Классификация и общая характеристика топливовпрыскивающей аппаратуры

Топливная система современного судового дизеля состоит из большого количества узлов и агрегатов при работе которых применяется система впрыска топлива. Непосредственно подача топлива в цилиндр двигателя осуществляется топливным насосом высокого давления (ТНВД) и форсункой, соединенными между собой трубопроводом высокого давления при раздельном исполнении или скомплектованными в одном агрегате — так называемой насос-форсунке. В данном справочнике все эти элементы по функциональному назначению объединены единым термином топливовпрыскивающая аппаратура.

Основное назначение топливовпрыскивающей аппаратуры — дозирование, подача, впрыск и распределение топлива в камере сгорания в строго заданные интервалы угла поворота коленчатого вала дизеля. Высокие требования к качеству впрыска обусловливают наличие большого разнообразия типов и конструкций топливовпрыскивающей аппаратуры. Для упрощения анализа целесообразно ввести их классификацию.

Топливовпрыскивающую аппаратуру следует рассматривать по двум основным признакам: по конструктивному исполнению и по принципу действия.

По конструктивному исполнению можно выделить два типа аппаратуры: с раздельной и объединенной схемами компоновки насоса и форсунки.

По принципу действия топливовпрыскивающая аппаратура разделяется на аппаратуру непосредственного и косвенного впрыскивания. Аппаратура непосредственного впрыскивания может быть классифицирована по типу привода: с механическим кулачковым приводом и с гибким (пружинным, газовым или гидравлическим) приводом ТНВД.

Топливовпрыскивающая аппаратура косвенного впрыскивания в основном включает аккумуляторные системы, в которых впрыск осуществляется за счет энергии, накопленной не в процессе рабочего цикла. В зависимости от типа аккумулятора возможны конструктивные варианты большой и малой емкости.

Кроме того, в зависимости от принципа аккумулирования энергии возможны варианты с гидравлическим, воздушным или пружинным аккумулятором. Принципиальная классификационная схема топливовпрыскивающей аппаратуры дана на рис. 1.

Для судовых дизелей преимущественно применяется аппаратура раздельного типа, включающая секционный золотниковый топливный насос с механическим приводом и форсунку закрытого типа с гидравлическим управлением подъемом иглы. Широкому распространению таких систем способствует относительная простота их конструкции и регулировки, отлаженная технология изготовления и наличие большого эксплуатационного опыта.

Отдельные недостатки топливовпрыскивающей аппаратуры с золотниковым топливным насосом, связанные с ограниченной возможностью регулирования параметров топливоподачи по режимам и обеспечения их оптимальных значений во всем рабочем диапазоне, вызывают необходимость создания других топливных систем аккумуляторного типа с гибким приводом впрыскивающего плунжера, с гидравлическим и электрическим управлением подъемом иглы и т. п. Перспективными являются аккумуляторные системы с электрическим управлением впрыском топлива.

Топливные системы с гибким приводом впрыскивающего плунжера, или аккумуляторные, лишены недостатков, присущих аппаратуре с механическим приводом. Однако, несмотря на существенные преимущества, аккумуляторные топливные системы не получили широкого распространения на современных судовых дизелях в основном из-за сложности и сравнительно высокой стоимости.

Рассмотрим более подробно конструктивные особенности и основные рабочие характеристики топливовпрыскивающей аппаратуры с механическим приводом насоса и закрытой форсункой.

На современных дизелях нашли применение разнообразные конструкции ТНВД и форсунок. Для упрощения анализа на рис. 2 и 3 даны классификационные схемы ТНВД и форсунок.

При разработке схем принят системный подход разбивки топливовпрыскивающей аппаратуры на узлы и детали, причем классификационные признаки введены по основным узлам и деталям топливного насоса и форсунки. У ТНВД к основным узлам отнесены корпус, плунжерная пара и нагнетательный клапан, у форсунки — корпус, запирающий узел и распылитель.

Работа топливовпрыскивающей аппаратуры оценивается путем сопоставления рабочих характеристик и основных параметров подачи топлива. К числу рабочих характеристик относятся:

• номинальная цикловая подача и пределы ее изменения от холостого хода дизеля до номинального режима;
• степень неравномерности распределения топлива по секциям топливного насоса или по цилиндрам дизеля;
• коэффициент подачи топлива;
• характеристики факела (геометрические размеры факела и мелкость распыливания топлива);
• геометрические и действительные углы опережения и продолжительность впрыска топлива;
• расходные характеристики;
• скоростные характеристики;
• максимальное давление подачи;
• характеристика впрыска;
• гарантийная наработка и ресурс.

Номинальная цикловая подача q_ц , г/цикл, подсчитывается по формуле:

где:

• N_eц — цилиндровая мощность дизеля, кВт;
• g_e — удельный расход топлива, г/(кВт·ч);
• n_к — частота вращения кулачкового вала насоса, мин^-1.

Степень неравномерности распределения топлива по секциям топливного насоса σ, %, определяется на режимах номинальной подачи и холостого хода по формуле:

где:

• G_max, G_min — максимальная и минимальная производительность по секциям насоса, кг/с.

Неравномерность распределения топлива регламентируется ГОСТ 10578-74. Допускаемая степень неравномерности топливоподачи для блочных насосов приведена в табл. 1.

Коэффициент подачи топлива представляет собой отношение фактически поданного через форсунку количества топлива к теоретически возможному при данном активном ходе плунжера:

где:

• ρ_τ — плотность топлива, г/см³;
• d_п — диаметр плунжера, см;
• h_акт — активный ход плунжера, см.

Характеристики факела определяют выходные параметры Аккумуляторные системы впрыска топливатопливовпрыскивающей аппаратуры и обычно включают мелкость распыливания топлива и геометрические размеры факела. Мелкость распыливания обычно определяют путем улавливания капель на закопченную пластину с последующим визуальным подсчетом количества отпечатков по группам диаметром. По этим данным строят график характеристики распыливания. О характере протекания кривых можно судить по графику на рис. 4 для топливной аппаратуры дизеля 3Д100.

Кроме того, для оценки работы топливовпрыскивающей аппаратуры подсчитывают средний арифметический или средний объемный диаметр капель соответственно по формулам:

где:

• $\Sigma \left(i{d}_{\mathrm{к}i}^2\right)$

  – арифметическая сумма произведений числа капель данного диаметра на квадрат их диаметра;

• $\Sigma \left(i{d}_{\mathrm{к}i}^3\right)$

  – арифметическая сумма произведений числа капель данного диаметра на куб их диаметра;

• i_о — общее количество капель всех диаметров.

Геометрические характеристики факела определяют экспериментально — путем скоростной киносъемки при впрыске топлива в среду с противодавлением, имитирующим параметры газовой среды в камере сгорания дизеля. В первом приближении дальнобойность факела l_ф можно определить расчетным путем по формуле:

где:

• l_ф — дальнобойность факела, м;
• v_ср — средняя скорость впрыска, м/с;
• d_с — диаметр сопловых отверстий, мм;
• p_о — давление открытия иглы распылителя, Па;
• p_{ф max} — максимальное давление топлива перед форсункой, Па;
• p_пр — противодавление впрыску, Па;
• ρ_т, ρ_в — плотность соответственно топлива и среды, в которую производится впрыск, кг/м³;
• μ — коэффициент истечения распылителя;
• t — время, в течение которого происходит развитие факела, c.

Указанная формула удовлетворительно описывает развитие факела для топливовпрыскивающей аппаратуры современных высокофорсированных среднеоборотных дизелей, что иллюстрировано рис. 5 для опытной топливовпрыскивающей аппаратуры отсеков 1ЧН 26/34 и 1ЧН 36/40.

Геометрические и действительные углы опережения и продолжительность подачи топлива характеризуют относительное расположение геометрических фаз подачи топлива насосом и действительных фаз впрыска топлива форсункой по отношению к фазам протекания рабочего процесса в цилиндре дизеля.

Расходная характеристика топливоподачи соответствует нагрузочной характеристике дизеля и представляет собой зависимость цикловой подачи от положения регулировочной рейки при неизменной частоте вращения кулачкового вала топливного насоса.

Скоростные характеристики топливовпрыскивающей аппаратуры представляют собой зависимость цикловой подачи от частоты вращения кулачкового вала насоса при определенном положении регулировочной рейки. Обычно скоростные характеристики представляют полем кривых для различных положений регулировочной рейки. На рис. 6 и 7 дан пример нагрузочных (расходных и скоростных) характеристик топливовпрыскивающей аппаратуры дизеля типа РС2-5.

Максимальное давление подачи топлива является одним из основных показателей, определяющих уровень форсирования топливоподачи. Этот показатель определяют путем осциллографирования давления топлива в линии нагнетания у насоса или у форсунки. Иногда в условиях эксплуатации максимальное давление подачи устанавливают по манометру специальными максиметрами.

Уровень максимальных давлений подачи топлива современных судовых дизелей составляет 80-100 МПа. Отдельные образцы дизелей работают с максимальным давлением 110-120 МПа.

Под характеристикой впрыска топлива, или законом подачи, понимают зависимость подачи топлива форсункой от угла (или времени) поворота кулачкового вала насоса. Эту зависимость представляют двумя способами: в виде дифференциальной или интегральной характеристики. В первом случае по оси ординат откладывают количество топлива, впрыскиваемого в течение каждого градуса поворота кулачка. Во втором случае по оси ординат откладывают общее количество топлива (в процентах от цикловой подачи), поданного в цилиндр дизеля к моменту рассматриваемого положения угла поворота кулачка.

Гарантийная наработка и ресурс топливовпрыскивающей аппаратуры должны соответствовать аналогичным показателям дизеля. Однако такое положение выдерживают в основном лишь для корпуса насоса и форсунки. Ресурс прецизионных пар (плунжерной пары, распылителя и нагнетательного клапана) в 2-3 раза ниже ресурса дизеля, что в эксплуатации компенсируют поставкой указанных деталей в запасных частях. Ориентировочный ресурс плунжерных пар и распылителей некоторых российских дизелей дан в табл. 2.

Ресурс нагнетательных клапанов должен соответствовать данным, приведенным в табл. 3.

Основные данные топливовпрыскивающей аппаратуры российских дизелей

Работа топливных насосов, форсунок и трубопроводов высокого давления, российских судовых дизелей регламентирована рядом стандартов. Перечень основных стандартов, которыми следует руководствоваться при изготовлении аппаратуры и в условиях эксплуатации, дан в табл. 4.

Помимо указанных на топливовпрыскивающую аппаратуру прямо или косвенно распространяются ряд отраслевых стандартов и требования морского и речного Регистров России, в которых оговорены режимы эксплуатации, перегрузки по частоте вращения, условия пуска и реверсирования, требования техники безопасности и другие показатели.

Технические характеристики топливных насосов и форсунок российских судовых дизелей даны в табл. 5 и 6.

Топливные насосы двигателей Зульцер – RTAТопливные насосы выпускаются с собственным или автономным кулачковым приводом, в блочном или односекционном исполнении. Форсунки судовых дизелей изготовляются закрытые, с гидравлическим управлением подъемом иглы, с пружинным запирающим устройством и многодырчатым охлаждаемым или неохлаж- даемым распылителем.

На рис. 8, 9 даны типовые конструкции топливных насосов дизелей ЧН 25/34 и ЧН 36/45.

Топливные насосы — односекционные, золотникового типа, с механическим приводом плунжера. Топливный насос соединяется с регулятором только одним концом рейки, на другом конце имеется шкала с ценой деления 1 мм. Корпус топливного насоса отлит из серого чугуна марки СЧ24-44, плунжер и втулка изготовлены из стали ХВГ; нагнетательный клапан выполнен с разгрузочным пояском. Топливные насосы предназначены для работы на топливах марок ДЛ, ДА, ДЗ, ДС и ДТ.

Форсунка, показанная на рис. 10, применяется для установки на дизелях типов ЧН 36/45 и ЧРН 36/45.

Форсунка закрытого типа, с гидравлическим управлением подъемом иглы распылителя, с многодырчатым распылителем, охлаждаемая, имеет щелевой фильтр высокого давления и штуцер для отвода топлива, просочившегося через зазор между иглой и корпусом распылителя. Корпус форсунки изготовлен из стали 45. Крепление форсунки осуществляется двумя шпильками. К корпусу форсунки с помощью накидной гайки крепится распылитель; материал корпуса распылителя — сталь 18Х2Н4МА, материал иглы распылителя — сталь Р18. Пружина форсунки установлена в верхней части корпуса, материал пружины форсунки — качественная легированная сталь 50ХФА. Форсунка охлаждается топливом из главной магистрали. Использованное для охлаждения топливо отводится во всасывающий трубопровод топливоподкачивающего насоса. Форсунка предназначена для работы па топливах ДЛ, ДА, ДЗ и ДТ.

Форсунка, представленная на рис. 11, применяется на дизелях типа ЧН 25/34.

В отличие от рассмотренной конструкции в ней использован неохлаждаемый многодырчатый распылитель. Крепление форсунки осуществляется отдельным накидным фланцем. Имеется также отличие в конструкции накидной гайки, крепящей распылитель к корпусу форсунки, и в регулировании предварительного поджатия пружины форсунки.

Читайте также: Топливные системы судовых устройств

Основным недостатком выпускаемого в настоящее время для российских дизелей типоразмерного ряда топливных насосов и форсунок является большое количество типоразмеров. Так, для трех типов дизелей Ч и ЧН 30/38, Ч и ЧН 25/34, Ч и ЧН 36/45 выпускают семь различных конструкций топливных насосов. То же относится и к форсункам указанных дизелей. Это положение связано прежде всего с тем, что разрабатываемые базовые конструкции топливных насосов имеют узкий диапазон производительности, допускают увеличение диаметра плунжера максимум на 3-4 мм и не учитывают увеличение форсирования в процессе впрыска и в рабочем процессе. В связи с этим в последнее время в российской промышленности разработаны типоразмерные ряды топливных насосов и форсунок, которые получат применение на вновь создаваемых и модернизируемых судовых дизелях.

При разработке за основу приняты следующие требования, определяющие параметры и конструкцию насосов создаваемого ряда:

• обеспечение всего мощностного диапазона планируемых к выпуску до 1990 г. советских среднеоборотных дизелей возможно меньшим количеством размерностей топливных насосов, с максимальной унификацией ряда насосов по базовому типоразмеру;
• обеспечение надежной работы на различных сортах топлив, включая мазуты, при максимальных давлениях топлива до 120-130 МПа.

Проведенный анализ показал, что перспективный типоразмерный ряд российских среднеоборотных дизелей с цилиндровой мощностью 100-1 500 кВт при номинальной частоте вращения 350-1 100 мин^-1 может быть обеспечен пятью размерностями топливных насосов с полными ходами плунжеров 22, 26, 30, 36 и 50 мм, условно обозначенными соответственно ТН-22, ТН-26, ТН-30, ТН-36 и ТН-50. Основные параметры насосов даны в табл. 7.

Общий вид типоразмеров топливных насосов ТН-26 и ТН-36 приведен на рис. 12 и 13.

По конструктивным решениям основных узлов насосы идентичны и выполнены односекционными, с нижним расположением установочного фланца, с креплением узлов нагнетательный клапан — плунжерная пара шпильками и нажимным фланцем, с проточным питанием полости всасывания насоса топливом, с силовой пружиной, расположенной в корпусе насоса.

Главные особенности конструкций указанных топливных насосов заключаются в следующем:

• идентичность формы и основных конструктивных решений для всего типоразмерного ряда насосов, выбранных из условий наиболее рационального размещения металла с учетом особенностей механических нагрузок различных частей корпуса насоса и придания всему насосу отличительных художественно-эстетических качеств по сравнению с известными конструкциями топливных насосов зарубежных фирм;
• определенная универсальность установочных и присоединительных конструктивных элементов топливных насосов, в частности, симметричность координат отверстий в установочном фланце под крепление шпильками и симметричность координат шпилек крепления топливоподводящих фланцев, которые допускают различное (четырехстороннее) расположение топливного насоса на дизеле при различном направлении подсоединительных топливоподводящих трубопроводов;
• относительно большой диапазон применяемых диаметров плунжеров, доходящий по верхней границе до значений h_п/d_п = 1, что обеспечивает покрытие каждым типоразмером топливного насоса широкого диапазона цикловой производительности при сохранении высокой степени унификации;
• эффективный способ уплотнения плунжерной втулки по относительно узкому пояску на уплотнительном верхнем торце, создающий направленный изгибающий момент от монтажных сил внутрь втулки, исключающий отрицательные деформации и сводящий, как показали эксперименты, радиальные деформации прецизионной поверхности в золотниковой части втулки к минимуму;
• передача монтажных усилий на втулку через относительно толстостенный корпус клапана и мягкую стальную прокладку, что делает втулку малочувствительной к неравномерности затяжки шпилек нажимного фланца и обеспечивает возможность работы плунжерной пары с максимальным давлением топлива до 120-130 мПа и выше;
• проточная система питания полости всасывания топливом с развитой полостью всасывания в верхней части корпуса насоса (выше отсечных окон) и конусообразными приемными наконечниками штуцеров, установленными с небольшим зазором от наружной поверхности втулки, что способствует образованию газовой фазы в верхней части полости всасывания насоса, сохранению ее во время работы и демпфированию отсечных волн давления;
• обеспечение пружинами нормальной работы топливных насосов (без вибрации и резонанса во всем скоростном режиме), что создает предпосылку для широкой унификации и повышает надежность и ресурс топливной аппаратуры.

Работоспособность указанных конструктивных решений подтверждена экспериментально на безмоторных и моторных стендах для базовых образцов насосов ТН-26 и ТН-36.

Покрытие всего мощностного ряда вновь создаваемых и модернизируемых перспективных среднеоборотных дизелей, намеченных к реализации в отрасли дизелестроения на ближайшие 15-20 лет, должны обеспечить три размерности форсунок:

• ФД-45,
• ФД-55 и ФД-70 с установочными диаметрами соответственно 45, 55 и 70 мм.

Основные размеры этого ряда форсунок даны в табл. 8.

Общий вид форсунки типоразмера ФД-55 приведен на рис. 14.

Форсунки идентичны по основным конструктивным решениям и выполнены с охлаждаемым распылителем, нижним расположением пружин, раздельной дренажной системой отвода протечек топлива, щелевым фильтром, установленным в присоединительном штуцере высокого давления, и системой прокачки линии высокого давления, поставляемой дополнительно по требованию заказчика.

Форсунки создаваемого типоразмерного ряда имеют малогабаритные охлаждаемые распылители с приваренной специальным способом охлаждающей рубашкой и с циркуляционным охлаждением водой или дизельным топливом. Ряд распылителей по габаритным размерам и установочным параметрам соответствует распространенному за рубежом ряду распылителей размерностей U, V и W с установочными диаметрами соответственно 30, 45 и 50 мм. Благодаря наличию привариваемой охлаждающей рубашки распылители взаимозаменяемы с соответствующими неохлаждаемыми распылителями.

Корпус форсунки со смешанной верхней частью, выбранный как оптимальный вариант сравнительных конструкторских проработок, отличается универсальностью размещения разнообразных вариантов подсоединительных штуцеров и способа крепления форсунки на двигателе.

Пропускная способность предлагаемого ряда форсунок тремя типоразмерами покрывает диапазон цикловых подач от 1,5 до 35 см³/цикл, что полностью удовлетворяет потребности российских среднеоборотных дизелей на ближайшие 15-20 лет и обеспечивает долговременную перспективу развития специализированного производства топливной аппаратуры с высокой степенью унификации (не менее 90 %). При этом габаритно-присоединительные размеры форсунок практически не вносят ограничений в выбор конструкций головок цилиндров высокофорсированных дизелей.

Основные данные топливовпрыскивающей аппаратуры зарубежных дизелей

В судовых энергетических установках с дизельным приводом применяются преимущественно малооборотные и среднеоборотные дизели. Ниже приводятся краткие характеристики топливных насосов высокого давления и форсунок наиболее распространенных среднеоборотных дизелей.

В табл. 9 даны основные показатели топливной аппаратуры зарубежных среднеоборотных дизелей.

Общим для них является относительно высокий уровень форсирования по среднему эффективному давлению, достигающий 1,5-2,0 МПа. Отдельные образцы среднеоборотных дизелей в настоящее время работают со средним эффективным давлением 2,0-2,5 МПа.

Практически все представленные в таблице среднеоборотные дизели приспособлены к работе на тяжелых сортах топлива, вязкость которых достигает 3 500—4 000 с Ред. I (при 100 °F). Максимальное давление впрыска топлива составляет порядка 80-95 МПа и, по существу, ограничено только прочностью отдельных элементов топливной аппаратуры.

Форсирование дизелей по среднему эффективному давлению требует пропорционального увеличения верхнего предела производительности топливной системы. При этом соотношение между минимальной и максимальной цикловыми подачами достигает 1:20 и более.

Из-за высокой степени форсирования рабочего процесса, и особенно в связи с применением тяжелых топлив, распылители форсунок рассматриваемых дизелей работают в условиях повышенных температур и требуют организации специального охлаждения. Распылители охлаждают пресной водой или дизельным топливом; расход охлаждающей жидкости примерно 0,7-1,4 л/(кВт·ч).

В конструкциях топливных насосов современных судовых дизелей наблюдается тенденция к расширению универсальности с целью использования их для широкого диапазона двигателей.

Потребности промышленности в значительной мере покрываются насосами, выпускаемыми специализированными фирмами (предприятиями) на основе установленных стандартных типоразмерных рядов. В табл. 10 даны основные параметры базовых типоразмерных рядов секционных топливных насосов зарубежных фирм. По сравнению с прежними параметрами в результате введения новых размерностей существенно увеличился диапазон производительности насосов и возросло число типоразмеров как в отношении хода и диаметра плунжера, так и по конструктивному выполнению насоса.

Наиболее широкий диапазон размерностей имеет типоразмерный ряд насосов фирмы «Брайс»; при ходе плунжера 15-20 мм предусмотрен выпуск насосов 10 типоразмеров, различающихся ходом плунжера и конструктивным исполнением (с собственным роликовым толкателем или без него). Размерность FFOAR с ходом плунжера 50 мм введена в связи с разработкой и освоением выпуска среднеоборотных судовых дизелей с цилиндровой мощностью 700 кВт и выше.

Отличительной особенностью развития современного типоразмерного ряда является также разработка модификаций насосов с собственным роликовым толкателем, имеющих значительно лучшие массогабаритные показатели, чем у насосов с отдельно выполненным толкателем. Их применение вызвано повышением требований к массогабаритным показателям отдельных типов двигателей. Однако при такой конструкции насоса ухудшается унификация и уменьшается диапазон возможных потребителей.

Фирма «Брайс» выпускает насосы с собственным роликовым толкателем с ходом плунжера 15, 30 и 50 мм. Каждый насос обеспечивает широкий диапазон производительности благодаря возможности изменять диаметр плунжера в пределах до 8-10 мм и рассчитан на работу с максимальным давлением подачи топлива до 110 МПа, что обусловлено более прочной головкой корпуса, насоса с фланцевым креплением штуцера высокого давления, применением оригинальной подвесной конструкции втулки плунжера и другими мерами.

Насос размерности FEOAB устанавливают на двигателях с цилиндровой мощностью до 730 кВт (двигатели типа ТМ410 фирмы «Сторк—Веркспур» при диаметре плунжера 30 мм и фирмы «Мирлис-Националь»). Он имеет ход плунжера 35 мм, диаметр плунжера 26-34 мм и максимальную производительность де 12 тыс. мм³/цикл. В насосе использован нагнетательный клапан дифференциального типа с разгрузкой линии нагнетания при постоянном давлении.

Насос FFOAR с ходом плунжера 50 мм, диапазоном диаметров 36-50 мм и производительностью до 36 тыс. мм³/цикл устанавливают на двигателях с цилиндровой мощностью 730 кВт и более. Его конструкция отличается оригинальностью отдельных решений (патент Англии № 1256223 от 25.02.69). Корпус состоит из двух частей, стянутых четырьмя шпильками, разгружающими его от растягивающих усилий. Применение отъемной головки улучшает технологичность изготовления крупногабаритного корпуса насоса и обеспечивает различные варианты установки присоединительных штуцеров и регулировочной рейки. Это улучшает компонуемость насоса на двигателе и расширяет диапазон его применения.

При повышенных требованиях к массогабаритным показателям фирма «Брайс» предлагает топливный насос размерности FCCAB с ходом плунжера 15 мм и диаметром 16-22 мм. Компактность конструкции и хорошие массогабаритные показатели обеспечиваются благодаря неразъемному корпусу с собственным роликовым толкателем оригинальной конструкции без регулировочного болта и с опорной верхней торцевой поверхностью по наружному контуру. Малой массе и габаритам способствует также обычная неподвесная конструкция плунжерной втулки. Однако для работы с высоким давлением подачи топлива втулка плунжера выполнена толстостенной, с отношением наружного установочного диаметра к диаметру плунжера, равным 3.

Большая часть зарубежных дизелестроительных фирм для своих судовых дизелей выпускает топливную аппаратуру собственной конструкции. Ввиду меньшей серийности выпуска топливная аппаратура отличается оригинальными конструктивными решениями и компоновочной схемой насосов и форсунок.

Топливный насос, показанный на рис. 15, разработан для дизелей типа 12V 65/65 (12ЧН 65/65) фирмы «Зульцер—МАН» с цилиндровой мощностью 1325 кВт при частоте вращения коленчатого вала 400 мин^-1 и среднем эффективном давлении 1,9 МПа.

Насос выполнен совместно с роликовым толкателем, с фланцевым креплением плунжерной втулки и нагнетательного клапана в корпусе насоса, с плунжерной парой золотникового типа и двумя клапанами (прямым и обратным), расположенными в одном корпусе. Полость всасывания насоса имеет проточное питание топливом, причем она развита по высоте за счет соответствующей формы корпуса клапанов. Плунжерная втулка выполнена с двумя отсечными (всасывающими) отверстиями, имеет дренажные отверстия для возвращения протечек по прецизионной поверхности обратно в полость всасывания и каналы для подвода смазочного масла в нижнюю часть направляющей поверхности втулки. Уплотнение по торцевым стыкам фланца клапана и втулки осуществляется за счет чистовой (прецизионной) обработки этих поверхностей. Уплотнительные торцевые площадки уменьшены для получения требуемых удельных давлений за счет выполнения соответствующих проточек.

Топливный насос, представленный на рис. 16, разработан для дизелей типа 550SS (ЧЧ 55/59) фирмы GMT (Италия) с цилиндровой мощностью 880 кВт и частотой вращения коленчатого вала 430 мин^-1.

Насос золотникового типа, с отдельным роликовым толкателем, с фланцевым креплением нагнетательного клапана и плунжерной втулки. Плунжерная пара неподвесного типа с двумя отсечными (всасывающими) окнами. Нагнетательный клапан с верхним расположением запорного конуса и с отсасывающим пояском. Уплотнение стыков между фланцами, корпусом нагнетательного клапана и плунжерной втулкой осуществляется по чисто обработанным прецизионным торцам с кольцевыми проточками на одном из сопрягаемых торцев. Полость всасывания со стороны фланца уплотнена двумя резиновыми кольцами.

Топливный насос, показанный на рис. 17, является последней модификацией, разработанной фирмой «Зульцер» после нескольких модернизаций базовой конструкции топливного насоса дизелей типа Z 40/48 (ЧН 40/48) с цилиндровой мощностью 405 кВт при частоте вращения коленчатого вала 430 мин^-1.

Эта модификация включает плунжерную пару золотникового типа с двумя всасывающими и двумя отсечными окнами и фланец для крепления плунжерной втулки в корпусе насоса. В корпусе насоса образованы раздельные полости всасывания и отсечки. В полость всасывания топливо подводится через обратный клапан, из полости отсечки оно отводится через штуцер, в котором последовательно расположены три дросселирующих отверстия. Такое устройство отвода и подвода топлива к полости всасывания насоса введено фирмой как способ уменьшения кавитационных разрушений плунжерной пары за счет гашения отсечных волн и уменьшения газовой фазы, образующейся перед всасывающими окнами плунжерной втулки. Насос с противокавитационным устройством защищен патентом Швейцарии № 594134. Другим отличительным признаком топливного насоса является отсутствие в нем нагнетательного клапана; этот узел размещен в трубопроводе высокого давления, ближе к форсунке. Таким путем удалось уменьшить волновые колебания давления топлива в период отсечки, сократить разрывы сплошности и тем самым стабилизировать процесс впрыска.

Топливный насос, представленный на рис. 18, применен на дизеле типа РСЗ (ЧН 48/52) фирмы «СЕМТ-Пилстик» с цилиндровой мощностью 625 кВт при частоте вращения коленчатого вала 460 об/мин.

Насос выполнен с отдельным роликовым толкателем, с креплением плунжерной втулки и нагнетательного клапана при помощи резьбового штуцера и с проточным питанием полости всасывания насоса топливом. Плунжерная пара обычного золотникового типа, с двумя симметрично расположенными косыми регулирующими кромками на плунжере и двумя всасывающими (отсечными) окнами во втулке. Нагнетательный клапан выполнен с нижним расположением запорного конуса. Уплотнение торцевых сопряжений между клапаном и втулкой осуществляется по чисто обработанным поверхностям.

Топливный насос, представленный на рис. 19, разработан фирмой «СЕМТ-Пилстик» к дизелям типа РС4 (ЧН 57/62) с цилиндровой мощностью 1 100 кВт при частоте вращения коленчатого вала 400 об/мин.

Топливный насос выполнен совместно с роликовым толкателем; он имеет проточную систему питания полости всасывания, фланцевое крепление плунжерной пары и нагнетательного клапана и дополнительную смазку плунжерной пары смазочным маслом. В насосе применена оригинальная конструкция плунжерной пары подвесного типа с удлиненной плунжерной втулкой и расположением опорного бурта втулки вне корпуса насоса. В верхней части плунжерной втулки размещен нагнетательный клапан игольчатого типа. Плунжерная втулка имеет два всасывающих (отсечных) окна, расположенных на уровне топливоподводящих штуцеров. Смазка к плунжерной втулке подается по радиальному каналу, причем участок подвода смазки по наружной поверхности втулки уплотнен кольцами из мягкого материала. Плунжерная втулка крепится вместе с нагнетательным клапаном фланцем; все места возможных протечек топлива как из полостей высокого, так и из полостей низкого давления закрыты уплотнительными кожухами с организованным отводом протечек.

Конструкция топливного насоса, показанная на рис. 20, разработана фирмой «Л’Оранж» (Германия) для дизелей типа МАК М601 (ЧН 58/60) фирмы МАК (Германия) с цилиндровой мощностью 920 кВт, при частоте вращения коленчатого вала 426 мин^-1.

Ход плунжера топливного насоса составляет 45 мм; возможна установка плунжерной пары с диаметром до 50 мм. В конструкции топливного насоса использовано фланцевое крепление плунжерной втулки, проточное питание полости всасывания насоса топливом, подвод смазки к плунжеру и дренаж просочившегося топлива по плунжеру обратно в полость всасывания. Плунжерная пара подвесного типа с расположением опорного бурта вне корпуса насоса, с двумя всасывающими (отсечными) отверстиями. В верхней части плунжерной втулки расположен нагнетательный клапан, который крепится отдельным штуцером высокого давления. Смазка и дренаж топлива в плунжерной паре осуществляются по радиальным и осевым каналам, выполненным в плунжерной втулке. Полость низкого давления в насосе и полости подвода смазки уплотнены резиновыми кольцами.

Топливный насос, представленный на рис. 21, разработан фирмой KHD для дизелей типа BVM540 (ЧН 37/40) с цилиндровой мощностью 330 кВт при частоте вращения коленчатого вала 600 мин^-1.

• Ход плунжера насоса 27 мм;
• диаметр плунжера 26 мм;
• диапазон цикловых подач — до 7 см³/цикл.

Применено проточное питание полости всасывания насоса топливом, смазка в нижней части направляющей плунжера, фланцевое крепление плунжерной втулки. Плунжерная пара подвесного типа с расположением опорного бурта вне корпуса насоса, с двумя всасывающими (отсечными) окнами. В верхней части плунжерной втулки размещен нагнетательный клапан, закрепленный отдельным штуцером высокого давления. Полость низкого давления по наружной поверхности втулки уплотнена набором металлических и мягких колец, установленных в расточке корпуса насоса в нижней части плунжерной втулки.

Требования к конструкциям форсунок современных судовых среднеоборотных дизелей обусловлены общими и специфическими особенностями их конструкций.

Так, высокие тепловые и механические нагрузки на элементы головки цилиндра при форсировании двигателей по наддуву и требования высокой топливной экономичности приводят к необходимости существенного снижения установочных габаритов форсунки. В то же время тенденция к применению тяжелых топлив с повышенной вязкостью, большим содержанием серы и соответственно высокой коррозионной агрессивностью обусловливает необходимость в системе охлаждения, средствах фильтрации и средствах, повышающих общую работоспособность и ресурс элементов форсунки. Практически все конструкции судовых дизелей с диаметром цилиндра более 250 мм и средним эффективным давлением свыше 1,3-1,5 МПа имеют форсунки с охлаждением распылителя.

Развитие конструкций форсунок среднеоборотных дизелей отражает опыт проектирования и эксплуатации топливной аппаратуры малооборотных двухтактных двигателей. Существенной разницы в топливовпрыскивающей аппаратуре среднеоборотных и других типов дизелей не существует ввиду ее высокой универсальности, поэтому тенденции развития топливной аппаратуры являются общими для различных типов двигателей.

Обзор конструкций судовых двигателей (см. табл. 9) показывает многообразие применяемых форсунок, что связано с жесткими требованиями к ним, а также с индивидуальными особенностями конструкций двигателей.

Форсунки для судовых дизелей выпускаются как специализированными предприятиями, так и дизелестроительными фирмами. Базой производства форсунок, выпускаемых специализированными предприятиями, являются установленные типоразмерные ряды распылителей и форсунок. В настоящее время приняты одинаковые основные установочные размеры для большинства предприятий; по существу, они приобрели характер международного стандарта.

Размерность форсунки определяется установочным диаметром распылителя. Распространенные в зарубежной практике размерности распылителей и соответствующие им размерности форсунок даны в табл. 11.

Установочные диаметры форсунок 45 и 50 мм размерностей Т и U введены в качестве стандартных и используются в основном для охлаждаемых распылителей.

Типоразмер форсунки зависит также от конструктивных особенностей распылителя. Типовые схемы и основные конструктивные соотношения распылителей, применяемых в зарубежной практике можно рассмотреть на примере типоразмерного ряда, выпускаемого фирмой «Р. Бош». В новый типоразмерный ряд введены длиннокорпусные распылители и распылители с охлаждением размерностей Т и U, что связано с высокой форсировкой современных судовых дизелей и возрастающей тепловой нагрузкой распылителей.

В зарубежной практике каждый типоразмер форсунки может выпускаться с большим количеством установочных длин. Так, фирма «Р. Бош» выпускает 12 конструкций форсунок с 54 установочными длинами, фирма CAV — 4 конструкции с 50 установочными длинами; аналогичные соотношения характерны для фирм «Брайс», «Фридман и Майер» и др. Отдельные фирмы в соответствии с требованиями заказчика выполняют индивидуальный подбор в определенном диапазоне установочных длин форсунок (для размерностей Т — до 274 мм, W — до 400 мм и V — до 525 мм).

Вопросы унификации специализированные фирмы решают путем организации производства форсунок на базе унифицированных узлов и деталей. Так, фирма CAV, используя 6 гаек распылителей, 13 колпаков форсунок, 6 подводящих штуцеров и 3 корпуса, выпускает 423 типа форсунок. Характерным примером возможностей компоновки из унифицированного комплекта деталей являются форсунки размерности Т фирмы «Брайс». Различные способы расположения регулировочных винтов, подсоединительных штуцеров и крепления форсунок позволяют использовать их для большого числа двигателей с различной конструкцией головок цилиндров.

В форсунках, выпускаемых дизелестроительными фирмами для собственных судовых дизелей, как правило, сохраняются традиционные конструктивные решения, используемые фирмой для дизелей другой форсировки и типоразмера. Изменения обусловлены лишь совершенствованием конструкции форсунок, а также, например, особенностями среднеоборотных дизелей по сравнению с малооборотными.

Основные характеристики наиболее характерных форсунок высокофорсированных среднеоборотных дизелей с цилиндровой мощностью 375 кВт и выше даны на рис. 22-26.

Форсунка, показанная на рис. 22, разработана фирмой «Бурмейстер и Вайн» для среднеоборотных дизелей типа 45HU. Применены охлаждаемый распылитель с приваренной охлаждающей рубашкой, два канала к распылителю (топливоподводящий и топливоотводящий) для организации прокачки форсунки и штанга, передающая усилие от пружины к игле распылителя, уменьшенной длины.

Форсунка, приведенная на рис. 23, применяется на дизелях типа РС4 (ЧН 57/62) с цилиндровой мощностью 1 100 кВт при частоте вращения 400 мин^-1 фирмы «СЕМТ-Пилстик». Форсунка крепится в головке цилиндров отдельным нажимным фланцем с двумя шпильками. Распылитель охлаждаемый. Топливо к форсунке подводится длинным штуцером, проходящим к нижней части ее корпуса по соответствующему каналу в головке цилиндра. Места подвода охлаждающей жидкости к форсунке уплотнены резиновыми кольцами. Пружина форсунки максимально приближена к распылителю.

Форсунка, показанная на рис. 24, разработана фирмой «Митцуи» для среднеоборотных дизелей типа V60M (ЧН 60/64). Форсунка имеет оригинальную компоновочную схему, отличную от обычных типовых форсунок. Все узлы установлены в отдельном дополнительном корпусе, с помощью которого форсунка крепится также в головке цилиндра. В нижней части корпуса в зоне установки распыливающего сопла выполнены охлаждающие полости; жидкость подводится в них и отводится из головки цилиндра. Внутри корпуса размещен узел, состоящий из распылителя с отъемным соплом, проставки, в которой размещена пружина, резьбовой муфты, крепящей распылитель к корпусу форсунки, топливоподводящего штуцера и деталей крепления трубки высокого давления к штуцеру. На трубку высокого давления надет предохранительный чехол. Все места возможного сбора протечек из линии высокого давления и из линии дренажа уплотнены мягкими кольцами.

Форсунка, представленная на рис. 25, разработана фирмой «Л’Оранж» для дизелей типа М601 (ЧН 58/60) фирмы MAK. Форсунка имеет распылитель с полостью охлаждения, образованной накидным резьбовым колпаком. Распылитель крепится к корпусу форсунки стяжной муфтой через накидной колпак. Пружина максимально приближена к распылителю. Топливо подводится через штуцер, в котором размещен щелевой фильтр. Форсунка имеет относительно малый установочный диаметр и большую установочную длину.

На рис. 26 показана форсунка размерности V фирмы «Брайс». Форсунка подобного типа используется на среднеоборотных дизелях фирмы «Мирлис-Националь». Для форсунки характерно применение, охлаждаемого распылителя с тонкостенной напрессованной рубашкой, низким расположением пружины и относительно длинным корпусом без собственного крепежного фланца.

Несмотря на различные конструкции и компоновочные схемы, рассмотренные типы форсунок имеют общие характеристики и, в частности, принудительное охлаждение распылителей, причем полости охлаждения выполнены непосредственно в корпусе путем напрессовки или приварки охлаждающей рубашки. Характерно, что фирма «Бурмейстер и Вайн» перешла от традиционных распылителей с накидной гайкой к распылителям с приваренной рубашкой (см. рис. 22). Распылители этого типа более компактны, имеют меньшую тепловоспринимающую поверхность и меньше нагружены механическими монтажными усилиями в районе запорного конуса и прецизионной направляющей поверхности иглы. Это обусловливает преимущества таких распылителей при переводе дизелей на тяжелые сорта топлива в отношении уменьшения механической нагруженности и лучшего регулирования температурного режима. Общим свойством рассмотренных конструкций форсунок является также уменьшение масс подвижных деталей за счет максимального приближения пружины к распылителю, что наиболее отчетливо проявилось в конструкциях распылителей фирм «Брайс» и «Л’Оранж». Это создает предпосылки для уменьшения нагрузок на запорный конус корпуса и иглы распылителя, повышая тем самым надежность их работы.

Прокачка линии высокого давления при работе на тяжелых сортах топлива еще не получила распространения на среднеоборотных дизелях. Лишь на форсунках фирмы «Бурмейстер и Вайн» применена система прокачки каналов топливопровода, включая корпус распылителя. На форсунках малооборотных дизелей (фирмы «Зульцер», «Фиат» и др.) этот способ применяется более широко. Это объясняется тем, что на малооборотных дизелях ограничения по установочным габаритам форсунок менее жестки, чем на среднеоборотных.