Форсунки

Сами по себе топливные насосы только нагнетают топливо под большим давлением, а распыливание осуществляется форсунками. Форсунка является неотъемлемым спутником топливного насоса, и работают они совместно. Насос соединяется с форсункой нагнетательной трубкой. Чем короче трубка, тем лучше, так как впрыск (подача) микроскопических порций топлива становится более точным.

Рис. 80. Схема устройства форсунки закрытого типа

Преимущественное распространение на тепловозных дизелях получили форсунки закрытого типа, имеющие распылитель с запорной иглой. Они называются закрытыми потому, что запорная игла после впрыска топлива разобщает цилиндр от объема топливного трубопровода высокого давления. По нагнетательной трубке (рис. 80), выдерживающей большие давления, топливный насос подает топливо к форсунке. Однако сразу к распыливающим отверстиям топливо пройти не может, так как путь ему преграждает игла, конус которой плотно притерт к седлу корпуса распылителя форсунки. Для впрыска топлива необходимо приподнять иглу, прижатую пружиной. Это осуществляется за счет высокого давления топлива. Впрыскивание происходит, когда давление топлива, действующее на кольцевой заплечик иглы, создает усилие, достаточное для сжатия пружины при подъеме иглы.  Тогда    топливо  со значительной скоростью устремляется в цилиндр дизеля через распиливающие отверстия, расположенные за иглой в нижней части корпуса распылителя (соплового наконечника). Начальное давление впрыска, необходимое для поднятия иглы и определяемое затяжкой пружины, обычно равно 19,6 — 31,3 МПа (200—320  кгс/см2).

Р ис. 81 Усилия, действующие на иглу форсунки дизелей типа д100 а-при закрытом; б- при открытом положении иглы

Едва игла оторвется от своего седла, как действующее на нее усилие со стороны топлива возрастает. Дело в том, что при закрытом положении иглы давление топлива действует не на всю поверхность конусной части. Когда игла начинает пропускать топливо к распыливающим отверстиям, общее усилие на нее возрастает за счет увеличения площади, на которую действует давление топлива  (рис. 81). После прекращения подачи топлива насосом давление падает, и игла под воздействием пружины тотчас опускается. При быстром закрытии (отсечке) возможность подтекания, просачивания топлива из распылителя форсунки исключается. Этому способствует также следующая особенность работы топливного насоса.

Рис. 82. Разрез форсунки дизелей 10Д100, 2 Д100

В момент отсечки (прекращении подачи топлива плунжером) на какое-то время нагнетательная полость топливного насоса, нагнетательная трубка и полость форсунки соединяются через окно А (см. рис. 73) с полостью низкого давления. За счет этого давление топлива перед иглой форсунки резко падает. Это положительно сказывается на четкой, без подтекания работе форсунки. Подъем иглы форсунки в момент впрыска обычно ограничивается упором (ограничителем) и в тепловозных дизелях не превышает 0,7 мм. Форсунки дизелей типов Д100 и Д50 имеют, например, максимальный подъем иглы, равный 0,45 мм (рис. 82). Несмотря на такую малую величину подъема, площадь проходного сечения под конусом иглы в несколько раз больше суммарной площади распиливающих отверстий. Для равномерного распределения топлива по камере сгорания имеется несколько распыливающих отверстий. Форсунка дизеля 10Д100 имеет три отверстия диаметром 0,56 мм каждое, форсунки дизелей 11Д45 и Д50 — восемь и девять отверстий соответственно диаметром 0,4 и 0,35 мм. На дизелях 10Д100 в каждом цилиндре имеются две форсунки, расположенные одна против другой. Для большей плотности, чтобы в местах их соединения с цилиндром не просачивались ни газы, ни охлаждающая цилиндры вода, форсунки крепятся с помощью промежуточной (переходной) детали,  называемой  адаптером. Главной деталью форсунки (см. рис. 82) является распылитель, состоящий из корпуса распылителя и иглы, которая притирается к корпусу распылителя по цилиндрической и конической (запирающей) поверхностям. Этим достигается плотность этой пары и легкость перемещения иглы в распылителе. Игла прижимается к конусу корпуса распылителя усилием пружины, которое передается через тарелку, толкатель и ограничитель. Топливо, поступающее от насоса, проходит щелевой фильтр, задерживающий случайно попавшие в топливо крупные частицы грязи, и направляется по пазам и каналам в полость, окружающую нижний конец иглы. Далее форсунки работают так, как описано выше. Давление топлива, которое испытывают распылители, как подчеркивалось выше, может МПа (1000 кгс/см2), времени, в течение которого происходит впрыск горючего под таким давлением, чрезвычайно малы: на впрыск отводятся тысячные доли секунды. В остальное время между конусом иглы и конусом корпуса распылителя не должно просочиться в цилиндр дизеля ни капли топлива! Лишь несколько капель в минуту может проникнуть в отлив через зазор между их цилиндрическими поверхностями. Чтобы игла не «заедала» и при этом узкий поясок конуса иглы плотно прилегал к такому же пояску на конусе корпуса распылителя, между этими деталями все же должен быть зазор, но в пределах 0,002—0,004 мм (2—4 мкм). Как же решается эта в высшей  степени трудная задача?

Рис. 83. Несоосность расположения поверхности иглы и поверхности конуса

Пока еще распылители изготовляются с недостаточной точностью. Несоосность цилиндрических и конических поверхностей иглы и корпуса (рис. 83) и их некруглость могут быть и не более 2—4 мкм, но для каждой детали в отдельности. В сумме же из-за неточности изготовления обеих деталей может возникнуть положение, показанное на рисунке. Мы видим, что цилиндр и конус иглы сдвинулись и упираются в разные стороны цилиндра и корпуса распылителя. В результате возникает щель (на рисунке изображена в увеличенном виде), через которую топливо все время будет протекать в цилиндр дизеля. Для того чтобы обойти эту трудность, в тепловозных дизелях в настоящее время поступают так. На конус иглы накладывают абразивный материал (пасту) и на доводочном станке притирают иглу с корпусом до тех пор, пока часть металла конусов сточится настолько, что будет обеспечен контакт по всей окружности сопрягаемых поверхностей (поясков). Беда, однако, в том, что в процессе работы этот контакт довольно быстро нарушается. Тогда приходится снимать форсунки с дизеля, проверять, как они распиливают топливо, и снова притирать поверхности иглы к корпусу. Это отнимает много времени. А что если иглу и корпус распылителя изготовить (на точных станках) так, чтобы максимальные допуски на несоосность и некруглость обеих деталей в сумме были меньше, чем зазор (см. рис. 83) в цилиндрической части распылителя? Тогда станет возможным иглу сразу вставить  в корпус, и она без совместной притирки так точно ляжет пояском своей конической поверхности на поверхность корпуса распылителя, что топливо при закрытой (прижатой) игле не просочится в цилиндр дизеля. Такой «замок» служит надежно и долго (несколько тысяч часов без осмотра и ремонта). Подобная сборка получила название селективной (групповой). В этом случае все корпуса распылителей и иглы заранее распределяют по соответствующим группам в зависимости от диаметров цилиндров, подбирая  их так,  чтобы  между  цилиндром иглы и цилиндром корпуса распылителя был зазор б порядка 0,002— 0,004 мм (2—4 мкм). Иными словами, суммарные их отклонения (неточности, допуски) на геометрию конуса и корпуса, получаемые при изготовлении, всегда окажутся меньше этого зазора и не будут препятствовать плотному прилеганию конических поверхностей, обеспечивая тем самым плотность распылителя. Посмотрим теперь, как осуществляется подача топлива в многоцилиндровом дизеле 10Д 100 (рис. 84). Топливо  всасывается  из   бака  шестеренным топливопрокачивающим насосом, но при этом проходит через фильтр, где осуществляется предварительная (грубая) очистка. На трубопроводе, по которому топливо от насоса движется к другому фильтру—фильтру тонкой очистки, установлен предохранительный (перепускной) клапан. Его назначение в том, чтобы не допустить повышения давления перед этим фильтром более 0,44—0,49 МПа (4,5—5 кгс/см2) при нормальном (рабочем) давлении 0,29—0,34 МПа (3—3,5 кгс/см2). Если давление станет больше, клапан сработает, и топливо, как видно на схеме, сбрасывается через клапан в бак. После фильтра тонкой очистки топливо подается под давлением 0,14—0,24 МПа (1,5—2,5 кгс/см2) в топливный коллектор (трубопровод), от которого оно сразу поступает во всасывающую полость топливных насосов. Давление топлива за фильтром будет мало, если его слив обратно в бак не ограничить. Поэтому в системе предусмотрен еще один клапан — разгрузочный, который осуществляет слив части топлива в бак, в то же время  создавая  в  топливном  коллекторе подпор, необходимый для улучшения наполнения надплунжерных полостей насосов при их работе. Подкачивающий насос подает в несколько раз больше топлива, чем нужно для работы дизеля. Сделано это для того, чтобы поддерживать достаточное избыточное давление в топливном коллекторе. Излишки топлива, как указывалось, сбрасываются через разгрузочный клапан обратно в бак. Топливные насосы приводятся в действие от двух кулачковых валов, расположенных с обеих сторон блока дизеля. Топливо, просочившееся через зазоры прецизионных пар насосов и форсунок, по отдельным трубкам самотеком   сливается  в   бак  тепловоза.

Рис. 84. Схема подачи топлива в цилиндры дизеля 10Д100

Зимой топливо в баке может загустеть от холода настолько, что подкачивающий насос не засосет его и не подаст к насосам высокого давления. Чтобы этого не случилось, в сливной трубопровод включен подогреватель топлива, в котором оно нагревается горячей водой, идущей от дизеля. Предусмотрено также в зимнее время применять зимние марки топлива, а в летнее — летние сорта топлива.

В начало статьи << Назад --------------------------------- Дальше >>

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

ДЛЯ ЧЕГО НУЖНЫ РЕГУЛЯТОРЫ?

Не исключена возможность, что в процессе работы по каким-либо причинам нагрузка на дизель упадет сразу до нуля. В этом случае, если не иметь специальных устройств, произойдет авария: частота вращения коленчатого вала дизеля, в цилиндры которого продолжает поступать топливо в прежнем количестве, может превысить допустимое значение. В результате значительно увеличатся центробежные силы вращающихся деталей, силы инерции возвратно-поступательных масс и двигатель может разрушиться. Ясно, что машинист физически не успеет проследить за таким быстрым изменением нагрузки, В этом исключительном случае надо человека заменить автоматом, что и предусмотрено. Регулятор безопасности (предельный регулятор) дизелей 10Д100 и 2Д100 при увеличении частоты вращения коленчатого вала выше установленной, т. е. при 940—980 об/мин, воздействует на рычаг выключения подачи топлива, который переводит рейки топливных насосов в положение нулевой подачи. На дизелях 11Д45А выключается подача топлива при 840—870    об/мин,    на     2Д70 — при 1080—1120 об/мин, а на 5Д49 — при 1150—1200 об/мин. Предельный регулятор дизелей Д50, 2Д50М и ПД1М при 840—870 об/мин приводит в действие механизм, который стопорит толкатели топливных насосов, удерживая их в верхнем крайнем положении. Предельный регулятор, как показывает само название, решает только одну задачу — совершенно прекращает доступ топлива в цилиндры дизеля, когда частота вращения коленчатого вала превысит допустимую величину. Чтобы решить другую не менее важную задачу — поддерживать постоянную частоту вращения независимо от изменения нагрузки, кроме регулятора безопасности, на дизелях устанавливают регулятор частоты вращения. Зададим себе такой вопрос: что является нагрузкой для тепловозного дизеля? Нагрузка дизеля — это мощность, которую от него отбирают передача (электрическая, гидравлическая и т. п.) к движущим колесам тепловоза и вспомогательные агрегаты (поездной компрессор, вентилятор холодильника дизеля и др.). Время проследования поезда по участку задается графиком движения. Для того чтобы выполнить график, тепловоз должен развивать достаточную мощность, которая зависит от частоты вращения вала дизеля и количества топлива, подаваемого в цилиндры. Частота вращения вала дизеля устанавливается машинистом тепловоза с помощью специального устройства — контроллера. В зависимости от массы поезда, трудности профиля и заданной скорости движения по участку машинист устанавливает в то или иное положение рукоятку контроллера. В дальнейшем отбор мощности, соответствующей заданной контроллером частоте вращения вала дизеля, должен автоматически обеспечиваться передачей тепловоза. Однако существующие на тепловозах передачи не могут полностью обеспечивать постоянство нагрузки на дизель. В связи с этим при изменении скорости движения нагрузка меняется. Кроме того, даже при постоянной подаче топлива дизель будет развивать различную мощность, потому что к. п. д. его изменяется в зависимости от условий окружающей среды, температуры масла, воды, качества работы отдельных его узлов (например, топливной аппаратуры) и т. д. В процессе работы отдельные цилиндры могут выключиться из-за, например, заклинивания плунжерной пары  топливного  насоса  и  т.  п. Итак, представим себе, что в цилиндры дизеля впрыскивается топливными насосами постоянное количество топлива на каждый рабочий цикл. Тогда с увеличением нагрузки на дизель или снижением развиваемой мощности частота вращения коленчатого вала упадет,  а  при уменьшении нагрузки или увеличении мощности дизеля возрастет и даже может превзойти установленные пределы, что, как мы знаем,  недопустимо. Таким образом, частота вращения вала дизеля, имеющего постоянную подачу топлива, будет изменяться то в меньшую, то в большую сторону, что в конечном счете нарушает нормальную работу дизеля, снижает его экономичность и повышает износ деталей. Отсюда вытекает необходимость в устройстве, которое изменяло бы подачу топлива в цилиндры согласованно с изменением нагрузки: при увеличении нагрузки увеличивало бы подачу топлива в цилиндры, а при уменьшении — соответственно уменьшало. Иными словами, нужно устройство, изменяющее мощность дизеля в соответствии с требуемой нагрузкой. Тогда частота вращения вала дизеля будет поддерживаться постоянной в установленных пределах. Эту задачу могут выполнить только автоматические устройства, так как для человека ручное регулирование подачи топлива насосами было бы утомительно и не всегда возможно. Вот почему на тепловозных дизелях, кроме предельного регулятора, ставится регулятор частоты вращения коленчатого вала, который, реагируя на изменение частоты вращения из-за несоответствия между нагрузкой и мощностью, развиваемой дизелем, перемещает на нужную величину рейки топливных насосов без вмешательства машиниста в строгом соответствии с нагрузкой и, таким образом, поддерживает постоянной заданную частоту вращения коленчатого вала дизеля независимо от нагрузки. На дизелях 10Д100, 11Д45, Д49, 2Д70 применяются более совершенные регуляторы: они регулируют не только частоту вращения, но и мощность дизеля. Как это достигается, мы узнаем дальше (см. с. 128), а пока рассмотрим принцип действия простейшего центробежного регулятора частоты вращения.