Обзор новинок топливных систем, применяемых на современных отечественных и зарубежных судах Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.4

М. Н. Попов, старший преподаватель. А. В. Демидов, стажер-аспирант, ВГАВТ. 603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.

ОБЗОР НОВИНОК ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ,

ПРИМЕНЯЕМЫХ НА СОВРЕМЕННЫХ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ СУДАХ

В течение последних лет ведущими отечественными и зарубежными дизелестрои-тельными компаниями велась интенсивная исследовательская и проектно-конструкторская работа по совершенствованию топливных систем и повышению экономичности сжигания топливовоздушной смеси.

В статье рассмотрены новые конструкции и радикальные изменения в организации топпивоподачи.

В данной статье представлены новинки и уже используемые топливные системы в судовом дизелестроении.

В последние годы при конструировании судовых двигателей особое внимание уделяется топливной аппаратуре. Она должна обеспечивать высокую очистку топлива, постоянство впрыска, качественный распыл и наименьшие потери в виде утечек. Особое внимание уделяется качеству очистки топлива. На рынке появились центробежные сепарационные установки, полностью автоматизированные и обеспечивающие отделение от топлива частиц размерами 8-10 микрон. Устанавливаемые в системе очистки фильтры тонкой очистки, при наличии таких сепараторов, по сути, выполняют задачу «сторожа» на случай прорыва крупных частиц и механических примесей с малой плотностью, которые сепаратор не может выделить из топлива даже при их больших размерах. Одновременно фильтр по изменению скорости загрязнения может служить индикатором работы сепарационной установки. При отсутствии сепараторов фильтры берут на себя всю нагрузку по очистке топлива. В этом случае фильтрация осуществляется в два этапа - сначала очистка происходит в фильтре грубой очистки (ячея 50 микрон), а затем - в фильтре тонкой очистки с фильтрующей сеткой с размерами ячеи в 20-25 микрон. Отдельные производители в последние годы уменьшили размеры ячеи до 10 и даже 5 микрон при сохранении их пропускной способности. Фирма «Катерпиллар» разработала и устанавливает на свои двигатели уникальные по своей эффективности фильтры «high efficiency» с ячеей в 2 микрона, что в сравнении с 20 микронной фильтрацией двукратно повышает ресурс плунжерных пар.

Важную роль играют топливные насосы высокого давления, выполняющие ряд функций:

1. Отмеривание порции подаваемого в цилиндр топлива в полном соответствии с заданным режимом работы двигателя.

2. Обеспечение требуемого момента начала подачи топлива, продолжительности и характеристики впрыска.

3. Сжатие топлива до заданных давлений впрыска.

Топливные насосы применяются трех типов:

- клапанного,

- золотникового,

- распределительного.

В насосах клапанного типа регулирование подачи осуществляется с использованием клапанов, поэтому плунжер насосов функцию регулировки не несет и имеет по всей длине гладкую цилиндрическую форму.

Двигатели фирмы Зульцер ЛЖ), оснащенные топливными насосами клапанного типа, имели три преимущества:

Первое. Для двигателей, работающих на гребной винт фиксированного шага, снижение угла опережения при переходе на пониженные обороты и нагрузки весьма желательно, т.к. этим компенсируется происходящее увеличение продолжительности подготовки топлива к сгоранию и обеспечивается более мягкое и своевременное сгорание топлива. Этим объясняется то, что фирма Зульцер и завод «Русский Дизель» в своих машинах применяли насосы подобного типа.

Второе. Преимущество клапанных насосов заключается в лучшей уплотняющей способности и существенно большим ресурсом плунжерных пар. Объясняется это тем, что уплотнение достигается по всей длине плунжера, что недостижимо для прецизионных пар насосов золотникового типа.

Третье. Фазы подачи в течение длительного срока сохраняются неизменными в связи с меньшими износами и отсутствием кавитационных разрушений плунжерных пар.

Наряду с отмеченными преимуществами насосы с регулированием по началу подачи обладают и существенным недостатком, заключающимся в том, что окончание подачи приходится на конец хода плунжера, когда скорость его движения падает и в ВМТ равна нулю (см. рис. 1). Здесь представлены кривые хода и скорости плунжера, определяемые профилем топливного кулачка, а также фазы подачи. Из них видно, что в начале хода скорость плунжера растет, что определяет соответствующий рост давлений впрыска, а к концу подачи (в районе ВМТ плунжера) скорость резко падает до нуля. Это приводит к существенному падению давлений впрыска, а следовательно, ухудшению распыливания и сокращению длины факела струи топлива, вылетающих из сопловых отверстий в конечной фазе впрыска.

Ьпл ми

Рис. 1. Кривые хода и скорости плунжера

Насосы клапанного типа имеют гладкие цилиндрические плунжеры, без каких бы то ни было выточек на их рабочей поверхности и уплотнение обеспечивается на всей длине. Этим достигается больший ресурс плунжерных пар, что дает клапанным насосам большое преимущество перед золотниковыми. Но наличие клапанов и частый выход их из строя из-за эрозии и нарушения плотности, посадочных поверхностей, поломки пружин, коррозии и заедания толкателей клапанов, зачастую отмечаемое в эксплуатации насосов клапанного типа, свидетельствует об их низкой надежности. С целью сокращения кавитационно-эрозионных разрушений клапанов фирма Зульцер на штоке впускного клапана поместила поясок, дросселирующий поток перепуска при посадке клапана, а на шток отсечного клапана посажен обратный клапан, для снижения кинетической энергии перепускаемого потока при открытии отсечного клапана.

Принцип и конструкция рассмотренного насоса двигателей RND были использованы фирмой Зульцер при разработке модельного ряда двигателей RTA. В этом насосе впускной клапан при наличии VIT (Variable injection timing - изменяемый угол опережения) используется по своему назначению - для изменения угла опережения подачи топлива, а нагнетательный клапан - для изменения конца подачи. Фазы подачи устанавливаются в зависимости от задаваемой мощности (нагрузки) - см. рис. 2. Здесь видно, что с переходом от 100 % нагрузки на 75 % угол опережения увеличивается, что дает возможность сохранить максимальное давление рабочего цикла и, тем самым, повысить экономичность работы двигателя на частичных нагрузках.

НГГАЙЙ

Рис. 2. Фазы подачи топлива

Небезынтересно отметить, что фирма Зульцер в своих новых разработках малооборотных двигателей, несмотря на малую надежность клапанного узла, продолжает оставаться привержен-ной насосам клапанного типа.

Топливные насосы золотникового типа.

В силу своей простоты и относительно низкой стоимости этот тип насосов получил наибольшее распространение. Типичный пример насосов золотникового типа приведен на рис. 3.

Основным элементом насоса является плунжерная пара, состоящая из плунжера 5 и прецизионно изготовленной втулки 3. 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.

В золотниковых насосах находят применение три способа регулирования количества и фаз впрыскиваемого топлива.

Они представлены на рис. 4.

- Регулирование по концу подачи (а);

- Регулирование по началу подачи (б);

- Регулирование по началу и концу подачи - смешанное регулирование (в).

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 топливопода-чи, прибегая к сокращению длины и объема топливопроводов к форсункам (оптимальный вариант - в их полном исключении - насос - форсунка).

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 (1000-1400 м/с). В Рис. 3. Насос золотникового типа форсунке, встречая препятствие в виде иглы или

малых сечений под ней, волна отражается и возникает обратная волна, бегущая навстречу прямым волнам.

Рис. 4. Способы регулирования подачи топлива

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. 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.

ТНВД золотникового типа в двигателях малой размерности обычно группируются в общем корпусе, с отдельным кулачковым валом, приводимым шестернями от коленчатого вала. В двигателях больших размеров насосы выполняются в отдельных корпусах и располагаются ближе к крышкам цилиндров, чтобы сократить длину топливных трубок к форсункам и, тем самым, избежать смещения начала впрыска по форсунке и развития нежелательных колебаний давлений в топливопроводе.

Преимуществом золотниковых топливных насосов является то, что в сравнении с насосами клапанного типа они проще по своей конструкции, дешевле в изготовлении и, как показала практика, отсутствие впускных и отсечных клапанов упрощает их эксплуатацию и повышает надежность. Этим объясняется, что даже производители малооборотных судовых дизелей в последние годы переходят от ранее традиционно применяемых насосов клапанного типа на насосы золотниковые.

Недостатком насосов золотникового типа является более быстрое изнашивание и потеря плотности плунжерных пар. В отличие от насосов клапанного типа уплотнение полости сжатия в золотниковых насосах осуществляется только очень узкой поверхностью, точно обработанной головке плунжера, расположенной на участке между верхней и нижней винтовыми кромками или торцом плунжера и винтовой отсечной кромкой. При износе этой поверхности (даже незначительном) сильно увеличивается утечка топлива и падает давление распыливания. Топливо, устремляясь с большой скоростью в перепускное отверстие в момент его открытия скошенной кромкой плунжера, сильно изнашивает кромки, особенно, если в нем имеются мельчайшие твердые частицы. Наряду с этим, имеет место повышенный односторонний износ трущихся поверхностей насосной пары, которому способствует вертикальная прорезь на образующей головки плунжера. В ней и в полости, выфрезерованной в плунжере под косой кромкой в процессе нагнетания поддерживается высокое давление топлива, которое и создает одностороннее прижатие плунжера к втулке и их односторонний износ. Для уменьшения одностороннего бокового прижатия плунжера и износа надплунжерное пространство сообщают с выемкой под отсечной кромкой плунжера вертикальным каналом, высверливаемым по центру плунжера и замещающим собой прорезь на его боковой поверхности. Вместо одной отсечной кромки фрезеруют две кромки, располагающиеся симметрично относительно оси по обеим сторонам плунжера. Для судовых двигателей в целях обеспечения реверса отсечным кромкам придают разное направление.

Для уменьшения влияния на наполнение насосного элемента волновых явлений, возникающих при открытии перепускного окна, впускное и перепускное отверстия во втулке располагают на разной высоте.

В ряде случаев, в частности, при переходе на топлива с худшей воспламеняемостью, падают максимальные давления рабочего цикла, сгорание топлива переходит на линию расширения и это вызывает падение экономичности двигателя. Возникает необходимость в увеличении угла опережения впрыска топлива в ряде конструкций двигателей и, в частности, в двигателях Зульцер ГШО изменение угла опережения может быть осуществлено путем разворачивания каждого топливного кулачка на распределительном валу. В двигателях МАН Ь 28/32 задача регулировки угла опережения может быть решена путем разворачивания вала с находящимися на нем топливными кулачками относительно шестерни его привода (рис. 5).

Изменение угла опережения индивидуально по каждому цилинлру, когда необходимо изменить максимальное давление цикла только в рассматриваемом цилиндре, достигается путем поднятия или опускания плунжера относительно впускного отверстия в его втулке. В этом случае плунжер будет раньше или позже перекрывать сопловое отверстие и, соответственно, начало подачи будет происходить раньше или позже. Для этого в ряде насосов предусмотрена возможность регулировать длину толкателя плунжера (пример - ТНВД двигателя ЭКЬ) или менять толщину шайб под толкателем плунжера (ТНВД двигателей Катерпиллар 3406).

г-2 • ♦—==-

\ »

Рис 5. Регулиро топлива поворот

Это д0сти1 типа при изме фланец кулачк включающую вращении шее двигает грузик ворачивает фл. увеличения оп грузик под де: кулачковый ва

I

Рис. 6 Авто опер

Нужно за кулачковый е крутящего мс

120

Это достигается путем разворота кулачкового валика топливного насоса блочного типа при изменении центробежной силы дополнительной массы 4, вмонтированной в фланец кулачкового вала. Ведущая шестерня 5 соединена с валом ТНВД через систему, включающую грузик 2, ползун 4 и фланец 1. Центробежная сила, возникающая при вращении шестерни, при увеличении скорости вращения вала, преодолевая пружину 3, двигает грузик по ползуну 4 и, поскольку последний расположен под углом, то он разворачивает фланец и соединенный с ним кулачковый вал на небольшой угол в сторону увеличения опережения. При уменьшении оборотов центробежная сила уменьшается, грузик под действием пружины движется к центру и ползун разворачивает фланец и кулачковый вал в обратную сторону - в сторону уменьшения опережения.

двигатель правого вращения

ранний впрыск поздний впрыск

Рис 5. Регулировка угла опережения впрыска топлива поворотом распределительного вала

Однако перечисленные методы регулировки дают результат в пределах того режима, на котором они были осуществлены. Обычно при регулировке принимается режим 100 % мощности или близкий к нему. С переходом двигателя на другие режимы ранее установленый угол опережения уже не является оптимальным и требует изменения. Учитывая определенную трудоемкость операции перерегулировки, к тому же требующей остановки двигателя, к ней прибегают крайне редко.

Фирма Катерпиллар для своих быстроходных двигателей разработала способ, обеспечивающий автоматическое изменение угла опережения при изменении скорости вращения рис. 6.

Рис. 6. Автоматическое регулирование угла Рис. 7. Изменения угла опережения

опережения впрыска топлива путем поворота эксцентрикового вала

Нужно заметить, что данный метод применим лишь для двигателей, у которых кулачковый вал со стороны ТНВД нагружен относительно небольшими значениями крутящего момента.

Решение, позволяющее осуществлять регулировку опережения в двигателях средней размерности, используется в двигателях МАК М20 и МАН. Здесь задача изменения угла опережения решается путем поворота эксцентрикового вала 3 (рис. 7), на котором сидят рычаги 2 привода ТНВД. Разворот вала 3 смещает рычаг 2влево или вправо относительно кулачной шайбы, и касание ролика кулачка произойдет раньше (угол опережения увеличивается) или позже (угол опережения уменьшается).

При переходе двигателей на режимы с нагрузкой 75-85 % отмечается падение максимального давления в цилиндрах, что приводит к увеличению удельного расхода топлива.

мокс.давление сгорания

_старый вариант

плдгакера _ нов. вариант плунжера

. да расход топлива. г\кВт ч

ВП 70 К» 90 >00 мощность. X

■I:---

Рис. 8. Ступенчатая форма верхней кромки плунжера ТНВД

Чтобы сохранить на этих режимах максимальное давление сгорания на уровне номинального режима двигателестроители прибегают к системам VIT, которые позволяют автоматически менять угол опережения. В золотниковых ТНВД со смешанным регулированием эта задача была решена путем придания верхней и нижней отсечным кромкам ступенчатой формы (рис. 8). Это решение было применено в малооборотных двигателях фирмой Бурмейстер и Вайн - 6L45GFCA и фирмой MAN в KZ70/120E, KSZ75/125B.

Позднее это решение было перенесено на современные двигатели 35 и 42 LMC, и среднеоборотные двигатели L32, 40, 48 и 58. На рисунке приведена развертка верхней части плунжера с модернизированной формой отсечных кромок. Конфигурация верхней кромки A-B-C-D-E определяет фнп, а нижняя кромка F-G-H управляет <р„,

Расстояние между кромками по вертикали определяет величину активного хода плунжера h„. При работе двигателя на режиме полного хода величина угла опережения определяется горизонтальным участком кромки А-В. При переходе на режим пониженной нагрузки - 85 % плунжер относительно впускного отверстия разворачивается на меньшее ha и подходит под отверстие поднимающимся участком В-С благодаря этому отверстие во втулке перекрывается плунжером раньше. Угол опережения увеличивается, позволяя сохранить максимальное давление в цилиндре на прежнем уровне. На протяжении участка C-D этот увеличенный угол опережения впрыска не меняется, что позволяет сохранять максимальное давление цикла (см. кривые Рик.). Лишь при дальнейшем снижении нагрузки двигателя опережение уменьшается.

Топливные насосы распределительного типа.

Одноплунжерные насосы высокого давления с дросселированием на впуске благодаря своей простоте получили широкое распространение в быстроходных двигателях. Конструктивной особенностью этих насосов является использование одной насосной секции для впрыска топлива в несколько цилиндров через золотниковый рас-

пределитель, последовательно сообщающий насосную секцию через топливопроводы с форсунками соответствующих цилиндров. В этом случае повышается равномерность распределения топлива по цилиндрам, а также снижается металлоемкость, масса и габаритные размеры насосов, уменьшается число прецизионных деталей и понижается стоимость производства.

На рис. 9 показан насос фирмы «Бош», устанавливаемый на автомобильных двигателях. В корпусе насоса 8 находится вращающийся распределительный золотник 12, связанный с валом насоса 11. В диаметральном канале золотника расположены парные плунжеры 10. При вращении золотника ролики толкателей плунжеров катятся по кулачковому кольцу 9 и при каждом набегании на кулачок совместно с установленной между плунжерами пружиной приводят их в возвратно-поступа-тельное движение. При определенном повороте золотника-распределителя его впускные (а) и нагнетательные (б) каналы попеременно сообщаются с впускными (в) и нагнетательными (г) каналами в корпусе насоса. При этом, когда плунжеры периодически расходятся, происходит наполнение нагнетательной полости между ними. Когда плунжеры сходятся, давление между ними растет и через нагнетательный клапан 1, нагнетательные каналы (б и г), штуцер 2 топливо поступает в топливопровод и форсунку.

Дозирование цикловой подачи основано на изменении наполнения рабочей полости между плунжерами при изменении положения дросселирующих игл 3 и 5. Положение иглы 5 регулируется поворотом эксцентрика, связанного с рычагом 4 управления двигателем. При изменении давления топлива над поршнем гидроусилителя, вызванного дросселированием под иглой 5, изменяется положение иглы 3. За счет увеличения дросселирования под этой иглой уменьшается наполнение полости между плунжерами. В этом случае давление топлива, необходимое для впрыска, достигается позже. Таким образом, с уменьшением цикловой подачи одновременно уменьшается угол опережения.

Преимущество этой схемы регулирования подачи состоит в том, что двигатель приобретает свойство саморегулирования. Так, если при внезапном резком уменьшении нагрузки число оборотов двигателя начинает увеличиваться, то при этом в период наполнения уменьшается время-сечение впускных каналов золотника. Цикловая подача автоматически снижается и заброс оборотов прекращается.

Топливо поступает через топливопроводы к форсункам.

Форсунки служат для непосредственного впрыскивания топлива в цилиндр двигателя, распыливания его на частицы с размером не более 5-30 микрон и распределения их внутри камеры сгорания. Форсунка размещается в крышке цилиндра и состоит из двух основных элементов - корпуса и распылителя.

Рис. 9. Одноплунжерные насосы высокого давления фирмы «Бош»

По типу запорных органов и распиливающих отверстий применяются следующие виды распылителей:

- Клапанные многодырчатые - получили наибольшее распространение в основном в двигателях с непосредственным впрыском, количество отверстий - от 1 до 9, диаметром 0,20-1,5 мм.

- Клапанные однодырчатые - применяются в предкамерных двигателях, для которых наилучшей формой распыливания является сосредоточенный факел с малым углом конуса и с большой пробивной способностью.

- Штифтовые распылители - имеющие одно сопловое отверстие; применяют в сравнительно маломощных дизелях с разделенными камерами сгорания. Штифтовый распылитель с цилиндрическим штифтом имеет постоянное сечение истечения и образует сосредоточенный факел с малым углом конуса. У штифтового распылителя штифт выполнен в виде двух усеченных конусов, сложенных меньшими основаниями. Штифты выполняются с различными углами при вершине нижнего конуса (от 0 до 50°), благодаря этому в процессе движения штифта угол конуса распыливаемого факела изменяется в широких пределах, захватывая все большее пространство камеры сгорания.

Факел топлива, вылетающего с большими скоростями из соплового отверстия, состоит из центральной части - струи, включающей грубо распыленные частицы топлива и оболочку, содержащую большое число отрываемых воздухом расходящихся нитей и мелких частиц. Компактная стержневая часть факела обладает значительной энергией и движется с большой скоростью, глубоко проникая в массу сжатого в камере воздуха.

Дробление струй происходит под воздействием внешних сил аэродинамического сопротивления воздуха Чем выше скорость движения струи и чем выше давление в камере сжатия, тем быстрее происходит распад струи на мельчайшие капли. На распад также влияют давление впрыскивания топлива, определяемое суммарным сопротивлением сопловых отверстий (их диаметром) и вязкость топлива. С уменьшением диаметра сопловых отверстий давления и скорость истечения растут и, соответственно, увеличивается мелкость распыливания, увеличивается угол конуса струи факела распыла и уменьшается его длина. Это сегодня широко используется в современных двигателях для повышения эффективности сгорания тяжелых высоковязких топлив. С ростом вязкости топлива увеличиваются силы поверхностного натяжения, препятствующие распаду струи При распиливании образуется меньше мелких капель и увеличивается число и размер крупных частиц. Уменьшается угол конуса распада струи и увеличивается ее длина, в связи с чем возникает опасность ее касания открытых поверхностей стенок рабочей втулки и донышка поршня. Топливо, оседающее на этих поверхностях, сгорает неполностью, что вызывает нагароотложения и перегрев, который может привести к сквозному прогоранию поршней (алюминиевые поршни) или появлению трещин (чугунные). Это требует уделять особое внимание подогреву тяжелых топлив до температур, которые обеспечили бы его вязкость перед подачей в ТНВД не более 10-12 сСт.

С увеличением диаметра сопловых отверстий, а это в эксплуатации происходит вследствие их эрозионного изнашивания, падают давления распыливания и увеличивается число и размер крупных частиц. Поэтому все ведущие фирмы требуют периодически проверять диаметр отверстий и не допускают к дальнейшей эксплуатации распылители, в которых диаметр отверстий превышает номинал на 10 % и более.

Исследования, проведенные фирмой МАН на двигателях МС, показали, что объем внутренней полости соплового наконечника, играет существенную роль в образовании в цилиндрах сажистых частиц и углеводородов (СН), а также коксовании сопловых отверстий. Уменьшение этой полости на 15 %, достигнутое путем введения в канал сопла золотника, изготовленного за одно целое с иглой, это позволило существенно улучшить чистоту выхлопа.

К уменьше) сунок среднеоб В большин образуются зау онно-эрозионю отмеченных яа меняют скругл» Насос-фор< пус, получили Дженерал Mort

соединений, в ность созданиз современных I В топливо находится в п свою очередь, но, и скорость нии цикловой ния топлива с на малых обор Чтобы из( нила констру1 ский. (Рис. 11 котором пока: ханического и чес ком приво оборотов, что Второе об ся в том, что с очередь, дикт связи с ростов на элементы ! дения, в шест нагрузки на к?

124

К уменьшению объема камеры сопла сегодня прибегают и при производстве форсунок среднеоборотных двигателей.

В большинстве случаев отверстия в распылителях сверлятся. На выходе сверла образуются заусенцы, провоцирующие образование вихрей, приводящих к кавитаци-онно-эрозионным разрушениям и быстрому износу отверстий. Поэтому, во избежание отмеченных явлений, ряд фирм обладающих технологическими возможностями, применяют скругление кромок отверстий, чем существенно продлевают их ресурс.

Насос-форсунки, в которых топливный насос и форсунка объединены в один корпус, получили широкое применение в быстроходных дизелях фирм Катерпиллар, Дженерал Моторс Корпорейшн и др.

соединений, возникающие из-за пульсаций и вибраций. Это ограничивало возможность создания высоких давлений впрыска. Исключение топливопровода позволило в современных насос-форсунках достигнуть Рт.макс = 150-180 МПа.

В топливовпрыскивающих системах с механическим приводом давление впрыска находится в прямой зависимости от скорости движения плунжера ТНВД, которая, в свою очередь, определяется скоростью вращения топливного кулачка, а, следовательно, и скоростью вращения вала двигателя. Этим объясняется, что даже при сохранении цикловой подачи неизменной давление впрыска, а с ним и качество распылива-ния топлива существенно падают. Экономичность и устойчивость работы двигателя на малых оборотах и нагрузках снижаются.

Чтобы избежать отмеченного недостатка, фирма Катерпиллар радикально изменила конструкцию путем замены механического привода плунжера на гидравлический. (Рис. 11) Доказательством отмеченного преимущества является (рис. 12), на котором показано влияние частоты вращения двигателя на давления впрыска для механического и гидравлического приводов плунжера. Давление впрыска при гидравлическом приводе удерживается постоянным практически на всем рабочем диапазоне оборотов, что обеспечивается неизменностью давления масла в гидроприводе.

Второе обстоятельство, заставившее перейти на гидропривод плунжера, заключается в том, что отмечаемая в последние годы тенденция к росту давлений впрыска, в свою очередь, диктуемая необходимостью улучшить распыливание и смесеобразование в связи с ростом требований к чистоте выхлопа, привела к существенному росту нагрузок на элементы привода плунжеров ТНВД. Увеличиваются нагрузки, а с ними и повреждения, в шестеренном приводе распределительных валов, их подшипниках, контактные нагрузки на кулачках и роликах, приводящие к их растрескиванию, износу и пр.

Основанием послужило стремление исключить соединяющий насос и форсунку топливопровод высокого давления, в котором развиваются волны давления, нередко приводящие к дробному впрыску и, тем самым, нарушающие процесс рас-пыливания и сгорания топлива. Кроме того, в эксплуатации нередко отмечались случаи повреждения форсуночных трубок в виде продольных трещин и трещин в местах приварки ниппельных

Рис. 10 Насос-форсунка

Пл)глр с гидрхалгкскнм приводом_ _

30%

100%

Рис.11. Насос форсунка с гидравлическим приводом

Рис. 12. Сравнительная диаграмма для механического и гидравлического приводов

В последней модификации системы топливоподачи с гидроприводом фирма существенно изменила конструкцию гидронасоса и насос-форсунки. Управление давлением масла в системе высокого давления осуществляется не байпасированием масла, регулирующим клапаном, как это было в ранней конструкции, а изменением с его помощью подачи насоса, в свою очередь определяющей создаваемое им давление масла в гидросистеме. Микропроцессор, получает сигналы от датчика давления масла и датчиков, фиксирующих режим работы двигателя и на их основе и в соответствии с заложенной в него программой, посылает сигналы соленоиду, связанному с управляющим клапаном насоса гидромасла.

Давление масла в гидросистеме непосредственно определяет величину создаваемого плунжером давления топлива. Поэтому микропроцессор, управляя давлением масла, практически управляет давлением впрыска.

Эти нововведения позволили в зависимости от режима работы двигателя менять не только фазы подачи, но и радикально воздействовать на закон изменения давления в процессе подачи, дробить подачу на две-три фазы. Наличие столь гибкой системы управления подачей топлива существенно упростило решение задач снижения эмиссии выхлопных газов и повышения экономичности двигателя.

Для снижения затрат и повышения эффективности топливоподачи было предложено применять аккумуляторные системы впрыска.

Впервые аккумуляторная система топливоподачи была разработана и прошла испытания в 1894 г. Рудольфом Дизелем на опытном одноцилиндровом двигателе 15/40. Он использовал насос, подающий керосин к двигателю, направив подачу непосредственно к форсунке и обеспечив постоянство давления. Управление подачей обеспечивалось за счет механического управления иглой форсунки. Но тут же он столкнулся с тем, что при сохранении угловых фаз неизменными, время подачи при снижении оборотов увеличивалось и это приводило не к необходимому снижению, а увеличению подачи. На основе полученного опыта он в своем дневнике записал: «форсунки крайне ненадежны, впрыск не поддается регулировке». В итоге он перешел на компрессорный распыл топлива с использованием сжатого воздуха, подаваемого в форсунку вместе с топливом. Компрессорный распыл продержался до 1923 года, когда был заменен на непосредственный впрыск топлива с помощью ТНВД.

В 1933 г. фирмой Атлас-Империал применительно к использованию в аккумуляторной системе были предложены форсунки с электромагнитным управлением впрыска. Однако с тех пор аккумуляторная система редко применялась. В 1979 г. фирмой

МАН для 2-х тг муляторная сис-рошие результат решения. Двум) управления топ Вяртсиля стали фирмы МАН-Б. управлением 2-? отказалась от ак Преимущес Основная з; распыленное тс системах напол приводом от то определяют зак лачка фиксиров стного режима | ного регулиро» ля. Особенно о< вом рас пыл ива ционально сни впрыска происх В аккумуля ным вне завис* ния впрыска и с Аккумулят< Эта систем оборотных дви Она включает с

- электронн

- ТНВД (по

- аккумуляп

- форсунки

Электронш Основные 5 соответствии с г Кроме того, в ф]

- защита с

- мгновен

- Осущесп его застывания

Топливны* тора топливом чае задаваемог Форсунка.1 паном, приводи Аккумулят ками, по своем тянутую вдоль мулятора, равн

126

МАН для 2-х тактного малооборотного двигателя была разработана и испытана аккумуляторная система топливоподачи с электронным управлением. Были получены хорошие результаты, но рынок еще не был подготовлен к переходу на столь радикальные решения. Двумя десятилетиями позже ситуация с внедрением электронных систем управления топливоподачей резко изменилась и фирмы Катерпиллар, МАН - Б.В. и Вяртсиля стали активно внедрять электронику в свои 4-х тактные двигатели. В 2000 г. фирмы МАН-Б.В. и Зульцер вернулись к аккумуляторным системам с электронным управлением 2-х тактных двигателей и испытали их на судах. Позднее фирма МАН-БВ отказалась от аккумуляторной системы и перешла на гидропривод плунжера ТНВД.

Преимущества аккумуляторных систем топливоподачи.

Основная задача топливной аппаратуры - подавать в камеру сгорания хорошо распыленное топливо в течение очень короткого промежутка времени. В обычных системах наполнение ТНВД и сжатие в них топлива осуществляется плунжером с приводом от топливного кулачка распредвала, форма которого и скорость вращения определяют закон подачи и величину развиваемого давления. Поскольку форма кулачка фиксирована, то изменение закона подачи с изменением нагрузочного и скоростного режима работы двигателя невозможно. Это исключает возможность оптимального регулирования рабочего процесса и улучшения рабочих характеристик двигателя. Особенно остро стоит вопрос с давлениями впрыска и определяемым ими качеством распыливания топлива, так как давление впрыска падает практически пропорционально снижению скорости вращения топливного кулачка. Падение давления впрыска происходит и при уменьшении подачи топлива.

В аккумуляторных системах давление впрыска может поддерживаться постоянным вне зависимости от перечисленных факторов. Более того, регулирование давления впрыска и фаз топливоподачи осуществляется независимо одно от другого.

Аккумуляторная система фирмы МАН-Б.В.

Эта система разработана применительно к использованию в 4-х тактных среднеоборотных двигателях, работающих как на дизельных, так и на тяжелых топливах. Она включает следующие элементы:

- электронный блок управления;

- ТНВД (по одному на два цилиндра);

- аккумуляторы высокого давления;

- форсунки.

Электронный блок управления

Основные задачи: управлять фазами и количеством подаваемого в цилиндры топлива в соответствии с порядком их работы и устанавливать для каждого режима давление впрыска. Кроме того, в функции блока входит ряд функций по обеспечению безопасности:

- защита от превышения давления в аккумуляторе;

- мгновенный сброс давления при остановке;

- Осуществление периодической циркуляции топлива в системе во избежание его застывания при остановке.

Топливный насос высокого давления. В его задачу входит наполнение аккумулятора топливом и поддержание в нем давления в пределах 90-150 МПа, в каждом случае задаваемого микропроцессором режимах.

Форсунка. Управление фазами впрыска в форсунке осуществляется управляющим клапаном, приводимым в действие соленоидом, запитываемым током от микропроцессора.

Аккумулятор, аккумулирующий сжатое насосами топливо и соединенный с форсунками, по своему предназначению должен представлять собой толстостенную трубу, протянутую вдоль двигателя от первого до последнего цилиндра. Но в длинной трубе аккумулятора, равно как и в трубках к форсункам, не исключено образование волн давлений и

скоростей, которые могут существенно исказить распределение топлива по цилиндрам и нарушить законы подачи. Этим объясняется, что в рассматриваемой конструкции аккумулятор разделен на самостоятельный части, получающие топливо от отдельного насоса и соединенные только с двумя форсунками. Малый объем и малые скорости потоков исключают пульсацию, а также позволяют повысить жесткость и прочность конструкции.

Представленная в этой статье информация будет полезна для студентов желающих углубить свои знания по топливной аппаратуре, а также и для повышения квалификации судовых механиков.

Список литературы

[1] Возницкий И.В. Современные судовые среднеоборотные двигатели. - С.Пб.: 2003. - 136 с.

[2] Возницкий И.В. Топливная аппаратура судовых дизелей. Конструкция, проверка состояния и регулировка. - С.Пб.: ООО «Файндер-Плюс»., 2004. - 121 с.

SURVEY OF NOVELTIES OF FUEL SYSTEMS, APPLIED ON THE MODERN DOMESTIC AND FOREIGN VESSELS M. /V. Popov, A. V. Demidov

For the last few years the leading domestic and foreign diesel built companies conducted intensive research and design work on the perfection offuel systems and raise of profitability of burning fuel mixtures.

New designs and radical changes in the fuel supply organization are observed in the article

УДК 658.382.3: 620.206

В. И. Савинов, к. т. н., доцент, ВГАВТ. 603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.

риска, невозможь венной деятельнс ставляют ЧС, обу этом случае возм< и прежде всего ли

Повреждение трубопроводов в последующим об| котором разлился ны от места разли

Глубина и Ш1 точника(рис. 1).

В зависимое! масштабы зон зар

- для сжиже

- для сжатьг

- для жидко

Первичное ос и емкостей, содер сокими концентр при кратковреме] женного воздуха нескольких десят

Вдыхание за) мгновенную смер на живой организ Для первичного вышающей гшт щины, низины, 01

ОСОБЕННОСТИ АВАРИИ НА ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТАХ И ТРАНСПОРТИРОВКЕ АВАРИЙНО ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ

Рассматриваются особенности аварий на химически опасных объектах и транспортировке аварийно химически опасных веществ различными видами транспорта и их способы хранения. Приводится характеристика опасных зон при авариях, негативное воздействие на окружающую среду и человека, факторы влияющие на процесс распространения зараженного воздуха и основные мероприятия по ликвидации очагов поражения

Химически опасный объект (ХОО) - объект, при аварии на котором могут произойти массовые поражения людей, животных и растений ядовитыми веществами.

Аварийно химически опасные вещества (АХОВ) - химически опасное вещество, применяемое в промышленности и сельском хозяйстве, при аварийном выбросе (разливе) которого может произойти заражение окружающей среды в поражающих живой организм концентрациях (токсодозах).

Проблемы прогнозирования, предотвращение, локализация и ликвидация аварий и катастроф техногенного происхождения - чрезвычайных ситуаций (ЧС) приобретает все большую остроту в связи с развитием технологий и производств повышенного

Рис. Oci So - зона рай ния, Г| - глу ричного обла

128