Конструктивные особенности систем подачи топлива современных дизелей

Ю. П. Макушев, А. П. Жигадло, Л. Ю. Волкова





        КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
        СИСТЕМ ПОДАЧИ ТОПЛИВА СОВРЕМЕННЫХ ДИЗЕЛЕЙ




Учебное пособие


Издание 2-е, переработанное и дополненное

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.43
ББК31.365
     М17



Рецензенты:
доктор технических наук, профессор (ОмГТУ) В. В. Шалай; доктор технических наук, профессор (СибАДИ) Н. Г. Певнев





     Макушев, Ю. П.
М17 Конструктивные особенности систем подачи топлива современных дизелей : учебное пособие / Ю. П. Макушев, А. П. Жигадло, Л. Ю. Волкова. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 200 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1238-4

           Рассмотрены особенности конструкции, принципа действия, расчета, технического обслуживания, диагностирования систем подачи топлива современных дизелей. Приведены способы расчёта насоса высокого давления, форсунок автомобильных, тепловозных и судовых дизелей. Рассмотрена методика определения технического состояния форсунок дизелей по изменению утечек топлива, давления и перемещения иглы распылителя. Предложены насосы-форсунки и регуляторы частоты вращения с механическим и электронным управлением. Изложен расчёт форсунок с электромагнитным и пьезоэлектрическим управлением, дана методика диагностирования, восстановления, регулирования и кодировки. Рассмотрен расчет мелкости распыливания топлива. Показана необходимость согласования дальнобойности топливного факела с периодом задержки самовоспламенения. Приведена оценка погрешности при определении удельного расхода топлива двигателем внутреннего сгорания.
           Для студентов всех форм обучения по направлению подготовки «Энергетическое машиностроение», по дисциплинам «Системы двигателей», «Системы энергетических машин», «Инновационные методы повышения эффективности энергетических установок», «Техническая диагностика и эксплуатация энергетических машин», «Конструирование двигателей», «Электронные системы управления энергетических установок».

УДК 621.43
ББК31.365






ISBN 978-5-9729-1238-4

      © Макушев Ю. П., Жигадло А. П., Волкова Л. Ю., 2023
      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                              © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ......................................................6
1. СИСТЕМЫ ТОПЛИВОПОДАЧИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДИЗЕЛЕЙ................7
  1.1. Устройство и принцип действия топливной аппаратуры дизеля с гидромеханическим управлением хода иглы...................7
  1.2. Устройство, принцип действия и регулирование насоса высокого давления автомобильных дизелей ....................10
     1.2.1. Подкачивающий насос поршневого типа ..............15
  1.3. Двухрежимный регулятор частоты вращения...............18
  1.4. Всережимный регулятор частоты вращения топливного насоса дизеля КамАЗ-740............................................21
     1.4.1. Регулировка номинальной подачи топлива и начала действия регулятора...............................................26
  1.5. Регулятор частоты вращения вала насоса с электромагнитом поворотного типа............................................28
  1.6. Устройство и принцип работы регулятора поступательного движения с электромагнитным управлением.....................32
  1.7. Устройство, принцип действия и регулирование форсунок автомобильных дизелей ......................................35
  1.8. Система подачи топлива с электрогидравлическим управлением.................................................39
     1.8.1. Устройство и принцип действия форсунки с электрогидравлическим управлением хода иглы............39
     1.8.2. Расчет электрогидравлического клапанауправления ходом иглы распылителя ........................................47
     1.8.3. Диагностирование форсунок с электрогидравлическим управлением хода иглы распылителя........................50
     1.8.4. Восстановление и регулирование клапана форсунки с электрогидравлическим управлением .....................52
     1.8.5. Кодировка форсунок с электромагнитным управлением.57
   1.9. Система подачи топлива с пьезоэлектрическим управлением хода
   иглы распылителя...........................................68
     1.9.1. Устройство и принцип работы форсунки с пьезоэлектрическим управлением .............................................68
     1.9.2. Расчетное определение основных параметров пьезопривода управления клапанным узлом форсунки......................72
     1.9.3. Диагностирование форсунок с пьезоэлектрическим управлением хода иглы распылителя........................78
   1.10. Конструкции насосов-форсунок для впрыскатоплива .....79
     1.10.1. Насос-форсунка с механическим управлением.......79

3

     1.10.2. Насос-форсунка с электромагнитным управлением....81
     1.10.3. Насос-форсунка с пьезоэлектрическим управлением .82
          1.10.3.1. Процесс впускатоплива.....................82
          1.10.3.2. Начало впрыска запальной дозы топлива.....83
          1.10.3.3. Завершение впрыска запальной дозы топлива.84
2. СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ТОПЛИВА ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ.................89
   2.1. Устройство, расчет и регулирование топливной аппаратуры тепловозного дизеля типа 8ЧН 26/26 ........................89
      2.1.1. Определение основных размеров плунжерной пары насоса высокого давления ....................................92
      2.1.2. Регулирование насоса высокого давления.........94
      2.1.3. Расчет съемного соплового наконечникараспылителя.99
      2.1.4. Регулирование форсунок ........................102
      2.1.5. Конструкция и принцип действия установки для определения эффективного проходного сечения распылителя..........104
      2.1.6. Приспособление для определения ходаиглы.......106
   2.2. Диагностирование технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей.....................................108
      2.2.1 Задачи технической диагностики и основные термины.108
      2.2.2. Диагностирование топливной аппаратуры с использованием накладного пьезоэлектрического датчикадавления..........114
      2.2.3. Последовательность диагностирования по изменению давления топлива на входе в форсунку....................116
      2.2.4. Последовательность диагностирования топливной аппаратуры по анализу движения иглы распылителя форсунки...........120
      2.2.5. Диагностирование форсунок тепловозных дизелей по объёму сливаемого топлива из дренажной магистрали .............124
   2.3. Влияние параметров форсунки на структуру факела
   распыленного топлива и период задержки самовоспламенения...127
      2.3.1. Методика расчета мелкости распыливания дизельного топлива..............................................127
      2.3.2. Определение эффективного проходного сечения распылителя при помощи номограммы ...................131
      2.3.3. Согласование периода задержки самовоспламенения топлива в цилиндре дизеля с дальнобойностью топливного факела...133
   2.4. Расчет контактных напряжений в посадочных конусах распылителей автомобильных и тепловозных дизелей...........138
3. СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ СУДОВЫХ МАЛООБОРОТНЫХ
ДИЗЕЛЕЙ ......................................................149
   3.1. Устройство и принцип действия двухтактного крейцкопфного дизеля MAN B&W 6S60MC-C ...................................149

4

   3.2. Определение основных параметров двигателя .........152
   3.3. Выбор топлива для судовых дизелей .................155
   3.4. Особенности конструктивного исполнения топливных насосов высокого давления судовых дизелей ..............159
   3.5. Расчет диаметра и хода плунжера судового дизеля ...166
   3.6. Расчет форсунки дизеля MAN B&W 6S60MC-C и коэффициента избыткавоздуха .........................................167
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ
И ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ...............175
   4.1. Определение погрешности результатов измерений .....175
   4.2. Обработка результатов измерения диаметра цилиндра .182
   4.3. Определение погрешности результатов испытания двигателей внутреннего сгорания....................................184
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК ...................................193

5

ВВЕДЕНИЕ


   Из главных систем дизеля можно выделить систему питания топливом, от технического состояния которой зависит экономичность, токсичность отработавших газов, надежность и долговечность.
   Технико-экономические показатели дизеля, токсичность отработавших газов зависят в основном от способа смесеобразования, совершенства топливной аппаратуры, ее состояния и регулировки.
   Система питания дизеля топливом в общем случае состоит из подкачивающего насоса, насоса высокого давления, трубопроводов и форсунок. К топливным системам предъявляются высокие требования, которые заключаются в следующем:
   -    дозировать порции топлива в соответствии с нагрузкой и частотой вращения коленчатого вала;
   -    обеспечивать равное количество топлива от цикла к циклу и по отдельным цилиндрам;
   -    обеспечивать необходимую интенсификацию, мелкость (тонкость) распыливания топлива и дальнобойность;
   -    количество топлива должно быть согласовано с объемом воздуха, при котором обеспечивается полное и бездымное сгорание;
   -    обеспечивать стабильность конструктивных и регулировочных параметров насоса и форсунок в течение периода эксплуатации;
   -    начало подачи топлива относительно верхней мертвой точки (ВМТ) поршня первого и других цилиндров должно соответствовать требуемым значениям завода-изготовителя.
   Эффективность эксплуатации дизелей во многом зависит от надежности и долговечности работы топливной аппаратуры (ТА), которая зависит от качества диагностирования, обслуживания и ремонта.
   С целью улучшения процесса сгорания впрыск топлива интенсифицируют, применяя насосы-форсунки, аккумуляторные системы подачи топлива. Для управления характеристикой впрыска топлива применяют электромагнитные или пьезоэлектрические форсунки.
   В учебном пособии рассмотрены устройство, расчет, диагностирование, регулирование систем питания автомобильных, тепловозных, судовых дизелей.
   Студенты, обучающиеся по направлению подготовки 13.03.03 «Энергетическое машиностроение» профиля «Двигатели внутреннего сгорания» и других технических специальностей, должны в совершенстве владеть устройством, расчётом, техническим обслуживанием, диагностированием топливной аппаратуры.

6

1. СИСТЕМЫ ТОПЛИВОПОДАЧИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

1.1. Устройство и принцип действия топливной аппаратуры дизеля с гидромеханическим управлением хода иглы

   Топливная аппаратура дизеля служит для своевременной подачи под высоким давлением точно дозированной порции распыленного топлива в камеру сгорания.
   На рис. 1.1 приведена схема топливной аппаратуры дизеля с механическим управлением насоса высокого давления, дозированием топлива отсечкой в конце подачи. В штуцере насоса установлен нагнетательный клапан перьевого типа с разгрузочным пояском. Форсунка имеет гидромеханическое управление ходом иглы. Насос высокого давления соединен с форсункой трубопроводом 6.

Рис. 1.1. Схема топливной аппаратуры дизеля

   При нахождении плунжера 1 в нижнем положении топливо под давлением Рвс = 0,2-0,3 МПа, создаваемое подкачивающим насосом, заполняет пространство над плунжером Vh [1]. При движении плунжера 1 вверх под действием кулачка вала насоса и закрытии впускного окна 2 топливо сжимается в объеме Vh над плунжером и давление Рн повышается.
   Нагнетательный клапан 3 поднимается, преодолевая силу пружины 4. В штуцере 5 объемом V/H давление Рн увеличивается. Прямая волна давления F(t - x/a) со скоростью звука а (примерно 1200 м/с) под давлением Рф поступает по трубопроводу 6 в объем Vф форсунки 7. Когда давление в полости форсунки будет больше давления открытия иглы 8 (например, 20 МПа), игла поднимается, топливо под давлением Рс поступает к сопловым отверстиям и подается в распыленном виде в камеру сгорания.

7

   Давление открытия иглы 8 зависит от усилия пружины 9, которое изменяется регулировочным винтом или толщиной прокладок. Подача топлива продолжается до тех пор, пока не откроется отсечное окно 10 (оно расположено ниже впускного окна). При отсечке винтовая канавка своей кромкой 11 открывает окно 10 и сжатое топливо из объема над плунжером перетекает по сообщающимся вертикальному 12 и горизонтальному 13 каналам в линию всасывания. Давление топлива резко снижается.
   Обратная волна давления W(t + x/a) движется от форсунки 7 к штуцеру 5 насоса. При посадке клапана 3 на седло при помощи его пояска идет разгрузка линии высокого давления на величину 60-100 мм³. Это снижает амплитуду повторной прямой волны давления и возможное появление дополнительных впрысков топлива. Дозирование топлива происходит путем поворота плунжера 1. При повороте изменяется положение винтовой кромки 11 относительно отсечного окна 10, активный ход плунжера и подача дизельного топлива.
   Долговечность, надежность, экономичность, токсичность отработавших газов дизеля в значительной степени зависит от правильного выбора марки дизельного топлива и его характеристик.
   В зависимости от условий эксплуатации и применения дизельные топлива (ДТ) согласно ГОСТ 305-2013 подразделяются на 4 марки [2]:
   а)   Л - летнее, рекомендуемое для эксплуатации при температуре окружающего воздуха минус 5 °Си выше;
   б)   Е - межсезонное, рекомендуемое для эксплуатации при температуре окружающего воздуха минус 15 °Си выше;
   в)   3 - зимнее, рекомендуемое для эксплуатации при температуре окружающего воздуха от минус 25 °С до минус 35 °С;
   г)   А - арктическое, рекомендуемое для эксплуатации при температуре окружающего воздуха минус 45 °С и выше.
   После указания марки летнего топлива (Л) записывается допустимая температура вспышки в закрытом тигле, а для топлив Е и 3 указывается предельная температура фильтруемости (потеря подвижности).
   Далее обозначается экологический класс дизельного топлива:
   К2 - содержание серы не более 500 мг/кг;
   КЗ - содержание серы не более 350 мг/кг, вид I;
   К4 - содержание серы не более 50 мг/кг, вид II;
   К5 - содержание серы менее 10 мг/кг, вид III.
   Например, ДТ-Л-40-К2 по ГОСТ 305-2013; ДТ-Е-минус 15-К2 по ГОСТ 305-2013; ДТ-3-минус 25-К2 по ГОСТ 305-2013; ДТ-А-К2 по ГОСТ 3052013.
   С 1 июля 2014 г. в России введен ГОСТ Р 55475-2013 «Топливо дизельное зимнее и арктическое депарафинированное». Это топливо произво

8

дится с применением современного метода каталитической депарафинизации. В соответствии с ГОСТом дизельное топливо для районов с холодным климатом обозначается следующим образом:
   - ДТ-З-КЗ (К4, К5) минус 32; ДТ-З-КЗ (К4, К5) минус 38;
   - ДТ-А-КЗ (К4, К5) минус 44; ДТ-А-КЗ (К4, К5) минус 48;
   - ДТ-А-КЗ (к4, К5) минус 52.
   Топливо должно соответствовать требованиям настоящего стандарта и изготовляться по утвержденной технологии. Топлива должны изготовляться по технологии и с присадками, которые применялись при изготовлении опытно-промышленных образцов и прошли испытания с положительными результатами. По физико-химическим и эксплуатационным показателям дизельное топливо должно соответствовать требованиям, указанным в табл. 1.1 [2].


Таблица 1.1

Требования к топливу по ГОСТ 32513-2013

              Показатель                 Значения для марки топлива     
                                           Л       Е       З       А   
1. Цетановое число, не менее                         45                 
2. Фракционный состав:                                                 
50% перегоняется при температуре,                                      
°С, не выше                               280     280     280     255  
95% перегоняется при температуре,                                      
°С, не выше                               З60     З60     З60     З60  
З. Кинематическая вязкость при 20 °С,                                  
мм2/с, (сСт)                            З,0-6,0 З,0-6,0 1,8-5,0 1,5-4,0
4. Плотность при 15 °С, кг/мЗ, не более  86З,4   86З,4   86З,4   8ЗЗ,5 
5. Предельная температура фильтруе-                                    
мости, °С, не выше                        -5      -15     -25     -45  
6. Температура вспышки, определяемая                                   
в закрытом тигле, °С, не ниже:                                         
для тепловозных, судовых дизелей и                                     
общего назначения                        62/40   62/40   40/З0   З5/40 
7. Массовая доля серы, мг/кг, не более              2000                
8. Испытание на медной пластинке                Выдерживает             
9. Кислотность, мг КОН на 100 смЗ топ-                                  
лива, не более                                       5                  
10. Зольность, %, не более                          0,01                

9

1.2. Устройство, принцип действия и регулирование насоса высокого давления автомобильных дизелей
   На рис. 1.2 показан общий вид насоса высокого давления с двухрежимным регулятором и подкачивающим насосом низкого давления поршневого типа.

Рис. 1.2. Общий вид насоса высокого давления

   На рис. 1.3 приведен разрез насоса высокого давления фирмы Bosch (Германия) с жестким корпусом. Рассмотрим принцип действия рядного насоса плунжерного типа, который применяется для подачи малого количества топлива, но при больших давлениях (до 100 МПа).
   При движении плунжера вниз топливо через впускное окно 9 заполняет пространство над плунжером. Топливо подается в головку насоса при помощи подкачивающего насоса под малым давлением 0,2-0,3 МПа. При движении плунжера вверх, когда верхняя кромка плунжера 6 закроет окно 10, происходит сжатие топлива и повышение давления.
   Топливо под высоким давлением перемещается к форсунке. Давление действует на площадь иглы, открывая ее. Давление открытия зависит от способа смесеобразования и лежит в пределах 14-30 МПа. Отсечка происходит в момент, когда верхняя кромка паза плунжера 6 достигнет кромки окна 10. Паз плунжера (винтовая кромка) 6 соединяется вертикальным отверстием с полостью нагнетания.

10

Рис. 1.3. Насос высокого давления фирмы Bosch:
1 - корпус насоса; 2 - вал кулачковый специальной формы; 3 - толкатель;
4 - пята толкателя; 5 - пружина толкателя; 6 - плунжер; 7 - поворотная втулка;
8 - рейка насоса; 9 - втулка плунжера; 10 - окно впускное; 11 - седло клапана;
12 - нагнетательный клапан; 13 - пружина нагнетательного клапана;
14 - вытеснитель; 15 - штуцер

11

   Количество топлива, поданного за цикл, регулируется изменением активного хода плунжера путем поворота плунжера. Этот способ регулирования количества топлива, поданного насосом, называется отсечкой в конце подачи. При повороте плунжера 6 изменяется положение винтовой (косой) кромки наклонного паза относительно отверстия 10. Изменяется величина активного хода плунжера и подача топлива.
   На рис. 1.4 показаны плунжерные пары в разобранном виде. В собранном виде зазор между плунжером и втулкой 1-2 мкм (один мкм равен 0,001 см).

Рис. 1.4. Плунжерные пары вразобранном виде

   Поворот плунжера происходит при помощи рейки, соединенной рычагом с всережимным регулятором. Рейка соединяется при помощи втулки 7 с плунжером 6. На некоторых насосах рейка выполняется с нанесением зубьев. Поворот плунжера осуществляется зубчатым сектором с втулкой, имеющей паз, в который входит плунжер.
   Процесс подачи топлива имеет волновой характер. После прекращения подачи топлива и закрытия иглы распылителя форсунки волна давления движется в обратном направлении от форсунки к насосу. Отразившись от клапана, волна давления движется обратно к форсунке. Если давление отраженной волны будет больше давления начала открытия иглы, то игла откроется и начнется дополнительный впрыск топлива. Данное явление называют «подвпрыском», топливо плохо распыливается и сгорает с образованием сажи. При этом расход топлива резко увеличивается, в каналах распылителей возможно образование кокса. Для устранения «подвпрысков» топлива применяют разгрузку линии высокого давления при помощи особой конструкции нагнетательных клапанов.
   На рис. 1.5 приведены различные виды нагнетательных клапанов.

12

а)                         б)                            в)

Рис. 1.5. Нагнетательныеклапаны:
а — клапан с обратным дросселем; б — клапан с корректирующим отверстием;
в - клапан перьевой;
1 - корпус штуцера; 2 - обратный дроссель (отверстие диаметром 0,6 мм);
3 — пружина; 4 — клапан нагнетательный; 5 — поясокразгрузочный;
6 — корпус клапана; 7 — корректирующее отверстие; 8 — подводящее отверстие

   Особенностью клапана насоса фирмы Bosch (рис. 1.5, а) является то, что в прямом направлении потока топлива он открывает обратный дроссель 2 и не оказывает сопротивление при подаче топлива. После отсечки подаваемого топлива поясок 5 нагнетательного клапана 6 производит разгрузку только полости штуцера. Отраженная волна давления, двигаясь от форсунки к насосу, проходит через малое отверстие в дросселе и гасится. Отсутствие отраженных волн стабилизирует подачу топлива, особенно на режиме холостого хода
   При помощи клапана с корректирующим отверстием (рис. 1.5, б) изменяют внешний вид скоростной характеристики насоса высокого давления. Наибольшее распространение в насосах высокого давления получили клапаны грибкового типа (рис. 1.5, в). Клапан имеет разгрузочный поясок 5, благодаря которому при его полной посадке на седло (корпус 6) уменьшается объем в линии высокого давления (например, на 80 мм³). Уменьшение объема приводит к снижению амплитуды отраженной волны давления и устранению «подвпрыска» топлива.
   На рис. 1.6 показано протекание процесса подачи топлива плунжерной парой топливного насоса высокого давления (ТНВД) дизеля (впуск топлива, начало движения плунжера вверх, момент начала нагнетания, момент отсечки (прекращения) подачи топлива).
   Насос высокого давления проверяют и при необходимости регулируют на специальном стенде (рис. 1.7).

13