Насосы золотникового типа в силу своей простоты и относительно низкой стоимости получили наибольшее распространение.
Конструкция и принцип действия
Типичный пример насосов золотникового типа приведен на рис. 1. Основным элементом насоса является плунжерная пара, состоящая из плунжера 1 и прецизионно изготовленной втулки 2. Зазор между ними для сведения к минимуму утечек топлива выдерживается в пределах 5-12 микрон (в зависимости от размеров пары и вязкости используемого топлива). Плунжер приводится в движение топливным кулачком, обратный ход происходит за счет силы сжатой пружины. Регулирование подачи осуществляется разворотом плунжера и его косой кромкой 3, относительно отсечного отверстия 4. Подача топлива к форсунке осуществляется через нагнетательный клапан 5. В золотниковых насосах находят применение три способа регулирования количества и фаз впрыскиваемого топлива. Они представлены на рис. 2.
При первом способе регулирования (регулирование по концу подачи) — рис. 2, а начало подачи топлива (точка А) остается неизменным независимо от числа оборотов и нагрузки двигателя. Конец нагнетания (точки В1, В2 и В3) изменяется путем поворота плунжера 1 и вызванного этим изменением положения его отсечной кроки 3 относительно перепускных отверстий 7 во втулке плунжера 8. Поворотный механизм (рис. 3) состоит из зубчатой рейки 4, входящей в зацепление с шестерней 2, насаженной на поворотную втулку 1, которая, в свою очередь, связана с хвостовиком 3 плунжера.
Рейка соединена с тягой управления двигателя и при изменении режима работы двигателя регулятором при необходимости уменьшить или увеличить подачу топлива перемещается в прямом или обратном направлении. В насосах этого типа конец подачи при всех нагрузках происходит на участке кривой движения плунжера, когда скорость его достигает максимума и тем самым обеспечиваются высокие давления и скорости впрыска практически на всем участке подачи топлива в цилиндр.
Это, в свою очередь, определяет хорошее распыливание и сгорание топлива. Четкий конец подачи обеспечивается нагнетательным клапаном 9 с разгрузочным пояском 1 — (см. рис. 2 в статье “Нагнетательный клапан с разгрузочным пояском”Насосы двигателей Вяртсиля)
При втором способе регулирования (регулирование по началу подачи) — рис. 2, б начало подачи топлива переменно (точки А1, А2 и А3), а конец подачи неизменен (точка В). В этих насосах косая кромка, регулирующая величину подачи топлива, располагается в верхней части плунжера и при его развороте и движении вверх раньше или позже перекрывает впускное (отсечное) отверстие во втулке, с этого момента начинается активный ход плунжера. А это означает, что раньше или позже начинается сжатие и подача топлива. Конец активного хода соответствует началу отсечки (рис. 4) — сообщению отсечного окна с проточкой в нижней части плунжера, которая, как и в предыдущей конструкции, через продольную прорезь сообщается с надплунжерным пространством.
В этом насосе с изменением цикловой подачи одновременно меняется и угол опережения впрыска топлива. Уменьшение подачи приводит к уменьшению угла опережения, что обеспечивает более мягкое и своевременное сгорание топлива на режимах малых нагрузок и оборотов дизелей, работающих на гребной винт.
Важно также — начало подачи смещается на участок больших скоростей плунжера (от точки А1 к точке А3), что означает более интенсивный рост давлений в начальной стадии впрыска. Это способствует улучшению распыливания и сгорания топлива, что для малых нагрузок и оборотов существенно важно, так как при снижении оборотов давления впрыска пропорционально падают.
При третьем способе регулирования (регулирование по началу и концу подачи — смешанное регулирование). Как видно из рис. 2, в начало (точки A1, А2, А3) и конец подачи (точки B1, В2 и В3) переменны, так как в этих насосах плунжеры имеют две косые кромки, управляющие началом и концом подачи. При перемене нагрузки двигателя и вызванным этим изменением количества впрыскиваемого топлива происходит изменение как начала, так и конца подачи. Такой способ регулирования обеспечивает сохранение ранее отмеченных преимуществ первых двух способов регулирования, но, одновременно исключает их недостатки. Это обусловливает широкое применение в современных дизелях насосов со смешанным регулированием.
Предлагается к прочтению: Топливные насосы двигателей Зульцер – RTA
Рассмотренные выше моменты начала и конца подачи топлива по насосу являются геометрическими, действительные моменты подачи от них отличаются. Здесь сказывается влияние нескольких факторов.
- Первый фактор определяется сжимаемостью топлива, находящегося в надплунжерной полости и в топливопроводе к форсунке. Чем больше заключено в них топлива, тем большая часть хода плунжера затрачивается на его сжатие и тем позже начнется действительная подача топлива из форсунки. Одновременно, позже закончится процесс впрыска вследствие расширения топлива, сжатого в топливопроводе.
- Вторым фактором определяющим различие в геометрических и действительных фазах подачи, является наличие дросселирования топлива в узких щелях, образующихся между кромками движущегося с большими скоростями плунжера и стенками впускных и отсечных окон.
Благодаря влиянию дросселирования давление в надплунжерном пространстве начинает подниматься раньше, до того, как закроется впускное отверстие, т. е. раньше происходит действительная подача. Действительный конец подачи, определяемый началом отсечки, в связи с дросселированием также смещается в сторону запаздывания.
- Третьим фактором наличия различия между геометрическими (по насосу) и действительными фазами подачи топлива из форсунки в камеру сгорания является скорость продвижения создаваемых плунжером импульсов давления по топливопроводу к форсунке. Эта скорость определяется величиной скорости звука в сжатой среде топлива. Она составляет 1 100-1 400 м/с.
Пример: При длине топливной трубки к форсунке L = 1,5 м и числе оборотов n = 100 об/мин время движения волны давления
В градусах угла поворота вала:
Таким образом, начало подачи топлива произойдет с запаздыванием в 0,8 градуса.
В действительности это смещение будет еще больше, так как топливопровод оказывает сопротивление движению топлива и по мере продвижения волны давления к форсунке часть давления теряется. Момент достижения давления открытия иглы форсунки произойдет также с запаздыванием. Причем это запаздывание тем больше, чем больше вязкость топлива и, тем самым, больше потери давления в топливопроводе. Иллюстрацией смещения подачи топлива форсункой относительно фаз подачи насосом служит рис. 4. Здесь видно, что давление, при котором могла бы открыться игла форсунки Pфо в насосе достигается значительно раньше. Вся фаза подачи форсункой (рис. 4, б) смещена в сторону запаздывания.
Следует также обратить внимание на появление по окончании основной подачи повторного открытия иглы (КПФ), что объясняется возникновением у форсунки волны давления. Возникновение волновых процессов в топливопроводах и форсунках особенно часто проявляется в быстроходных двигателях и в топливных системах с большой длиной топливопроводов. Конструкторы двигателей стремятся от них избавиться или, по крайней мере, снизить их влияние на процесс топливоподачиРасчет процесса топливоподачи, прибегая к сокращению длины и объема топливопроводов к форсункам (оптимальный вариант в их полном исключении — насос-форсунки).
Сжимаемое топливо представляет собой упругую среду и в ней при движении плунжера и сжатии топлива в примыкающем к плунжеру объеме возникает прямая волна давления, которая распространяется по топливопроводу к форсунке со скоростью звука (1 000-1 400 м/с). В форсунке, встречая препятствие в виде иглы или малых сечений под ней, волна отражается и возникает обратная волна, бегущая навстречу прямым волнам.
Сложение прямых и обратных волн при неудачно подобранных геометрических элементах системы нагнетания может привести к резонансу, при котором амплитуда волны увеличивается и это приводит либо к многократным открытиям и закрытиям иглы (крайне плохой дробный впрыск) или повторным кратковременным впрыскам топлива после основной подачи, что и отмечается на рис. 4. Распыливание топлива в этот период практически отсутствует, так как давления низкие. Происходит подтекание топлива под иглу, что, в свою очередь, провоцирует быстрое закоксовывание сопловых отверстий. Исключать повторные впрыски удается разгрузкой топливопровода от высоких давлений путем применения нагнетательных клапанов с разгрузочным пояском.
Для уменьшения влияния перепуска топлива на наполнение насосного элемента впускное и перепускное отверстия во втулке иногда размещают на разных уровнях.
