Скоростные характеристики топливной аппаратуры судового двигателя

Скоростной характеристикой топливной аппаратуры (или иначе — “характеристикой подачи”) называется зависимость цикловой подачи топлива gц или коэффициента подачи ηн от частоты вращения коленчатого вала при неизменном положении топливной рейки

Скоростная характеристика является одним из основных факторов, определяющих изменение параметров работы дизеля по внешней характеристике. Так, если при изменении условий плавания (к примеру, утяжелении винта) цикловая подача топлива увеличивается при снижении оборотов, то тяговые свойства дизеля улучшаются, имеет место “саморегулирование” двигателя. Правда, при этом возрастают механические и тепловые нагрузки цилиндра (см. Внешние характеристики дизеля).

Скоростные характеристики топливной аппаратуры могут быть сняты на стенде в широком диапазоне скоростных режимов при различных положениях топливной рейки. В общем случае характер зависимости gц = f(n) при T.P.=const связан с факторами: давлением в магистрали наполнения ТНВД (давлением подкачки), принципом регулирования, конструкцией плунжерной пары, наличием и конструкцией нагнетательного клапана, другими конструктивными особенностями конкретной топливной системы. Рассмотрим факторы, определяющие цикловую подачу, более подробно.

Величина цикловой подачи определяется прежде всего геометрической подачей gцг на активном ходе плунжера hа; все прочие факторы учитываются коэффициентом подачи ηп:

gц = gцг ηп = fпл hа γt ηп, (№1)

  • где fпл — площадь поперечного сечения плунжера;
  • hа — активный ход плунжера;
  • γt — удельный вес топлива;
  • ηп — коэффициент подачи;
  • gцг = fпл hа γt — геометрическая цикловая подача.

Расшифруем те факторы, которые учитываются коэффициентом ηп. Напишем выражение для цикловой подачи топлива в виде:

gц = gцг + Δgнп + Δgкп — Δgнап — Δgсж — Δgпр

где Δgнп, Δgкп — увеличение производительности ТНВД по сравнению с геометрической цикловой подачей за счет дросселирования потока в органах наполнения и отсечки (в начале и в конце подачи);

Δgнап, Δgсж, Δgпр — потеря производительности ТНВД из-за ухудшения условий наполнения, потери части активного хода плунжера на сжатие топлива и на протечки через неплотности прецизионных пар.

Как отмечалось при рассмотрении динамических характеристик, действительные моменты начала и конца подачи по насосу не соответствуют геометрическим моментам топливоподачи. Дросселирование потока приводит как бы к увеличению активного хода плунжера на величину Δhпл, (рис. 1-а). Влияние этого фактора на величину gц возрастает с ростом частоты вращения.

Рис. 1 Схема влияния различных факторов на изменение цикловой подачи: а) дросселирования в начале и в конце подачи; б) потери на наполнение и сжимаемость; в) протечки в прецизионных парах

Условия наполнения ТНВД в значительной степени зависят от наличия автоматического всасывающего клапана в насосе, давления подкачки (или статического подпора на наполнении) и волновых явлений в топливоподводящей магистрали. Особенно неблагоприятны условия наполнения в ТНВД с регулированием по концу подачи без всасывающего клапана, когда отсечка подачи осуществляется в магистраль подвода топлива. Волновые явления при отсечке приводят к разрыву сплошности потока топлива, образованию кавитационных пузырей (паров топлива, воздуха), что ухудшает наполнение насоса.

Как показывает опыт, с ростом давления подкачки до 2-2,5 кг/см2 наполнение улучшается, цикловая подача растет; дальнейшее увеличение давления подкачки незначительно увеличивает цикловую подачу. При неизменном давлении подкачки и возрастании частоты вращения коленчатого вала потеря на наполнение насоса Δgнап увеличивается, т.к. сокращается время на “захлопывание” кавитационных пузырей. При этом как бы уменьшается активный ход (рис. 1-б).

Аналогично влияние сжимаемости топлива. Часть нагнетательного хода плунжера тратится на сжатие топлива до максимального давления Рнмах; при этом объем топлива уменьшается на величину ΔVсж. В последующем объем ΔVсж теряется — при открытии отсечных органов топливо вытекает из полости нагнетания насоса, давление в полости нагнетания падает от Рнмах до давления подкачки. С ростом частоты вращения потеря на сжимаемость Δgсж растет, т.к. растет давление Рнмах и соответственно деформация объема ΔVсж. Истечение топлива при отсечке происходит от большего давления.

Значительное влияние на величину Δgсж оказывает способ регулирования ТНВД и наличие нагнетательного клапана. У двигателей Бурмейстер и Вайи с регулированием ТНВД по концу подачи нагнетательный клапан в насосе отсутствует. При этом потеря Δgсж весьма существенна, поскольку при отсечке топливо вытекает в отсечную магистраль от давления Рнмах не только из объема полости нагнетания насоса, но и из форсуночного трубопровода. В двигателях Зульцер типа РД потеря Δgсж минимальна, поскольку ТНВД имеет нагнетательный клапан и регулируется началом подачи.

Протечки топлива через зазоры прецизионных пар насоса и форсунки неизбежны и мало того — необходимы для смазки и отвода тепла при движении плунжера и иглы форсунки. Величина протечек Δgпр зависит от величины давления и времени его действия. При снижении частоты вращения коленчатого вала при неизменном положении топливной рейки время действия давления увеличивается, соответственно растут протечки Δgпр (рис. 1-в).

В топливных системах с нагнетательным клапаном на выходе из насоса обеспечивается определенное остаточное давление в форсуночном трубопроводе и в форсунке. Под действием этого давления топливо протекает через зазор в прецизионной паре распылителя в промежутках между впрысками. При этом доля протечек через распылитель может оказаться значительно больше, чем протечки через ТНВД.

Следует отметить, что цикловая подача при прочих равных условиях зависит от плотности (удельного веса) и вязкости топлива. При увеличении вязкости протечки топлива уменьшаются. Изношенная плунжерная пара, не обеспечивающая требуемую плотность при работе на маловязком дизельном топливе, вполне справляется со своими функциями при работе на высоковязком моторном топливе.

Таким образом, общий качественный анализ позволяет сделать вывод, что с ростом частоты вращения цикловая подача топлива при Т.P.=const должна возрастать за счет составляющих Δgнп, Δgкп или падать за счет Δgнап, Δgсж, Δgпр. Степень влияния каждого фактора различна для конкретных конструктивных решений.

На рис. 2 дан ряд характеристик подачи топливной аппаратуры опытного двигателя ДКРН 75/160 Брянского машиностроительного завода, построенных в области режимов работы двигателя на винт (исследования выполнены кафедрой ДВС ЛВИМУ им.адм. С.О.Макарова).

Топливная аппаратура включала в себя ТНВД золотникового типа с регулированием концом подачи. Как видно из рисунка, в области больших подач при снижении частоты вращения цикловая подача возрастает. Это объясняется главным образом улучшением наполнения насоса (потеря Δgнап уменьшается при увеличении времени на наполнение) и снижением потерь Δgсж (при снижении оборотов давление в полости нагнетания насоса уменьшается, истечение топлива при отсечке происходит от меньшего давления).

Рис. 2 Характеристики подачи топливной системы двигателя ДКРН 75/160

В области режимов малого хода при T.P.=const со снижением оборотов цикловая подача уменьшается. Определяющее влияние на такой характер скоростной характеристики оказывает фактор протечек. Уменьшение подачи на малом ходу осуществляется разворотом плунжера. При этом значительно уменьшается уплотнительная поверхность плунжера — не успела верхняя кромка плунжера перекрыть отсечное отверстие, как тут же нижняя косая кромка это отверстие открывает.

Протечки топлива через зазоры прецизионной пары становятся соизмеримыми с величиной цикловой подачи. Возрастание протечек при снижении частоты вращения, как это указывалось, определяется увеличением времени воздействия давления.

Скоростные характеристики топливной аппаратуры с ТНВД клапанного типа, регулируемые концом подачи, имеют тот же вид, что и рассмотренные выше характеристики топливных систем с золотниковыми насосами.

Характеристики подачи топливной аппаратуры с регулированием ТНВД началом подачи принципиально отличаются от характеристик систем, регулируемых концом подачи. Как видно из рис. 3, при регулировании началом подачи со снижением оборотов цикловая подача уменьшается на всем эксплуатационном диапазоне работы двигателя.

При этом ухудшаются тяговые качества двигателя при работе по внешней характеристике. Уменьшение подачи объясняется снижением давления нагнетания при снижении частоты вращения. При этом давление посадки иглы форсунки достигается по углу поворота коленчатого вала раньше, уменьшается фаза впрыска, увеличивается потеря на сжимаемость.

Рис. 3 Характеристики топливоподачи дизеля Д30/50: 1- регулирование концом и 2- началом подачи

Принципиально скоростные характеристики можно представить не в абсолютном, а в относительном виде — как зависимости коэффициента подачи от частоты вращения. Характер этих зависимостей будет тот же, что и для абсолютных величин цикловых подач. Однако сопоставление зависимостей ηп = f(n) при T.P.=const для различных способов регулирования позволяет оценить потери и в какой-то степени — КПД системы топливоподачи.

Как видно из рис. 4, при регулировании началом подачи коэффициент ηп примерно в 2 раза больше, чем при регулировании концом подачи. В последнем случае действительная подача составляет примерно 0,5 от геометрической цикловой подачи: ηп = gц / gц2 ≈ 0,5. При этом основная потеря — это потеря на сжимаемость.

Рис. 4 Зависимость коэффициента подачи от оборотов при Т.P.=const: 1- регулирование концом; 2- началом подачи

Энергия, затрачиваемая на сжатие топлива, в значительной степени теряется безвозвратно при отсечке подачи, когда топливо вытекает с большой скоростью из полости нагнетания ТНВД. При этом возникают дополнительные серьезные проблемы, связанные с разрушением элементов ТНВД струей топлива.

Решаются эти проблемы установкой нагнетательных клапанов на входе в форсуночный трубопровод, применением каскада дросселирующих отверстий на отсечной магистрали, установкой специальных болтов напротив отсечных отверстий и демпферов колебаний на отсечке, другими конструктивными мерами.

Смотрите также:
Внешние характеристики дизеля

Октябрь, 29, 2016 636 0
Читайте также