Характеристики систем топливоподачи

Системы топливоподачи судна должны быть всегда в исправном состоянии, от них зависит стабильная работа дизеля. В этой статье вы узнаете какие характеристики топливной аппаратуры считаются приемлемыми, и какие приводят к неисправностям.

Регулировочные характеристики топливной аппаратуры

Тщательная регулировка топливной аппаратуры является залогом надежной и экономичной работы дизеля при минимально возможном содержании в выхлопных газах вредных выбросов. В соответствии с требованиями инструкций по эксплуатации, регулировка включает в себя установку давления затяга иглы форсунки, а также моментов топливоподачи по углу поворота коленчатого вала и по ходу плунжера топливного насоса высокого давления (ТНВД). Давление затяга иглы форсунки регулируется на опрессовочном стенде; эта операция не представляет какой-либо сложности. Проверка моментов топливоподачиПроцесс топливоподачи и регулировка ТНВД является более сложной и ответственной операцией, требующей высокой квалификации. Регулировка ТНВД может быть облегчена при использовании статических характеристик, дающих полную картину работы и настройки насоса.

Регулировочными характеристиками топливной аппаратуры или иначе — “регулировочными характеристиками топливной аппаратуры по статическим параметрам” — называются зависимости параметров регулирования ТНВД (геометрического угла начала φ_нпн и конца φ_кпн подачи по насосу, активного хода плунжера h_a, высоты подъема всасывающего или отсеченного клапана

$h_{кл}^{max}$

и т. д.) от положения топливной рейки Т.Р. или указателя нагрузки У.Н. В практике регулировочные характеристики часто называют статическими характеристиками. Вид статических характеристик и порядок их построения различается в зависимости от типа ТНВД и способа его регулирования.

ТНВД клапанного типа с регулированием по концу подачи

Фирма Зульцер применила ТНВД клапанного типа с регулированием по концу подачи в двигателях типа RND. Во всех последующих модификациях, включая современные разработки фирмы с традиционной системой впрыска топлива, конструкция насоса практически не претерпела изменения. В современных дизелях Зульцер система впрыска дополнена системой VIT, изменяющей угол начала подачи топлива в функции частоты вращения дизеля и давления наддува. При изменении угла начала подачи одновременно меняется и угол конца подачи таким образом, чтобы активный ход плунжера при данном значении указателя нагрузки не изменялся.

Топливные насосы клапанного типа имеют регулируемые всасывающий и отсечной клапаны. Всасывающий клапан закрывается в один и тот же момент по ходу плунжера и по углу поворота коленчатого вала независимо от положения указателя нагрузки. Отсечной клапан регулирует активный ход плунжера и цикловую подачу, открывается в разные моменты по ходу плунжера и по углу поворота коленчатого вала в зависимости от положения указателя нагрузки.

Статические характеристики ТНВД снимаются с помощью 3-х механических индикаторов линейных перемещений, устанавливаемых над плунжером, всасывающим и отсечным клапанами, как это показано на рис. 1. В первую очередь с помощью индикатора 2 при проворачивании коленчатого вала валоповоротным устройством замеряется через каждые 2-4° пкв подъем плунжера и соответствующие каждому положению плунжера углы поворота маховика коленчатого вала.

Возвратив плунжер ТНВД в нижнюю мертвую точку, в дальнейшем все моменты топливоподачи можно определять путем подъема плунжера вручную с помощью механизма отключения насоса. Поднимая плунжер, фиксируют моменты подъема и посадки всасывающего и отсеченного клапанов при различных положениях указателя нагрузки.

Итоги этой работы можно представить в виде характеристик, как это показано на рис. 2 для двигателя Sulzer RND76. В правой части рисунка построена кривая h_пл(φ), позволяющая связать ход плунжера с углом поворота коленчатого вала. Левая часть позволяет определять моменты топливоподачи при любом положении указателя нагрузки. Как видно из рисунка, начало подачи происходит в один и тот же момент по ходу плунжера и по углу поворота коленчатого вала, а конец подачи и активный ход изменяются с изменением положения указателя нагрузки.

Инструкции по эксплуатации двигателей задают в качестве регулировочных моменты топливоподачи при определенных положениях указателя нагрузки (У.Н.). Для двигателей фирмы Зульцер это положение равно У.Н = 8,0. Для приведенного на рисунке примера моменты топливоподачи при У.Н.= 8,0 имеют значения: ход плунжера от его НМТ до момента посадки на седло всасывающего клапана h_пл^нп = 9,50 мм; ход плунжера от НМТ до момента начала подъема отсечного клапана h_пл^кп = 40,0 мм. Соответствующие этим моментам значения углов поворота коленчатого вала равны φ_нпн = 11,3° пкв до ВМТ, φ_кпн = 14,75° пкв после ВМТ; активный ход плунжера h_a = 30,50 мм. Максимальный подъем клапанов равен: для всасывающего клапана 1 – h_вc^max = 3,09 мм, для отсеченного 3 — h_отс^max = 1,10 мм. Используя статические характеристики, можно найти моменты топливоподачи для любого положения указателя нагрузки.

Если моменты начала h_пл^нп и конца h_пл^кп подачи по ходу плунжера при заданном У.Н. отличаются от регламентируемых значений сверх допустимого, то необходимо выполнить регулировку этих моментов изменением длины толкателей всасывающего и отсеченного клапанов. При увеличении длины толкателя всасывающего клапана максимальная высота подъема клапана (в момент нахождения плунжера в НМТ) увеличится, начало подачи сместится ближе к ВМТ, активный ход плунжера уменьшится. При увеличении длины толкателя отсеченного клапана максимальная высота подъема клапана (в момент прихода плунжера в его верхнее положение) также увеличится, конец подачи наступит раньше по ходу плунжера, активный ход плунжера уменьшится.

Если моменты топливоподачи по ходу плунжера удовлетворяют инструкции, а моменты подачи по углу поворота коленчатого вала не соответствуют требованиям, то в этом случае необходимо сместить на требуемый угол топливный кулак на распределительном валу. При развороте кулака в сторону направления вращения угол опережения подачи топлива возрастает.

При необходимости регулировки ТНВД в условиях ограниченности по времени статическая характеристика, снятая на насосе ранее, позволяет существенно уменьшить объем работ и время на регулировку. Так, если в приведенном на рис. 2 примере нужно обеспечить при У.Н. = 8,0 такой же активный ход, как при У.Н. = 6,0, то необходимо установить лишь один индикатор линейных перемещений — над отсечным клапаном, и при нахождении плунжера ТНВД в его ВМТ и У.Н. = 8,0 отрегулировать высоту подъема клапана так, чтобы она равнялась

$h_{отс}^{max} = 2,7$

мм (как ранее при У.Н. = 6,0). Статистические характеристики при этом займут положение, показанное пунктиром. Правилами технической эксплуатации судовых дизелей разрешено производить подрегулировку ТНВД в сторону цикловой подачи на ходу двигателя. Для рассматриваемого насоса это можно сделать с помощью специальных разрезных шайб, которые подкладываются под толкатели клапанов.

 
После регулировки насоса необходимо проверить нулевую подачу, чтобы гарантировать остановку двигателя при установке топливного рычага на “0”. При наличии 3-х индикаторов линейных перемещений для определения нулевой подачи необходимо вручную поднять плунжер до уровня h_пл^нп (момента посадки на седло всасывающего клапана). Задерживая плунжер в этом положении, перемещением топливного рычага устанавливается положение указателя нагрузки, при котором начинает подниматься отсечной клапан. Это значение У.Н. и даст нулевую подачу (точка А на рис. 2 при У.Н. = 1,0). При положении указателя нагрузки правее полученной точки подача топлива исключена, т. к. отсечной клапан начинает подниматься до того, как сядет на седло всасывающий клапан.

Грубая проверка нулевой подачи может быть выполнена без демонтажа крышек насоса и установки индикаторов линейных перемещений. Для этого необходимо прокачать насос вручную при различных положениях У.Н. Перемещение плунжера ТНВД от НМТ к его ВМТ вручную возможно у судового малооборотного дизеля лишь при отсутствии подачи. Если же при каком-то значении У.Н. насос начинает подавать топливо в форсуночный трубопровод, то усилия человека оказывается недостаточно для преодоления усилия затяга иглы форсунки.

Рассмотренный выше насос клапанного типа с регулированием по концу подачи принципиально может быть использован как насос со смешанным регулированием. Совершенствование методики регулирования топливной аппаратуры фирмы идет по пути системы VIT – изменения угла опережения подачи топлива при изменении нагрузки двигателя, характеристик топлива и целей регулирования. Возможности регулирования значительно расширены благодаря использованию электронного контроля. Электронное управление позволило организовать 3 программы управления углом опережения подачи топлива:

• Стандартная программа VIT изменения угла опережения подачи при изменении нагрузки дизеля, которая решает задачи (рис. 3):
• участок mn – увеличение энергии газов на газовую турбину;
• участок ng – перераспределение энергии между цилиндром и газовой турбиной в сторону увеличения доли, срабатываемой в цилиндре;
• участок gf – обеспечение на неизменном уровне предельно допустимых показателей механической напряженности (p_z = const);
• NO_x – программа (VIT low NO_x), в которой угол опережения подачи уменьшается для снижения содержания в выхлопных газах окислов азота;
• FQS – программ (Fuel Quality setting), в которой угол опережения подачи топлива может устанавливаться “вручную” до 2° пкв выше или ниже системы VIT в зависимости от качества топлива. На рисунке показан пример увеличения угла опережения подачи на 1° пкв.

ТНВД золотникового типа с регулированием по концу подачи топлива

Изменение моментов топливоподачиПроцесс топливоподачи по ходу плунжера и по углу поворота коленчатого вала у золотникового насоса с регулируемым концом подачи имеет тот же характер, что и у клапанного насоса. Однако порядок построения статистических характеристик и регулировка насоса существенно отличаются.

Прежде всего, у ТНВД с разъемными кулачными шайбами (двигатели MAN) замеряется и при необходимости регулируется зазор S между цилиндрической частью кулака и роликом толкателя (рис. 4). Наличие зазора не допускает обкатывания роликом разъемов кулачной шайбы. Разъемная конструкция шайбы облегчает ее сборку на распределительном валу, а также позволяет изменять угол установки кулака разворотом подвижной части шайбы, ослабив предварительно крепежные болты, относительно неподвижной цилиндрической части, сидящей на валу на шпонке.

Для связи величины подъема плунжера с углом поворота коленчатого вала должна быть построена зависимость h_пл(φ) (рис. 5, правая часть). Для этого, как и для клапанного насоса, необходимо демонтировать нагнетательный клапан и установить индикатор линейных перемещений или мерительный шток над плунжером, как это показано на рис. 4. Проворачивая коленчатый вал, через каждые 2-4° пкв замеряют высоту подъема плунжера и соответствующие положения маховика по углу поворота коленчатого вала.

Начало подачи насоса определяется моментом перекрытия отсечного отверстия верхней кромкой плунжера. Этот момент можно определить разными способами. Наиболее распространенным и сравнительно малоточным способом является определение момента начала подачи по углу поворота коленчатого вала с помощью “мениска”. При отсоединенном форсуночном трубопроводе на штуцере ТНВД устанавливается через резиновый шланг стеклянная трубка малого диаметра, насос заполняется топливом до появления уровня в стекле.

Проворачивая коленчатый вал, необходимо уловить момент, когда мениск в стеклянной трубке начнет подниматься — это и есть начало подачи. Малая точность метода определяется инерционностью движущихся масс двигателя — уловив момент страгивания мениска, наблюдатель тут же выключает валоповоротное устройство, однако коленчатый вал еще некоторое время продолжает по инерции вращаться, что дает погрешность при отсчете угла поворота по маховику.

Кроме того, метод мениска вообще неприменим для ТНВД, не имеющих нагнетательного клапана (малооборотные двигатели Бурмейстер и Вайн) — при нахождении плунжера в районе его НМТ топливо будет постоянно вытекать через стеклянную трубку под напором расходной топливной цистерны (до момента перекрытия плунжером отсечного отверстия).

Наиболее точные замеры начала подачи — визуальные, после снятия крышки ТНДВ, когда можно непосредственно увидеть момент перекрытия верхней кромкой плунжера отсечного отверстия и замерить соответствующую высоту подъема плунжера h_пл^нп. Поднимать плунжер можно или путем проворачивания коленчатого вала, или с помощью механизма ручного отключения ТНВД. Подъем плунжера вручную предпочтителен, т. к. требует меньших затрат времени на определение h_пл^нп. При высокой технологической культуре производства нулевая подача (точка А) и угол наклона косой кромки плунжера известны, что позволяет построить регулировочную характеристику (рис. 5, левая часть).

Построив статические характеристики насоса, как это показано на рисунке, можно найти моменты топливоподачи и сравнить их с рекомендациями завода-строителя и с данными предыдущей регулировки. При необходимости зазор S регулируется с помощью прокладок под корпус ТНВД. При любой конструкции ТНВД установка прокладок под корпус насоса изменяет моменты начала и конца подачи по ходу плунжера и по углу поворота коленчатого вала и не изменяет активный ход (h_a = const).

Моменты топливоподачи по углу поворота коленчатого вала при неизменных моментах по ходу плунжера могут быть изменены путем разворота топливного кулака на распределительном валу. Величина цикловой подачи (или момент конца подачи) может быть изменена путем поворота плунжера вокруг своей оси — изменением длины тяги топливной рейки.

Читайте также: Процесс сгорания топлива в цилиндре дизеля

В малооборотных двигателях MAN-B&W нет зазора между цилиндрической частью кулака и роликом толкателя. Моменты начала и конца подачи определяются визуально через отверстие демонтированного отсечного болта. Проворачивая коленчатый вал валоповоротным устройством, можно уловить момент, когда верхняя кромка плунжера перекроет отсечное отверстие. Это – момент начала подачи. Замеряются положения коленчатого вала по маховику φ_нп и плунжера h_пл^нп – с помощью штатного мерительного устройства, устанавливаемого над плунжером. Не изменяя положения коленчатого вала, перемещением топливной рейки насоса улавливают момент, когда в отсечном отверстии начнет появляться нижняя косая или боковая кромка плунжера. Значение индекса топливного насоса при этом даст нулевую подачу. Продолжая “импульсно” проворачивать двигатель валоповоротным устройством далее, при остановках коленчатого вала в произвольных 3-5 точках замеряется высота подъема плунжера и соответствующее каждому значению подъема плунжера – значение индекса ТНВД, при котором начинается отсечка подачи. Отсечка при каждом положении плунжера определяется путем перемещения топливной рейки по началу появления в отсечном отверстии нижней косой кромки плунжера. По данным выполненных замеров может быть посртоена регулировочная характеристика по статическим параметрам.

Фирма MAN-B&W не дает общепринятых параметров статической регулировки ТНВД для своих двигателей. На рис. 6 приведена статическая характеристика топливного насоса двигателя 6L80GF, снятая в условиях эксплуатации визуальным методом. Она позволяет понять физическую сущность регулировочных параметров, используемых фирмой, помогает практически обеспечить высокое качество регулирования.

В соответствии с фирменной инструкцией, в качестве регулировочных предусматриваются 2 параметра: размеры “a” и “c” (см. рис. 6). Размер “a”, называемый “опережением топливного насоса”, равен расстоянию, проходимому плунжером от верхней кромки отсечного отверстия до момента, когда поршень соответствующего цилиндра приходит в ВМТ. Регулировка параметра “a” производится путем перемещения втулки плунжера ТНВД в вертикальном направлении (с помощью прокладок между крышкой и втулкой плунжера или с помощью втулки с винтовой резьбой в системе VITСистемы VIT). Размер “c”, называемый “опережением топливной кулачной шайбы”, равен расстоянию, проходимому плунжером от своего нижнего положения до момента, когда поршень цилиндра приходит в ВМТ. Размер “c” регулируется путем поворота кулачной шайбы на распределительном валу. Определение нулевой подачи фирмой не предусматривается.

ТНВД золотникового типа со смешанным регулированием

Все современные малооборотные судовые двигатели имеют топливные насосы высокого давления со смешанным регулированием. В золотниковых насосах дизелей MAN-B&WСистема электронного управления фирмы MAN-B&W смешанный закон регулирования обеспечивается 2-мя способами:

1. Соответствующим профилированием кромок плунжера, регулирующих начало и конец подачи;
2. С помощью следящей системы VIT, устанавливающей моменты топливоподачи в зависимости от положения топливной рейки путем перемещения втулки плунжерной пары по высоте в насосах с конструктивным регулированием по концу подачи.

Первый способ регулирования был применен фирмой B&W в некоторых двигателях ряда L-GF и повсеместно используется в современных двигателях типов МС с диаметрами цилиндров менее 500 мм. Вид регулировочной характеристики такого насоса дан на рис. 7.

Как видно, угол опережения подачи топлива изменяется при изменении активного хода в довольно широких пределах – от минимального (на рисунке φ_нпн^min = 5,8° до ВМТ) на режиме самой малой подачи до максимального (φ_нпн^max = 10,5°) на режимах нагрузки 85-90 % от номинальной. Однако при дальнейшем увеличении подачи угол опережения начинает снижаться и на 100 % нагрузки имеет примерно то же значение, что и на самых малых оборотах.

Идея такого закона регулирования – следующая: за счет уменьшения угла опережения подачи на малых нагрузках перераспределяется энергия газов между цилиндрами и ТК для обеспечения баланса мощности ТК. При нагрузках 85-90 % достигается максимальное давление сгорания в цилиндрах при максимальном угле опережения подачи. При дальнейшем увеличении нагрузки обеспечивается постоянство давления сгорания P_Z = const и сохранение на допустимом уровне механической напряженности за счет уменьшения угла опережения подачи топлива φ_нпн.

Такая же идея заложена в основу 2-го способа регулирования, используемого в двигателях рядов МС с диаметрами цилиндра более 500 мм. Характер изменения φ_нп жестко связан с изменением нагрузки дизеля (положением топливной рейки), иллюстрируется рис. 8, построенным для одной из модификаций дизеля 6S70MC. Задачи, решаемые показанной закономерностью изменения параметра φ_нп – аналогичны рассмотренным для клапанных насосов с системой VIT.

Регулировочные характеристики ТНВД двигателя 6S70MC постройки Daewoo показаны на рис. 9. Здесь в левом верхнем углу дана характеристика VIT – зависимость угла опережения подачи топлива от положения рейки системы VIT.

Как видно, возможная глубина регулировки находится в пределах от 1,0° до 5,0° до ВМТ. Без системы VIT статические характеристики насоса аналогичны насосу с регулированием концом подачи. Для приведенного на рисунке примера нулевая подача обеспечена при индексе ТНВД, равном ИТН₀ = 18. В диапазоне индексов ИТН — 18-65 угол опережения сохраняется неизменным и равным 1° до ВМТ. При ИТН = 65 система VIT вступает в работу и по мере увеличения нагрузки опускает втулку ТНВД вниз, что увеличивает угол опережения подачи. При ИТН = 90 угол φ_нпн достигает максимального значения (φ_нпн = 4,0° до ВМТ). Давление сгорания при этом обычно равно P_Z = 120-130 bar. При дальнейшем увеличении нагрузки угол φ_нпн начинает снижаться с той же целью – для обеспечения P_Z = const.

Сравнивая рассмотренные 2 способа смешанного регулирования, нужно отдать предпочтение 1-му способу, когда моменты топливоподачи обеспечиваются соответствующим профилированием кромок плунжера. При этом, безусловно, несколько усложняется технология изготовления плунжера, однако в целом система топливоподачиНазначение, классификация, схемы работы систем топливоподачи в судовых дизелях значительно упрощается, становится более надежной в работе и в регулировке (без самопроизвольного изменения регулировочных параметров ТНВД в процессе эксплуатации из-за неполадок в системе регулирования или в исполнительном механизме, что наблюдается на практике).

Динамические характеристики топливной аппаратуры. Влияние моментов топливоподачи на индикаторный процесс

Как это отмечалось в статье Процессы топливоподачи в СДВС“Параметры топливоподачи и факторы, их определяющие”, действительные моменты подачи топлива в цилиндр по углу поворота коленчатого вала φ_нп, φ_кп не совпадают с моментами топливоподачи по насосу φ_нпн, φ_кпн.

Основные причины этого — наличие форсуночного трубопровода определенной длины, в котором возникают прямые и отраженные волны давления; плавность нарастания “фронта” давления, что требует некоторого времени для достижения давления затяга иглы форсунки; дросселирование топлива во всасывающих и отсечных органах ТНВД. Параметры подачи по форсунке (иначе — действительные параметры регулирования) могут быть получены расчетным или экспериментальным путем.

Динамическими характеристиками топливной аппаратуры (или “регулировочными характеристиками по динамическим параметрам”) называются зависимости действительных моментов топливоподачиПроцесс топливоподачи по углу поворота коленчатого вала от положения топливной рейки или частоты вращения коленчатого вала.

ТНВД с регулированием по концу подачи

Исследования показывают, что динамические характеристики в первую очередь зависят от способа регулирования ТНВД — по началу или по концу подачи — и не зависят от типа насоса (клапанный или золотниковый). Поскольку топливные насосы с регулированием по началу подачи можно встретить на судах самого преклонного возраста (постройки 50-60-х годов прошлого века) – ограничимся насосами с регулированием по концу подачи.

Динамические характеристики топливной аппаратуры с регулированием по концу подачи рассмотрим на примере двигателя RND76, работающего на винт. Характеристики имеют вид, показанный на рис. 10.

Из рисунка видно, что:

1. Действительный угол опережения подачи по насосу φ_нпн^∂ несколько больше геометрического угла φ_нпн. Эта разница возрастает при увеличении частоты вращения, достигая на режимах полных ходов величины Δφ_н = φ_нпн^∂ – φ_нпн = 1,5° пкв. Более ранняя подача насоса объясняется эффектом дросселирования — насос начинает подавать топливо ранее, чем закроется полностью всасывающий клапан или перепускное отверстие. Чем больше частота вращения, тем больше скорость плунжера, тем значительнее дросселирование;
2. Действительный угол опережения подачи в цилиндр φ_нп сдвинут относительно угла подачи по насосу φ_нпн^∂: φ_нпн^∂ – φ _нп = Δφ_φ; разница фаз может достигать 19-20° пкв (двигатель Фиат С758S). Смещение фаз определяется конечной скоростью перемещения волны по форсуночному трубопроводу, а также сжимаемостью топлива (требуется некоторое время, чтобы сжать топливо до давления затяга иглы форсунки). Для большинства ДВС с ростом частоты вращения Δφ_ф возрастает. Волна давления перемещается по форсуночному трубопроводу со скоростью звука a = 1 00-1 300 м/сек. Время прохождения волны от насоса к форсунке одинаково как для малого, так и для полного ходов (Δτ = l_тр/a), однако на полном ходу за то же время коленчатый вал поворачивается на больший угол (поскольку Δφ = 6n Δτ), что и объясняет большее смещение фазы впрыска по форсунке при увеличением оборотов. В двигателях, где топливоподача начинается от нулевой скорости плунжера, с ростом частоты вращения возрастает скорость повышения давления по углу поворота коленчатого вала, давление подъема иглы форсунки достигается раньше. Поэтому, несмотря на увеличение угла прохождения волны от насоса к форсунке при повышении оборотов, опережение подачи по форсунке может оставаться постоянным;
3. Конец подачи по насосу и угол подачи насоса значительно изменяются по сравнению с геометрическими параметрами при увеличении частоты вращения. При этом на частичных режимах работы (n = 85-87 об/мин и ниже) конец подачи насоса происходит до ВМТ. На полном ходу подача заканчивается при повороте коленчатого вала за ВМТ на 10-11° пкв;
4. Действительный конец подачи по насосу φ_кпн^∂ определяется моментом падения давления у насоса до остаточного давления в системе. После открытия отсечных органов падение давление у насоса не происходит мгновенно — плунжер продолжает нагнетательный ход, что при наличии эффекта дросселирования обеспечивает постепенное падение давления на угле поворота коленчатого вала до 3-4°;
5. Угол конца подачи по форсунке φ_кп и продолжительность впрыска φ_п = φ_нп + φ_кп возрастают при увеличении частоты вращения более интенсивно, чем происходит изменение этих фаз по насосу. Одна из причин более интенсивного смещения фазы конца подачи указывалась — это возрастание угла поворота коленчатого вала при прохождении волны давления от насоса к форсунке при возрастании частоты вращения. Другая причина — волновые явления в системах с нагнетательным клапаном на входе в форсуночный трубопровод. По окончании подачи насоса отраженная от форсунки волна повторно отражается от севшего на седло нагнетательного клапана и вновь возвращается к форсунке, что продляет фазу впрыска. Конец впрыска вялый, что ухудшает распыл, снижает экономичность двигателя.

Для борьбы с волновыми явлениями в топливоподающих системах применяют специальные нагнетательные клапаны с отсасывающими поясками, выбирают оптимальное давление затяга иглы форсунки, стремятся уменьшить длину форсуночного трубопровода. Некоторые фирмы (в частности, Бурмейстер и Вайн) с целью ликвидации волновых явлений вообще не устанавливает нагнетательных клапанов на выходе из насоса, что снижает КПД системы топливоподачиНазначение, классификация, схемы работы систем топливоподачи в судовых дизелях, увеличивает динамику привода насоса (для обеспечения тех же давлений впрыска необходимо увеличивать скорость движения плунжера).

В двигателях MAH KZ 70/120, имеющих нагнетательные клапаны, продолжительность подачи по форсунке (вместе с фазой так называемого “подтекания” топлива) больше продолжительности подачи по насосу на 75 %: φ_п = 1,75 φ_пн. Для двигателя Зульцер RND76 это увеличение составляет φ_п = 1,1 φ_пн, что говорит о лучшей доводке системы.

Влияние моментов топливоподачи на индикаторный процесс двигателей

Качественный анализ связи динамических характеристик топливной аппаратуры с характером протекания рабочего процесса в цилиндре позволяет сделать правильные выводы при отклонении от нормы параметров рабочего процесса в цилиндре с изменением режима работы дизеля. В то же время, такой анализ позволяет ответить на вопрос – почему ТНВД с регулированием по началу подачи не находят применения на современном уровне производства судовых дизелей.

При работе двигателей на режимах номинальной и близких к ней нагрузок обеспечиваются примерно одинаковые технико-экономические показатели рабочего процесса независимо от способа регулирования топливных насосов. На режимах частичных нагрузок картина меняется. Регулирование концом подачи оказывается предпочтительным.

Анализ динамических характеристик топливной аппаратуры при работе на винт позволил выяснить, что при регулировании концом подачи со снижением нагрузки фаза впрыска перемещается ближе к ВМТ, а на малых нагрузках вся подача топлива в цилиндр происходит до ВМТ. Следовательно, процесс сгорания также перемещается в район ВМТ, показатель φ_pz уменьшается (рис. 11). При этом сокращается догорание на линии расширения, что способствует повышению экономичности индикаторного процесса.

У главных двигателей с регулированием по началу подачи с уменьшением частоты вращения примерно со среднего хода начало подачи смещается за ВМТ. Такой поздний впрыск топлива на частичных нагрузках сопровождается смещением сгорания за ВМТ и значительным уменьшением P_z из-за:

1. Уменьшения давления наддува и соответственно давления сжатия P_c;
2. Уменьшения цикловой подачи топлива;
3. Перемещения сгорания на линию расширения. На малых оборотах давление сгорания становится меньше давления сжатия: P_z < P_c (рис. 12). При этом значительно снижается экономичность рабочего процесса.

Таким образом, регулирование концом подачи позволяет более эффективно организовать рабочий процесс на частичных режимах. Фирма Зульцер, дольше других сохранявшая принцип регулирования ТНВД началом подачи, провела сравнительные испытания различных способов регулирования и отказалась от регулирования началом подачи в двигателях РНД и последующих модификациях.

Желание обеспечить высокую экономичность при изменении нагрузки на режимах полных ходов главного двигателя привело в настоящее время к созданию топливной аппаратуры, у которой с уменьшением цикловой подачи одновременно возрастает угол опережения подачи топлива в цилиндр φ_нп до достижения максимального давления в цилиндре (кривая 2 на рис. 13). Однако при нагрузке более 90 % угол φ_нп начинает уменьшаться для обеспечения условия P_z = const.

При этом при возрастании нагрузки увеличивается давление наддува и давление сжатия, показатель φ_Pz растет, значительно возрастает температура выпускных газов и тепловая напряженность (кривая 1 рис. 14), что снижает надежность работы и экономичность дизеля. По указанным причинам диапазон работы дизеля при P_z = const, предусмотренный инструкцией по эксплуатации, практически не реализуется в эксплуатации.

Скоростные характеристики топливной аппаратуры судового двигателя

Скоростной характеристикой топливной аппаратуры (или иначе — “характеристикой подачи”) называется зависимость цикловой подачи топлива g_ц или коэффициента подачи η_n от частоты вращения коленчатого вала (g_ц = f(n)) при неизменном положении топливной рейки (T.P. = const).

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. статью Характеристики двигателей в судовой промышленности“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 g_ц = 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 системыПроцесс топливоподачи. Рассмотрим факторы, определяющие цикловую подачу, более подробно.

Величина цикловой подачи определяется прежде всего геометрической подачей g_ц^г на активном ходе плунжера h_a; все прочие факторы учитываются коэффициентом подачи η_n:

$g_{ц} = {g_{ц}}^{г} {\eta }_n = f_{пл} h_a {\rho }_m {\eta }_n, Форм. 1$

где:

• f_пл — площадь поперечного сечения плунжера;
• h_a — активный ход плунжера;
• ρ_m — плотность топлива;
• η_n — коэффициент подачи;
• g_ц^г = f_пл h_a ρ_m — геометрическая цикловая подача.

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

$g_{ц}={g_{ц}}^{г}+\Delta g_{нп}+\Delta g_{кп}—\Delta g_{нап}—\Delta g_{сж}—\Delta g_{пр}, Форм. 2$

где:

• Δg_нп, Δg_кп — увеличение производительности ТНВД по сравнению с геометрической цикловой подачей за счет дросселирования потока в органах наполнения и отсечки (в начале и в конце подачи);
• Δg_нап, Δg_сж, Δg_пр — 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 топливоподачиПроцесс топливоподачи. Дросселирование потока приводит как бы к увеличению активного хода плунжера на величину Δh_пл, (рис. 14, а). Влияние этого фактора на величину g_ц возрастает с ростом частоты вращения.

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 Δg_нап увеличивается, т. к. сокращается время на “захлопывание” кавитационных пузырей. При этом как бы уменьшается активный ход (рис. 14, б).

Аналогично влияние сжимаемости топлива. Часть нагнетательного хода плунжера тратится на сжатие топлива до максимального давления

$P_{н}^{max}$

при этом объем топлива уменьшается на величину ΔV_сж. В последующем объем ΔV_сж теряется — при открытии отсечных органов топливо вытекает из полости нагнетания насоса, давление в полости нагнетания падает от

$P_{н}^{max}$

до давления подкачки. С ростом частоты вращения потеря на сжимаемость Δg_сж растет, т. к. растет давление

$P_{н}^{max}$

и соответственно деформация объема ΔV_сж. Истечение топлива при отсечке происходит от большего давления.

Значительное влияние на величину Δg_сж оказывает способ регулирования ТНВД и наличие нагнетательного клапана. У двигателей Бурмейстер и Вайн с регулированием ТНВД по концу подачи нагнетательный клапан в насосе отсутствует. При этом потеря Δg_сж весьма существенна, поскольку при отсечке топливо вытекает в отсечную магистраль от давления

$P_{н}^{max}$

не только из объема полости нагнетания насоса, но и из форсуночного трубопровода. В двигателях Зульцер типа РД потеря Δg_сж 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 Δg_пр 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 Δg_пр (рис. 14, 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 Δg_нп, Δg_кп или падать за счет Δg_нап, Δg_сж, Δg_пр. Степень влияния каждого фактора различна для конкретных конструктивных решений.

На рис. 15 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 (T.P. = 52) при снижении частоты вращения цикловая подача возрастает. Это объясняется главным образом улучшением наполнения насоса (потеря Δg_нап уменьшается при увеличении времени на наполнение) и снижением потерь Δg_сж (при снижении оборотов давление в полости нагнетания насоса уменьшается, истечение топлива при отсечке происходит от меньшего давления).

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. 16, 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.

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 η_n = f(n) при T.P. = const для различных способов регулирования позволяет оценить потери и в какой-то степени — КПД системы топливоподачиНазначение, классификация, схемы работы систем топливоподачи в судовых дизелях.

Как видно из рис. 17, при регулировании началом подачи кривая 2( коэффициент η_n примерно в 2 раза больше, чем при регулировании концом подачи. В последнем случае действительная подача составляет примерно 0,5 от геометрической цикловой подачи: η_n = g_ц/g_ц^г ≈ 0,5. При этом основная потеря — это потеря на сжимаемость.

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.

Диагностические характеристики топливной аппаратуры

При регулировке двигателя на стенде завода-строителя, когда топливная аппаратура еще новая, примерно равная нагрузка по цилиндрам на режимах паспортной мощности в пределах оговоренного Правилами технической эксплуатации допуска ±2,5 % может быть обеспечена с помощью регулировочных характеристик по статическим параметрам. Используя регулировочные характеристики, можно обеспечить примерно равные активные хода плунжеров ТНВД по цилиндрам в пределах точности регулирования. Обеспечение h_a = idem по цилиндрам с новой топливной аппаратурой гарантирует p_i = idem.

В процессе эксплуатации топливная аппаратура изнашивается. Это может привести к такому положению, что даже при одинаковых активных ходах плунжеров мощности цилиндров будут различаться более допустимого. Требуется регулировка ТНВД. В подобных случаях в обычной практике топливная аппаратура регулируется методом проб и ошибок по данным эксплуатационных испытаний двигателя. Однако регулировка дизеля значительно облегчается при наличии диагностических характеристик топливной аппаратуры.

Диагностическими характеристиками топливной аппаратуры называются зависимости среднего индикаторного давления в цилиндре p_i от активного хода плунжера h_a при различном техническом состоянии топливной аппаратуры. Эти характеристики могут быть получены экспериментально, когда техническое состояние системы впрыска топлива последовательно ухудшается, или чисто расчетным путем. Однако обязательным условием получения диагностических графиков является наличие предварительно снятых регулировочных характеристик ТНВД по статическим параметрам.

На рис. 18 приведены диагностические кривые топливной аппаратуры двигателя 7K80GF. Кривые получены расчетно-экспериментальным путем на основе испытаний главного двигателя т/х «Маршал Василевский» на различных режимах эксплуатации с реально разным состоянием системы подачи топлива. Ухудшение технического состояния системы впрыска топлива обеспечивалось путем проточки наружного диаметра всасывающего клапана ТНВД, чем изменялось количество топлива в протечки из полости нагнетания насоса. При расчетах изменение технического состояния системы может быть имитировано изменением расчетной величины проходного сечения «щели» на входе в форсуночный трубопровод, через которую часть топлива уходит в протечки.

Использование диагностических характеристик позволяет решать 3 задачи:

• качественно судить о состоянии системы впрыска топлива;
• однозначно обеспечить требуемое среднее индикаторное давление в цилиндре путем соответствующего изменения активного хода плунжера;
• обоснованно оценить предельно допустимое ухудшение технического состояния системы впрыска топлива по условиям безопасности мореплавания.

Если при индицировании двигателяИндицирование двигателя найдено, что его рабочий режим лежит на эталонной линии А, то это характеризует прекрасное состояние системы топливоподачи. Переход на линию В уже свидетельствует о качественном снижении технического уровня системы. Еще более низкий уровень – при переходе на линию С.

Для решения вопросов регулировки топливной аппаратурыСтатические характеристики и регулировка топливной аппаратуры на диагностический график целесообразно наложить ось индексов ТНВД какого-либо цилиндра. На рис. 18 эта ось дана ниже оси h_a.

Практически у каждого цилиндра при равном активном ходе плунжера значение индекса ТНВД может быть разным. Однако поскольку при решении вопросов регулировки важно не абсолютное значение индекса, а относительное его изменение для обеспечения, требуемого p_i то связь абсолютных значений осей h_a и ИТН не играет роли. Так, предположим, что при индицировании цилиндра найдено – состояние топливной аппаратуры характеризуется точкой 1 (при активном ходе плунжера, равном h_a = 26 мм, среднее индикаторное давление составляет 9 бар).

Если поставить задачу — обеспечит в данном цилиндре среднее индикаторное давление на уровне p_i – 11 бар, то для однозначного решения задачи с достаточной для практики точностью необходимо из точки 1 провести линию 1-2 эквидистантно имеющимся кривым до пересечения с требуемым значением p_i. Из графика можно найти, что при данном техническом состоянии системы подачи топлива среднее индикаторное давление, равное p_i = 11 бар, будет обеспечено путем увеличения активного хода плунжера до величины 31,8 мм. Для этого индекс ТНВД нужно увеличить на 13,5 делений по сравнению с индексом, при котором, было равно 9 бар.

Предельно допустимое ухудшение технического состояния топливной аппаратуры – это тот предел, за которым невозможно обеспечить полную мощность цилиндра или на пусковых оборотах двигателя в цилиндре отсутствуют вспышки. Как показали исследования, в зоне недопустимой работы присутствуют оба этих фактора. Если все цилиндры двигателя имеют такое техническое состояние топливной аппаратуры, то двигатель невозможно запустить. Такие случаи бывали в практике после работы на некачественном бункере, чаше при переходе с тяжелого на легкое топливо. Подобная изношенная топливная аппаратура требует замены по требованиям обеспечения безопасности мореплавания судна.