Заняття 9 Система живлення дизельних двигунів

1. Призначення, характеристика, загальна будова системи живлення дизельних двигунів.

2. Будова і робота вузлів та агрегатів системи живлення з дизельним двигуном

3. Будова і робота паливного насосу високого тиску.

1. Основні схеми систем живлення дизелів

Паливна система дизеля забезпечує збереження, підготовку і подачу палива у визначений період робочого циклу і його розподіл у камері згоряння. Система також здійснює дозування палива при його подачі в циліндри.

Для згоряння в циліндрі паливо розпилюється на краплі розміром кілька десятків мікрон. Це виявляється можливим при впорскуванні палива через отвори форсунок діаметром до 0,15 мм зі швидкістю 200÷400 м/с. Останнє вимагає подачі палива під тиском до 150 МПа, а іноді і вище.

На початковому етапі дизелебудування сумішоутворення в циліндрах здійснювалося пневматичним розпилюванням. При цьому способі у форсунку від насоса низького тиску подавалася чітко дозована циклова порція палива, а від поршневого компресора – стиснене повітря під тиском, що на 1,5÷3 МПа більше, ніж тиск наприкінці процесу стиску. Перевагою цього способу є гарне перемішування палива з повітрям. Удосконалювання технології дозволило перейти на насосне впорскування палива.

Паливні системи дизелів діляться на системи безпосереднього (насосного) впорскування та акумуляторні.

До систем безпосереднього впорскування відносяться:

- системи розділеного типу, у яких секції паливного насоса високого тиску (ПНВТ) і форсунки виконані окремо та поєднані паливопроводом високого тиску. За типом ПНВТ розрізняють системи:

а) з рядними багатоплунжерними ПНВТ;

б) з розподільними одноплунжерними ПНВТ (з аксіальним рухом плунжера);

в) з розподільними багатоплунжерними ПНВТ (з радіальним рухом плунжерів);

г) з індивідуальними ПНВТ.

- системи з насос-форсунками, у яких секція насоса і форсунка виконані у одному вузлі.

Акумуляторні паливні системи бувають двох типів:

- з акумулятором великої місткості та постійним тиском;

- з акумулятором малої місткості, у який паливо поступає на початку нагнітального ходу плунжера, а потім, після створення у акумуляторі великого тиску, подається до форсунок.

Система розділеного типу включає наступні основні вузли та елементи (рис. 1):

1. Паливний бак з датчиком та покажчиком рівня палива.

2. Фільтр грубого очищення палива.

3. Паливний насос низького тиску (паливопідкачувальний насос).

4. Фільтр тонкого очищення палива.

5. Паливний насос високого тиску.

6. Паливопроводи низького та високого тиску.

7. Форсунки.

ПНВТ відрізняються за наступними ознаками:

- за кількістю плунжерів – багатоплунжерні (один плунжер на свій циліндр) і розподіленого типа (одна секція подає паливо у декілька циліндрів)

- за типом привода плунжера – з жорстким (механічним) і з гнучким (гідравлічним, газовим або пружинним) приводом;

- за методом дозування палива – з регулюванням циклової подачі відсічкою та дроселюванням на впуску (зміною наповнення паливом надплунжерного об’єму за допомогою дроселювального приладу у каналі, що підводить паливо до впускного вікна).

Розподілені ПНВТ бувають плунжерні (з зовнішнім циліндричними кулачковим профілем і торцевим кулачковим профілем) та роторні (з внутрішнім циліндричним профілем).

2. Елементи системи

Паливні баки мають витримувати подвійний робочий тиск контуру низького тиску.

Надлишковий тиск стравлюється крізь отвори або клапани.

Паливні фільтри охороняють паливну систему від забруднення. За призначенням розрізняють фільтри грубого очищення і фільтри тонкого очищення.

Фільтр грубого очищення призначений для фільтрації великих часток. Встановлений перед паливопідкачувальним насосом. За типом бувають:

- поглинаючими (з намоткою на каркас бавовняного або синтетичного шнура);

- щілинними (з пакетом тонкометалічних пластин на валу);

- стрічково-щілинними (з пакетами перфорованої стрічки);

- сітчастими (з сіткою з кроком 300 мкм);

- седиментаційними (відстійники з ламінарним потоком палива).

Більшість фільтрів грубого очищення мають пробку для зливання відстою та є розбірними для їх очищення.

Фільтр тонкого очищення (рис. 2) повинен відсіювати 96÷99,4% домішок та води. Найбільш поширеною конструкцією є змінний паперовий, картонний або синтетичний фільтроелемент. У нижній частині мається пробка для зливання води, яка затримується порами фільтроелемента.

Часто фільтри виконують здвоєними – грубого та тонкого очищення (рис. 3), або два фільтра тонкого очищення, що з’єднані паралельно або послідовно. Трубопроводи низького тиску виконують з міді, сталі, полімерних матеріалів.

Трубопроводи високого тиску повинні забезпечувати надійну роботу системи при тисках з пульсацією до 200 МПа в умовах досить високої вібрації. Тому виготовляють їх звичайно з грузлої легованої сталі. Характерною рисою паливних систем високого тиску є виникнення в них при роботі хвильових явищ, що обумовлені стискальністю рідкого палива. Рух і відображення хвиль тиску можуть вносити істотні відхилення у роботу паливної системи при зміні швидкості обертання двигуна і викликати, зокрема, вторинне впорскування палива через форсунку. З цієї причини прагнуть знизити довжини паливопроводів високого тиску до мінімальних значень (не більше 1,5 м). Якщо це здійснити не вдається, то встановлюють окремі насоси для кожного циліндра або групи циліндрів.

Паливопідкачувальні насоси (насоси низького тиску) за конструкцією можуть бути різними і залежать від типу системи. Вони постачають паливо до ПНВТ із запасом для придушення газової фази та охолодження ПНВТ.

На легкових і легких вантажних автомобілях використовують електронасоси (рис. 12.4). Він може бути убудованим у паливний бак або встановленим між баком та фільтром тонкого очищення. Насос, як правило, роликовий. Робота їх аналогічна електробензонасосам. Вони також можуть використовуватися у якості додаткових передпускових паливопідкачувальних насосів. Поршневі насоси використовують у рядних ПНВТ. Поршень приводиться у дію ексцентриком. Як правило, такі насоси мають додатковий поршень для ручного підкачування. Система охолодження палива (рис. 12.9). Використовується у системах з насос- форсунками та акумуляторних, де внаслідок високого тиску паливо нагрівається настільки, що його перед зворотним зливом треба охолоджувати для захисту паливного бака і датчика рівня палива. Охолодження здійснюється у теплообміннику, де теплота віддається охолодній рідині системи охолодження ДВЗ, яка у даному випадку циркулює у окремому контурі з додатковим радіатором. Паливні насоси високого тиску дизелів виконують наступні функції:

- дозування палива у циліндр відповідно до режиму роботи двигуна;

- забезпечення подачі палива в камеру згоряння у необхідний момент (функція фазування), за визначений період часу і за заданою характеристикою впорскування (законом подачі).

Конструкції ПНВТ розглянемо окремо.

3. Рядні багатоплунжерні ПНВТ

Схема системи живлення зі стандартним рядним багатоплунжерним ПНВТ) наведена на рис. 12.10. Прийняття більш жорстких екологічних норм привело до удосконалення конструкції їх і до появи ПНВТ з додатковою втулкою та електронним керуванням (рис. 12.11).

Рядні багатоплунжерні ПНВТ використовують для дизелів з числом циліндрів від 2 до 12 та потужністю 10÷200 кВт на циліндр. Їх використовують для стаціонарних дизелів, вантажних автомобілів, сільськогосподарських та будівельних машин.

Рядні паливні насоси (рис. 12.12) звичайно поєднують в одному корпусі кілька насосних елементів (секцій). Вони приводяться від колінчастого вала. Частота обертання вала удвічі менша за частоту обертання колінчастого вала (у чотиритактних ДВЗ). Плунжер приводиться в рух кулачком вала через роликовий штовхач. Зворотний рух плунжер робить під дією пружини. Робота насосної секції відбувається у такий спосіб (рис. 12.13). Коли плунжер рухається вниз, паливо через канал і вікно заповнює надплунжерний простір. При русі нагору плунжер перекриває вікно у гільзі. З цього моменту паливо у надплунжерному просторі починає стискуватися і при тиску порядку 1 МПа піднімає нагнітальний клапан, переборюючи зусилля його пружини. Форсунка робить впорскування палива в циліндр. У той момент, коли відсічна кромка каналу на плунжері відкриє відсічне вікно, паливо з великою швидкістю спрямовується в пропускну порожнину. Тиск над плунжером швидко знижується і нагнітальний клапан під дією пружини і тиску палива почне опускатися вниз. З метою різкого відсічення подачі палива, нагнітальний клапан має розвантажувальний пасок. При вході циліндричного паска у напрямний канал сідла клапана відбувається роз'єднання трубопроводів високого тиску від секції насоса. Розвантажувальний пасок, опускаючись, різко знижує тиск у трубопроводах. Іноді функції розвантажувального паска виконує додатковий зворотний клапан.

Різке відсічення подачі палива і зниження залишкового тиску в нагнітальному трубопроводі запобігає підтіканню палива із сопел форсунки і повторному впорскуванню.

Після закінчення впорскування конус нагнітального клапана відокремлює об`єм трубопроводів від надплунжерного простору. Невеликий і майже постійний тиск у нагнітальних трубопроводах обумовлює ідентичну подачу палива на різних режимах роботи двигуна. Регулювання кількості палива, що впорскується, здійснюється поворотом плунжера навколо його подовжньої осі (рис. 12.14). Звичайно це здійснюється за допомогою зубчастої або вилчастої рейки. При повороті плунжера косою відсічною кромкою змінюється момент відкриття пропускного вікна, тобто змінюється величина подачі палива насосною секцією. Типи плунжерів зображені на рис. 12.15.

Матеріали, що використовують для плунжерних пар, повинні мати високу зносостійкість і твердість, зберігати розміри і геометричну форму, мати малий коефіцієнт лінійного розширення. Для втулки і плунжера використовують леговані сталі ШХ15 і ХВГ, хромомолібденові сталі типу 30ХН3ВА. Високі вимоги пред'являються до якості механічної обробки цих деталей. Відібрані плунжерні пари сортують на групи за гідрощільністю. У насос установлюють пари однієї групи. Після притирання і перевірки плунжерну пару не розукомплектовують. За допомогою селективної збірки вдається забезпечити діаметральний зазор у них 1÷3 мкм. Збільшення швидкості руху плунжера приводить до росту тиску у надплунжерному просторі, скороченню тривалості упорскування і поліпшенню розпилювання. Однак збільшення швидкості плунжера веде до зростання інерційних сил і зносу деталей насоса. Тому прагнуть додати кулачку таку форму, при якій виходила економічна робота при задовільній зносостійкості.

Тривалість процесу упорскування в залежності від типу двигуна і режиму його роботи лежить у межах 15÷30° повороту колінчастого вала. Закон подачі палива (характеристика упорскування) задається формою кулачка (рис. 12.17).

Для забезпечення потрібної подачі палива відповідно до режиму роботи ДВЗ і сталості частоти обертання при фіксованому положенні рейки використовують регулятори частоти обертання (12.2). За характеристиками вони можуть бути однорежимними, дворежимними або всережимними, за конструкцією – механічними відцентровими або електронними.

Регулятор встановлюють безпосередньо на ПНВТ, рейка якого з’єднана з регулювальним важелем регулятора (рис. 12.18). Діапазон зміни швидкісного режиму задається педаллю подачі палива, яка урівноважується відцентровою силою тягарів. При збільшенні частоти обертання відцентрова сили тягарів збільшується, муфта рухається вліво, зменшуючи подачу палива і, відповідно, частоту обертання. Аналогічно, при зменшенні частоти тягарі сходяться, рейка під дією пружини зміщується у бік збільшення подачі. Таким чином, підтримується сталий режим роботи ДВЗ. Дворежимний регулятор забезпечує сталу роботу лише у діапазоні малих обертів холостого ходу та максимальної частоти за допомогою пружин 8 та 9 (рис. 12.18, б). На середніх обертах частота визначається лише положенням педалі подачі палива. На рис. 12.19 зображено будову всережимного регулятора фірми Bosch.

Всережимні регулятори використовують у тракторах та дорожніх машинах, дворежимні – у легкових та вантажних автомобілях.

Зміну моменту початку впорскування палива у залежності від частоти обертання забезпечує муфта випередження впорскування палива. Муфта встановлюється на кулачковому валу ПНВТ, і за її допомогою вал приводиться у дію. При збільшенні частоти обертання тягарі (рис. 11.21) розходяться під дією відцентрової сили. При цьому вони через проставки провертають корпус і разом з ним – кулачковий вал, збільшуючи кут випередження впорскування. При зменшенні частоти під дією пружин тягарі сходяться.

У сучасних ПНВТ механічний регулятор замінено на електромагнітний з програмним керуванням від електронного блоку (рис. 12.22).