

Расчетное уравнение:

F_{п л} C_{п л} d t = α (V_{1} + V_{2}) d p + μ f_{с} (2 / ρ)^{1 / 2} (P_{т} - P_{ц . с р})^{1 / 2} d t, Ф о р м . 3

Объемная подача плунжером — F_пл C_пл dt = α
Объем сжимаемого топлива — (V₁ + V₂) dp + μ f_с (2/р)^1/2
Расход топлива через форсунку — (P_т— P_ц.ср)^1/2 dt

где:

μ — коэффициент истечения сопловых отверстий;
f_с — суммарное сечение сопловых отверстий;
ρ — плотность топлива;
P_т — давление топлива в период впрыска;
P_ц.ср — среднее давление в камере сгорания в период впрыска.

5 этап — продолжение истечения (впрыска) топлива из форсунки от момента отсечки в насосе и посадки нагнетательного клапана на седло до момента, когда давление у форсунки упадет до давления посадки иглы на седло (закрытие иглы). Впрыск происходит за счет расширения топлива, оставшегося в топливопроводе и форсунке (в объеме V₂).

Расчетное уравнение:

α V_{2} d p = — μ f_{с} [2 (P - P_{ц . с р}) / ρ]^{1 / 2} d t . Ф о р м . 4

При наличии у нагнетательного клапана разгрузочного пояска (рис. Насосы двигателей Вяртсиля“Нагнетательный клапан с разгрузочным пояском”) давление в топливопроводе и форсунке резко падает до P_ост < P_закр. иглы и тогда последняя фаза впрыска практически отсутствует. Это хорошо, так как истечение топлива из форсунки при понижающихся давлениях впрыска отрицательно сказывается на распыливании, сокращается длина факела и проникновение капель в богатые кислородом периферийные зоны камеры сгорания, тем самым, приводящее к неполному сгоранию и дымлению на выхлопе.

На рис. 2 в представлена интегральная кривая, показывающая как распределяется цикловая подача топлива по углу поворота коленчатого вала. В частности, на рисунке для примера показано какое количество топлива от всей величины цикловой подачи попадает в цилиндр к моменту прихода поршня в ВМТ.

Сноски