Назначение и устройство топливной системы тепловозных дизелей

И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА им. Ф.Э.ДЗЕРЖИНСКОГО

Кафедра «Л окомотивы и локомотивное хозяйство»

ТОПЛИВНАЯ АППАРАТУРА ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Утверждено

Главным управлением кадров и учебных заведений МПС в качестве учебного пособия

Москва 1990

УДК 621.436.03;629.424.1

Скепский В.П. Топливная аппаратура тепловозных дизелей. Учеб. пособие. -М.:МИИТ. -1990. -123 с.

Описана конструкция топливной аппаратуры современных тепло­возных дизелей. Рассмотрены основные параметры процесса впрыски­вания топлива в цилиндры дизеля и их влияние на рабочий процесс. Приведена теория расчета деформации плунжерных пар от рабочих нагрузок и величины утечек топлива в период процесса топливоподачи.

Учебное пособие предназначено для студентов вузов железнодорожного транспорта по специальностям "Тепловозы и тепловозное хозяйство" и "Локомотивостроение (тепловозостроение)".

Рецензенты: д-р техн.наук проф. Е.Е.КОССОВ (МИИТ),

канд.техн.наук доц. В.С.АНТРОПОВ (ВНИИЖТ).

(с) Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени институт инженеров железнодорожного транспорта им. Ф.Э. Дзержинского, 1990

НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Топливная система дизеля состоит из систем низкого и высоко­го давления. Система низкого давления предназначена для хранения запаса топлива, его фильтрации, подогрева (при низких температурах (окружающего воздуха) и подачи его к насосу высокого давления. Система высокого давления обеспечивает подачу топлива к форсункам и впрыскивание его в цилиндр дизеля и состоит из насоса высокого давления и форсунки, соединённых между собой нагнетательным трубопроводом.

Основным назначением топливной системы высокого давления является впрыскивание и качественное распыливание точно дозированной цикловой подачи топлива на всех эксплутационных режимах дизеля, включая малых нагрузки и холостой ход; обеспечение заданной характеристики топливоподачи, благоприятствующей процессу сгорания топлива на любом эксплутационном режиме дизеля.

Кроме того, для организации качественного процесса сгорания топлива необходимо обеспечить:

- одинаковые условия подачи и распыливания топлива по всем цилинд­рам дизеля, так как различные значения цикловой подачи приводят к перегрузке одних и недогрузке других цилиндров, а неодинаковые углы начала подачи обуславливают разные значения максимального давления сгорания и температуры выпускных газов на выходе из ци­линдров;

- стабильные параметры процесса топливоподачи в течение длитель­ной эксплуатации.

Расположение оборудования и схемы топливных систем на боль­шинстве тепловозов примерно одинаковы, поэтому рассмотрим прин­ципиальную топливную систему тепловоза (рис.1.1). Все оборудование, соединенное топливопроводами в единую систему (на тепловозе окрашена в желтый цвет), можно разделить на шесть основных групп:

I - баки для хранения запаса топлива (5000-8000 кг);

II - топливоподкачивающие устройства и органы аварийной подачи топлива;

III - устройства для фильтрации топлива, его подогрева и сбора уте­чек топлива, регулирующие клапаны, краны;

IV - контрольно-измерительная аппаратура для определения темпера­туры и давления топлива, расхода топлива, устройства для диагностики топливной аппаратуры;

V - насосы высокого давления, топливопроводы и форсунки;

VI - механизмы управления насосами высокого давления.

Рис.1.1. Топливная система тепловоза

Топливная система тепловоза работает следующим образом. Из бака 21 топливо по трубе 16 через фильтр грубой очистки 15 зака­чивается топливоподкачивающим насосом 14 по трубопроводу 11 через фильтр тонкой очистки 8 и трубопровод 7 в коллектор топливного насоса высокого давления 5 (на схеме показан один топливный на­сос и одна форсунка). Топливные насосы 5 подают топливо по тру­бопроводу высокого давления 3 в форсунку 2, через которую оно впрыскивается в цилиндр дизеля 1. Часть топлива, просочившаяся через зазоры в прецизионных парах насоса и форсунки, сливается в бак по трубопроводам 6, 29, 24.

Для надежной работы системы топливоподачи температура топлива в баке должна быть не менее 30-40°С. Для подогрева топ­лива в холодное время года предусмотрена его интенсивная цирку­ляция, осуществляемая в результате того, что топливоподкачивающий агрегат подает, топлива в 2-5 раз больше, чем необходимо для реализации полной мощности дизеля. Избыток топлива из кол­лектора ТНВД через редукционный клапан 4 и трубопровод 23, а через клапан 10 по трубопроводу 9, проходит по сливным трубопроводам, расположенным вблизи работающего дизеля, подогревается и поступает в топливный бак, в результате чего подогревается весь запас топлива. По трубопроводу 27 топливо попадает в раструб всасывающей трубы 16 (при соответствующем нем положении вентилей 24 и 25) чем обеспечивается прогрев окружающего заборную трубу объема топ­лива в место его забора, В зимнее время для нормальной работы системы такого подогрева недостаточно. Поэтому при низких темпе­ратурах окружающего воздуха предусматривается дополнительный про­грев топлива в топливоподогревателе 27 за счет тепла горячей воды из системы охлаждения дизеля (в летнее время топливоподогреватель отключается перекрытием доступа горячей воды).

Чтобы избежать остановки дизеля при выходе из строя топливо-подкачивающего агрегата, предусмотрена возможность аварийного пи­тания дизеля топливом за счёт разрежения, создаваемого насосом высокого давления. В этом случае забор топлива осуществляется не­посредственно из топливного бака по трубопроводу 12 через клапан аварийного питания 13 (при нормальной работе топливоподкачивающего агрегата он закрыт), минуя фильтр грубой очистки 15 и топливоподкачивающий агрегат 14. В таком режиме дизель может работать не продолжительное время с ограниченной мощностью. Из-за недостаточ­ной надежности топливоподкачивающего агрегата на некоторых сериях тепловозов устанавливают два таких агрегата, один из которых резервный. Так, на тепловозах 2ТЭ10Л первых выпусков устанавли­вался дополнительный резервный топливоподкачивающий агрегат, под­ключенный параллельно основному. На тепловозах 2ТЭ116 последних выпусков (с 1979 г.) устанавливаются два топливоподкачивающих насоса, один из которых с электроприводом используется при пус­ке дизеля, а при работе является резервным, а второй - с механи­ческим приводом от вала дизеля обеспечивает питание его топ­ливом во время работы.

На тепловозах ВМЭ1, ЧМЭ2 и ЧМЭЗ и дизель - поездах Д1 имеется прокачивающий насос с ручным приводом, предназначенный для запол­нения системы топливом после длительной стоянки, а также в аварийных случаях.

Поэтому для предохранения топливоподкачивающего насоса и его электродвигателя от перегрузки в системе предусмотрен перепуск избытка топлива из напорного топливопровода 11 через перепускной клапан 10 по трубопроводам 9 и 26, когда давление в системе превышает заданное (0,3 - 0,35 МПа). Давление в топливопроводе контролируется электроманометром М₁, указатель которого установлен на щите приборов в дизельном помещении.

Для надежного заполнения топливных насосов высокого давления давление топлива в их коллекторе должно быть не менее 1,5 МПа. Такое давление поддерживается подпорным клапаном 4, установленным на трубе 28, и контролируется дистанционно манометром M₂, установ­ленным на щите приборов в дизельном помещении.

Для контроля за давлением топлива в системе низкого давления на щитке приборов в дизельном помещении установлены манометры 37 и 38, показывающие давление соответственно до и после фильтра тонкой очистки. Величина разности показаний этих манометров позволяет судить о степени загрязнения фильтра. Для нормальной рабо­ты системы давление топлива после фильтра должно быть в пределах 0,15-0,25 МПа.

Топливные баки на тепловозах обычно представляют собой сва­ренные из стальных листов резервуары, подвешенные снизу к главной раме тепловоза между тележками. Вместимость топливного бака сос­тавляет от 3900 л у тепловоза М62 до 8200 л у тепловоза 2ТЭ116. Баки с обеих сторон имеют заправочные горловины, отстойник и проб­ку для слива отстоя и удаления механических примесей. Регулярный слив отстоя увеличивает срок службы и надежность работы топлив­ной системы.

Количество топлива в баке измеряют с помощью топливомерных реек 25, расположенных с обеих сторон бака (см. рис.1.1). На теп­ловозах ТЭП70, кроме того, на стенке бака установлено топливомерное стекло 24. Однако точность измерения такими способами невысока и не удовлетворяет требованиям эксплуатации. На теп­ловозе 2ТЭ116 установлен гидростатический топливомер, который позволяет дистанционно измерять уровень топлива в баке с большей точностью (рис.1.2). Топливомер состоит из бачка 2 с трубкой указателя 1 с делениями и источника сжатого воздуха 3 (воздушный насос с ручным приводом или подпитка из воздушной магистрали тепловоза давле­нием 0.1 МПа через редуктор).

Рис.1.2. Гидростатический топливомер

Бачок 2 соединён трубкой 4 с расходным топливным баком 5 дизеля. Для измерения уровня топлива в расходном баке 5 в бачок 2 подают воздух до тех пор, пока уровень топлива в трубке указате­ля станет неизменным (при этом воздух будет выходить в бак 5 из трубки 4). Под действием давления воздуха уровень топлива в труб­ке указателя 1 поднимается на размер «Н» и будет удерживаться столбом топлива, возвышающимся в баке 5 над уровнем нижнего конца трубки 4 высотой «Н».

Следует учитывать, что точность показаний топливомера зави­сит от разницы температуры топлива в бачке 2 и топливном баке 5.

Для подъема топлива из бака, преодоления потерь давления в фильтрах и трубопроводах и подачи топлива к топливным насосам вы­сокого давления (ТНВД) под необходимым давлением, гарантирующим надежное заполнение их надплунжерного пространства, в топливной системе устанавливаются топливоподкачивающие агрегаты, состоящие из топливоподкачивающего шестеренчатого насоса и электродвигателя постоянного тока, смонтированных на общей плите и соединенных между собой кулачковой муфтой с амортизатором (рис. 1.3). Такие насосы имеют постоянную частоту вращения, величину подачи и дав­ление топлива как на режиме холостого хода, так и режиме полной мощности.

Рис.1.3. Топливоподкачивающий агрегат дизеля 10Д100.

Шестеренчатый насос состоит из корпуса 18 и крышки 17 с сер­повидным выступом «а». В крышку впрессована ось 10, на которой свободно вращается шестерня 12, входящая в зацепление с ведущей шестерней 13, имеющей зубья с внутренним зацеплением. Ведущая шестерня выполнена заодно целое с приводным валиком «б», соеди­ненным муфтой с электродвигателем. Наружная цилиндрическая повер­хность ведущей зубчатой шестерни пришлифована к расточке корпуса, а вершины зубьев к нижней поверхности серповидного выступа крышки насоса. Впадины между зубьями прорезаны с выходом на наружную поверхность.

Топливо, поступая через штуцер корпуса насоса в полость «А», заполняет впадины между зубьями шестерни. При вращении шестерни топливо захватывается зубьями и двумя потоками (между зубьями шестерен и серповидным выступом) поступает в нагнетательную полость насоса «Б» и далее в трубопровод.

Для предотвращения утечек топлива по валику «б» на нем на­дето уплотнение, состоящее из двух бронзовых втулок 19, 22, при­паянных к латунной гофрированной втулке 24. Притертым торцом втулка 19 прижата к стальной втулке 25, напрессованной на валик «б», пружиной 23, зажатой между втулками 19 и 22. Втулка 22 сво­им коническим притертым пояском прижата к корпусу при помощи на­кидной гайки 20. Допускается в период эксплуатации утечка топлива по валику не более одной капли в 1 мин.

На тепловозе ТЭП70 топливоподкачивающий насос работает толь­ко во время пуска дизеля. При работе дизеля подачу топлива к ТНВД обеспечивает шестеренчатый насос, приводимый в действие от дизеля. Привод насоса от дизеля обеспечивает зависимость его по­дачи от частоты вращения коленчатого вала.

В топливную систему дизелей обычно устанавливают фильтры предварительной очистки (сетки, отстойники), грубой и тонкой очистки. Основными показателями фильтров являются их гидравличес­кое сопротивление или пропускная способность, качество фильтра­ции механических примесей и воды. По способу фильтрации филь­тры подразделяются на поверхностные (сетки, бумага, щелевидные или пористые материалы) и объемные (фетр, войлок, хлопчатобумажная пряжа, металлокерамика и др.).

Фильтры предварительной очистки (сетки) обычно располагают в заправочных и заборных горловинах топливных баков и предназначены для задержания лишь очень крупных частиц и исключения за­сорения топливных трубопроводов и топливных баков.

Фильтры грубой очистки, которые устанавливаются перед топливоподкачивающим насосом, предназначены для задержания более мелких частиц и должны иметь тонкость отсева d_от = 50 ¸150 мкм и допустимый перепад давления DР_фил = 0,05 МПа.

Фильтры тонкой очистки устанавливаются перед ТНВД для умень­шения износа и предупреждения заклинивания прецизионных деталей топливной аппаратуры и должны обеспечивать тонкость отсева d_от = 2¸5 мкм и допустимый перепад давления DР_фил = 0,15 МПа (контроль осуществляется по показаниям манометров М₁ и М₂) (см. рис. 1.1).

Фильтрующие элементы топливных фильтров должны иметь мини­мальное гидравлическое сопротивление, достаточно большой срок службы и быть простыми в обслуживании.

Все топливные фильтры тепловозных дизелей состоят из двух основных частей: корпуса и фильтрующих элементов.

Фильтры грубой очистки у большинства тепловозов состоят из двух цилиндрических корпусов, соединенных общей крышкой с трех­ходовым краном, обеспечивающим отключение любого из фильтров в случае необходимости, например при замене одного элемента в пе­риод эксплуатации. Нормальным режимом является работа фильтра с параллельным включением обоих элементов, а работа на одном эле­менте допускается лишь при неисправности другого.

Фильтрующие элементы в фильтрах грубой очистки могут быть различными. На ряде тепловозов ранней постройки (до 1965 г.) применялись сетчато-набивные фильтрующие элементы, представляющие собой хлопчатобумажную пряжу-путанку, размещенную в кольцевом зазоре между двумя сетчатыми цилиндрами. Качество фильтрации топлива в таких элементах зависит от плотности и равномерности

На тепловозах ТЭЗ и 2ТЭ10Л последних выпусков, тепловозах 2ТЭ10В и ТЭМ2 применяются фильтры грубой очистки с гофрированны­ми проволочно-щелевыми фильтрующими элементами. Фильтрующие эле­менты представляют собой металлические сетки, на которые навита виток к витку латунная проволока трапецеидального сечения. Зазоры между витками величиной 0,07-0,09 мм и образуют фильтрующую повер­хность. Для увеличения площади этой поверхности секция фильтра состоит ив двух фильтрующих элементов (цилиндров) разных диамет­ров (внутреннего и внешнего), работающих параллельно.

На тепловозах ТЭП70 и 2TЭ116 применяются однокамерные фильтры грубой очистки топлива (рис. 1.4,а). Фильтр представляет собой набор сетчатых дисков (элементов) 2, насажанных на центральный трехгранный стержень 4 с внутренним каналом.

Рис.1.4. Топливные фильтры грубой (а) и тонкой (б) очистки:

1 – корпус; 2 – фильтрующий элемент; 3 – крышка; 4 – стержень; 5 – пробка; 6 – колпак; 7 – штуцер.

Топливо поступает через нижнее отверстие в верхней части кор­пуса, проходит через квадратные ячейки фильтрующих элементов со стороной квадрата 0,045 мм и, очистившись от механических приме­сей, поднимается по внутренним каналам трехгранного стержня к вы­ходному отверстию в крышке и далее в топливопровод.

Фильтры тонкой очистки топлива устанавливаются перед коллек­торами ТНВД. На тепловозах с дизелями типа Д100, устанавливаются четырех секционные фильтры тонкой очистки, а на тепловозах с дизе­лями ПД1М – двухсекционные. По конструкции секции фильтров одина­ковы (рис.1.4,б). Секции фильтров расположены в общем корпусе, оборудованном трехходовым краном, позволяющим отключать половину секций. Фильтрующие сменные бумажные элементы 2 установлены на стержнях, ввернутых на резьбе в корпус 1. Каждая секция фильтра закрыта колпаком 6, уплотненным прокладкой и прижатым к корпусу гайкой 7. Для слива из фильтра топлива в нижней части имеется пробка 5.

Топливо, поступающее в фильтр через входной штуцер, проходит через отверстия в картонном каркасе и направляется к филь­тровальной бумаге, пары которой задерживают механические частицы размером более 4-6 мкм. Очищенное топливо попадает в канал цент­рального стержня, затем в канал нижней части корпуса фильтра и далее к коллектору ТНЗД. Бумажный фильтрующий элемент после пробега 50 тыс. км. (на текущем ремонте TP-1) снимают и заменяют но­вым.

Топливоподогреватель, установленный в топливной системе тепловоза (см. рис. 1.1), предназначен для подогрева топлива горячей водой дизеля в зимний период времени с целью поддержания требуе­мой вязкости топлива. При пониженной температура увеличивается вязкость топлива, увеличивается гидравлическое сопротивление при проходе его по трубопроводам и через фильтры. Кроме того, ухуд­шается качество распыливания топлива и процесс горения.

Топливоподогреватель (рис.1.5) представляет собой трубчатки теплообменник и состоит из цилиндрического сварного корпуса 9. закрытого с двух сторон крышками 1 и 12. Крышки прикреплены к трубным решеткам 2 и 10 болтами; уплотнение в местах соединения достигается постановкой паронитовых прокладок. В трубных решет­ках, расположенных с двух концов корпуса, вварены стальные труб­ки 6 круглого сечения (у топливоподогревателя дизеля 10Д100 - 88 трубок).

Горячая вода в топливоподогревателе проходит внутри трубок, а топливо - снаружи поперек трубок, По штуцерам, вваренным в крышку 1, подводится и отводится горячая вода. В трубную часть подогревателя вварены штуцеры для подвода и отвода воды.

Горячая вода из контура охлаждения дизеля подводится через входной патрубок подогревателя, заполняет нижнюю полость «А» левой крышки, отгороженной от верхней полости «Б» перегородкой, и по трубкам перетекает в полость «С» правой крышки. Затем вода по трубкам возвращается в верхнюю полость «Б» левой крышки и через штуцер 18 отводится в систему охлаждения дизеля.

Рис.1.5. Топливоподогреватель дизеля 10Д100:

1, 9 – крышки; 2, 8 – трубные решетки; 3 – штуцер спуска воздуха; 4 – трубка; 5 – перегородки; 6 – пластина охлаждения; 7 – барабан (обечайка).

Для увеличения отдачи тепла от горячей вода к топливу труб­ки оребрены пластинами 8 из белой жести. По длине трубок установлены сегментные перегородки 7 которые направляют топливо по зигзагообразному пути, за счет чего увеличивается путь прохождения топлива, а, следовательно, и улучшается его подогрев.

В летнее время года топливоподогреватель отключают от водя­ной системы дизеля.