7. Дозирование цикловой подачи топлива и выбор способа регулирования тнвд

Разная мощность дизеля может быть получена путем изменения частоты вращения и цикловой подачи топлива, поэтому цикловая подача должна дозироваться в зависимости от заданного режима работы дизеля. В системах непосредственного действия с ТНВД золотникового и клапан­ного типов, применяемых в судовых дизелях, дозирование цикловой по­дачи осуществляется, как правило, перепуском части топлива во время нагнетательного хода плунжера, т.е. изменением его активного хода. В аккумуляторных системах (рис. 5) величина цикловой подачи топ­лива зависит от времени открытия дозирующего устройства.

Изменение активного хода плунжера, т.е. регулирование ТНВД, в золотниковых и клапанных насосах возможно лишь при изменении фаз топливоподачи, при этом изменяют или начало, или конец подачи, или одновременно и начало и конец подачи. Вначале рассмотрим регули­рование золотниковых топливных насосов. На схемах плунжерных пар, приведенных на рис. 8, роль отсечного отверстия выполняет наполнитель­ное отверстие с. Такая конструктивная схема плунжерной пары получи­ла широкое распространение, хотя в дизелях применяются и насосы с раздельной отсечкой, когда отсечка происходит через специальные отсеч­ные отверстия (или одно отверстие). Принцип регулирования ТНВД в обоих случаях один и тот же.

Схема а соответствует регулированию насоса по началу подачи. При развороте плунжера изменяется момент перекрытия нагнетательной кромкой а отверстия с. Конец подачи наступает после открытия этого отверстия отсечной кромкой b. Конец подачи в рассматриваемом случае постоянен, так как положение отсечной кромки относительно отверстия с не зависит от разворота плунжера. При перемещении рейки ТНВД про­исходит поворот плунжера, в результате чего изменяется начало нагнетания, а поэтому и геометрический активный ход плунжера.

На схеме б показан принцип регулирования ТНВД по концу по­дачи, так как положение нагнетательной кромки а по отношению к отверстию с не зависит от разворота плунжера, а положение отсечной кромки b - зависит.

Схема в иллюстрирует принцип смешанного регулирования ТНВД, причем в рассматриваемом случае с поворотом плунжера одновременно меняются и начало и конец подачи.

В последние годы в дизелях начали применять новый (четвертый) способ регулирования - комбинированный, в котором объединены способы регулиро вания по концу подачи и смешанный (схема г). Как видно из рисунка, при больших цикловых подачах (участок 1 - 2) регу­лируется только конец подачи, а при малых цикловых подачах (участок 2-3) - и начало и конец.

Рис. 8. Способы регулирования золотни­ковых ТНВД: 1 - плунжер; 2 - втулка плун­жера; 3 - корпус нагнетательного клапана

Регулирование клапанных насосов рассмотрим на примере сме­шанного регулирования (см. рис. 4). Геометрическое начало нагнетания топлива соответствует моменту, когда толкатель 10 всасывающего кла­пана 8 опустится на высоту , а геометрический конец подачи наступит тогда, когда толкатель 15 поднимется на высоту ₁ и начнет открывать отсечный клапан 6 (зазоры  и ₁ соответствуют нижнему положению плунжера). Следовательно, для изменения фаз топливоподачи, т.е. активного хода плунжера, необходимо изменить зазоры  и ₁, что обеспечивается поворотом эксцентрикового вала 13.

Подрегулировка всех насосов, т.е. установка одинаковых зазо­ров  и ₁ по отдельным цилиндрам, выполняется изменением длины толкателей клапанов с помощью регулировочных болтов 11 и 14.

Исходные значения фаз топливоподачи устанавливают на номи­нальном режиме, и они не зависят от способа регулирования ТНВД. При выборе способа регулирования фаз топливоподачи прежде всего следует учесть, на режимах какой характеристики дизель будет экс­плуатироваться. При этом необходимо обеспечить наибольшую эконо­мичность дизеля на всех режимах работы без механической перегрузки его деталей из-за высокого максимального давления сгорания и повы­шенной скорости нарастания давления газов в рабочем цилиндре. Изме­нение же температуры отработавших газов, косвенно определяющей теплонапряженность деталей ЦПГ, при выборе способа регулирования ТНВД обычно не учитывается, так как в дизелях с наддувом при умень­шении цикловой подачи топлива эта температура, как правило, снижа­ется.

Вначале рассмотрим влияние способа регулирования ТНВД на по­казатели механической напряженности. Анализ проведем для двух способов регулирования: по началу и по концу, так как смешанное и комбинированное регулирования занимают промежуточные положе­ния.

На рис. 9 приведены кривые относительного изменения макси­мального давления сгорания р_Z и средней скорости нарастания р/ в функции изменения частоты вращения n для пяти дизелей, работаю­щих по винтовой характеристике. Индекс "н" на рисунке относится к параметрам на номинальном режиме.

Из рисунка видно, что с уменьшением частоты вращения колен­чатого вала максимальное давление сгорания падает при любом спо­собе регулирования, что объясняется существенным снижением давле­ния наддувочного воздуха, оказывающего наибольшее влияние на сни­жение давления р_Z. В связи с этим изменение давления р_Z не влияет на выбор способа регулирования ТНВД.

Однако изменение скорости нарастания давления р/ с уменьшением частоты n, как показало осциллографирование рабочего процес­са этих дизелей, зависит от способа регулирования: скорость р/ (как и dр/d, кривые которых не приведены) снижается при регулиро­вании по началу подачи и повышается при регулировании по концу подачи. Поэтому, если на режимах малых нагрузок эта скорость достигнет значений выше допустимых (0,2 - 0,4 МПа на 1° ПКВ), следует вво­дить смешанное регулирование. В рассматриваемом случае величина р/ для всех дизелей с регулированием по концу подачи не превышает указанного предела. Для этих дизелей и максимальная скорость dр/d была ниже 0,4 МПа на 1° ПКВ [4]. По этой причине в исследуемых ди­зелях ограничились регулированием ТНВД только по концу подачи.

Анализ кривых изменения удельного индикаторного расхода топ­лива g_i [4] позволяет сделать вывод о преимуществе регулирования по концу подачи. Так, на режиме 25 % нагрузки дизеля (n/n_Н = 0,63) при регулировании по концу подачи удельный расход топлива ниже на 6 % по сравнению со случаем регулирования по началу подачи при прочих рав­ных условиях.

(р/)/(р/)_Н р_Z /р_ZН

Рис. 9. Изменение показателей дизелей при работе по винтовой характеристике: 1,2,3,4,5 - максимального давления сгора­ния и скорости нарастания давления га­зов соответственно дизелей "Фиат" 909S, МАН K6Z57/80C, "Бурмейстер и Вайн" 684VТ 2ВF 180,"Зульцер" 6RD76 и "Зульцер" 9RD90;

6 - удельного индика­торного расхода топлива;

- - - -ре­гулирование по началу подачи;

———— -регулирование по концу подачи

Причина такого изменения расхода g_i заключается в следующем. Со снижением частоты вращения судового двухтактного дизеля, как правило, возрастает коэффициент избытка воздуха при сгорании , что способствует лучшему сгоранию топлива и повышению индикаторного КПД независимо от способа регулирования ТНВД. Но способ регулиро­вания ТНВД влияет на долю цикловой подачи топлива, сгорающую в районе ВМТ. При регулировании по концу подачи окончание процесса впрыскивания со снижением n смещается к ВМТ, а поэтому бльшая доля топлива сгорает в районе ВМТ, что способствует повышению тер­мического и индикаторного КПД. При регулировании по началу подачи со снижением n начало сгорания переносится в точку на линии расшире­ния, все более удаляющуюся от ВМТ, что приводит к снижению термичес­кого и индикаторного КПД.

Следовательно, при регулировании ТНВД по началу подачи со снижением n увеличение коэффициента избытка воздуха при сгорании способствует повышению индикаторного КПД, а перенос начала впрыскивания — уменьшению этого КПД, в результате суммарное влия­ние рассмотренных факторов на индикаторный расход топлива несущест­венно. При регулировании по концу подачи со снижением n индикатор­ный КПД повышается как по причине возрастания коэффициента , так и по причине сгорания большего количества топлива в районе ВМТ.

Таким образом, в дизелях, работающих по винтовой характерис­тике, бесспорное преимущество имеет способ регулирования ТНВД по концу подачи. Но если на режимах малых нагрузок будет высокая ско­рость нарастания давления газов, то следует использовать смешанное или комбинированное регулирование. В последнем случае (как, напри­мер, в дизелях типов РС2, ZV40/48 и др.) начало регулируется лишь на режимах малых нагрузок, а поэтому повышенная экономичность дизеля обеспечивается на большинстве эксплуатационных режимов.

Как видно из рис. 9, при любом способе регулирования ТНВД максимальное давление сгорания р_Z на всех режимах ниже, чем давле­ние р_ZН на номинальном режиме. В связи с этим без увеличения механи­ческой нагрузки на детали дизеля на частичных его нагрузках давление р_Z можно повысить до давления р_ZН, если скорость нарастания давления газов не превысит допустимого значения. В результате этого экономич­ность дизеля на этих режимах возрастет. Давление р_Z можно повысить путем увеличения угла начала нагнетания _ОП .

В свете изложенного большой интерес представляет плунжерная пара (рис. 10,а), в которой изменение угла _ОП осуществляется за счет специальной конфигурации нагнетательной кромки плунжера. Положе­ние 1-1' соответствует номинальной цикловой подаче. На участке 1-2 угол _ОП увеличивается, а на участке 2—3 остается неизменным (до момента 3-3'). В дальнейшем с целью снижения скорости нарастания давления газов угол _ОП уменьшается (участок 3-4).

Влияние такого регулирования угла _ОП на экономичность дизеля наглядно иллюстрируется графиками изменения удельного эффектив­ного расхода топлива g_е при работе дизеля фирмы <МАН - Бурмейстер и Вайн> типа L-GB по винтовой характеристике (рис. 10,б). На рисунке одновременно показано и изменение максимального давления сгорания р_Z. Следовательно, в широком интервале изменения нагрузки дизеля (от 50 до 100 %) получено заметное снижение расхода топлива (до 2 %).

При работе дизеля по нагрузочной характеристике обычно уста­навливают ТНВД с регулированием по концу подачи, так как в данном случае частота вращения дизеля постоянная, а поэтому начало впрыски­вания топлива изменяется сравнительно мало. В дизелях с наддувом с уменьшением нагрузки давление р_Z, снижается (из-за падения давления наддувочного воздуха), обычно мало изменяется и скорость нарастания давления газов. Но если эта скорость на режимах малых нагрузок воз­растет выше допустимого предела, что может произойти вследствие уве­личения периода задержки самовоспламенения, вызванного снижением давления и температуры воздуха в цилиндре в конце сжатия и ухудше­нием качества распыливания топлива, то необходимо вводить регулиро­вание и начала подачи.

Рис. 10. Регулирование начала нагнетания ТНВД: а - развертка плунжера, где dП - диаметр плунжера; б - зависимость максимального давления сгорания рZ и изменения удельного эффективного расхода топлива gе от мощности дизеля Ne; - - - - ТНВД с регулированием по концу подачи; - ТНВД с комбинированным регулированием

При работе дизеля по нагрузочной характеристике обычно устанавливают ТНВД с регулированием по концу подачи, так как в данном случае частота вращения дизеля постоянная, а поэтому начало впрыскивания топлива изменяется сравнительно мало. В дизелях с наддувом с уменьшением нагрузки давление р_z снижается (из-за падения давления наддувочного воздуха), обычно мало изменяется и скорость нарастания давления газов. Но если эта скорость на режимах малых нагрузок возрастет выше допустимого предела, что может произойти вследствие увеличения периода задержки самовоспламенения, вызванного снижением давления и температуры воздуха в цилиндре в конце сжатия и ухудшением качества распыливания топлива, то необходимо вводить регулирование и начала подачи.

8. РЕВЕРСИРОВАНИЕ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ

Впрыскивание топлива в цилиндр обычно начинается до ВМТ, а заканчивается после. Следовательно, если поршень дизеля находится в ВМТ, то плунжер ТНВД еще продолжает свой нагнетательный ход. В свя­зи с этим кулачковая шайба ТНВД по отношению к мотылю должна иметь угол заклинки _З со значительным отставанием (рис. 11, а). Точка а на профиле кулачка соответствует геометрическому началу на­гнетания с углом опережения _а до ВМТ. Если бы геометрическое нача­ло подачи по насосу совпало с началом впрыскивания топлива форсун­кой, то топливо начало бы поступать в цилиндр в точке a₁. Схемы, по­казанные на рис. 11, относятся к двухтактным дизелям, а поэтому _а=_а1.

Рис.11.Схема реверсирования топливных насосов: 1 - ось симметрии кулачковой шайбы; 2 - кулачковая шайба; 3 - ролик толкателя ТНВД; 4 - окружность мо­тыля

Так как угол начала впрыскивания топлива обычно меньше угла _а1, то точкой а₂ условно показан момент начала впрыскивания топлива в цилиндр. Точка b на кулачке обозначает геометрический ко­нец нагнетания, которому на окружности мотыля соответствует точка b₁ ( _b= _b1). Окончание впрыскивания топлива в цилиндр условно отмечено точкой b₂, причем обычно  _b2> _b1 .

Расположение кулачковой шайбы при вращении дизеля в обрат­ную сторону показано на рис. 11, б (все обозначения те же, что и на рис. 11, а). Следовательно, при реверсировании дизеля рабочий участок а - b на кулачковой шайбе находится с другой стороны, а шайба на рас­пределительном валу по отношению к первому случаю должна быть повернута на угол, равный 2 _З.

Принцип реверсирования ТНВД четырехтактных дизелей анало­гичен рассмотренному, только отсутствует равенство углов _а=_а1 и  _b= _b1 , так как различны частоты вращения коленчатого и распреде­лительного валов.

Таким образом, при перемене стороны вращения двигателя необ­ходимо повернуть распределительный вал на угол 2 _З, если шайбы име­ют симметрический профиль, или передвинуть его вдоль оси и подвести новый комплект шайб с другим углом заклинки и обратным профилем.

Использование шайб с выпуклым профилем в двухтактных ди­зелях с прямоточно-клапанной продувкой требует установки на дизеле двух распределительных валов: один приводит в движение топливные насосы высокого давления, а другой — выпускные клапаны. Установ­ка двух распределительных валов вызвана необходимостью их пово­рота в разные стороны при реверсировании дизеля (рис. 12, а и б) или на разные углы при вращении в одну сторону. Действительно, при перемене стороны вращения (из положения а в положение б) вал с кулачковыми шайбами выпускных клапанов необходимо повернуть против часовой стрелки, а вал с кулачковыми шайбами ТНВД — по часовой стрелке.

Однако при использовании кулачковых шайб с вогнутым профи­лем (рис. 12, в и г) при реверсировании дизеля шайбы ТНВД и выпуск­ных клапанов поворачиваются в одну сторону, благодаря чему все шай­бы могут быть размещены на одном распределительном валу. Но приме­нение шайб с таким профилем резко уменьшает время наполнения надплунжерного пространства топливом. Чтобы компенсировать указанный недостаток, наполнение в насосах осуществляют через всасывающий клапан с большим проходным сечением, что усложнило конструкцию ТНВД.

Участок профиля кулачковой шайбы ТНВД, соответствующий геометрическому активному ходу плунжера на всех позициях рис. 12 показан отрезком а — b.

Рис.12. Схемы реверсирования топливных насосов дизелей с прямоточно-клапанной продувкой: 1 и 4 – кулачковые шайбы соответственно ТНВД и выпускного клапана; 2 и 5 – ролики толкателей соответственно ТНВД и выпускного клапана; 3 и 6 – оси симметрии кулачковых шайб соответственно выпускного клапана и ТНВД.