Системы подачи топлива и воздуха современных дизелей

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








                СИСТЕМЫ
                ПОДАЧИ ТОПЛИВА И ВОЗДУХА СОВРЕМЕННЫХ ДИЗЕЛЕЙ




Учебное пособие
Издание 2-е, переработанное и дополненное














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.43
ББК 31.365
     М15



Рецензенты:
доктор технических наук, профессор (ОмГТУ) В. В. Шалай; доктор технических наук, профессор (ОмГУПС) В. Р. Ведрученко





     Макушев, Ю. П.
М15 Системы подачи топлива и воздуха современных дизелей : учебное пособие / Ю. П. Макушев, А. П. Жигадло, Л. Ю. Волкова. - 2-е изд., пе-рераб. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 216 с. : ил., табл.
          ISBN978-5-9729-1392-3


          Изложены устройство, расчет, техническое обслуживание, диагностирование систем подачи топлива и воздуха современных дизелей. Приведена методика расчёта насоса высокого давления и форсунок. Для диагностирования топливных систем предложены датчики и измерительная аппаратура. Рассмотрена методика определения технического состояния форсунок и насоса по изменению давления и перемещения иглы распылителя. Исследованы причины образования кокса в сопловых отверстиях распылителей. Приведен расчет форсунок с электрогидравлическим и пьезоэлектрическим управлением. Дана методика расчета, диагностирования и испытания агрегатов наддува дизелей.
          В Приложении приведена методика регулирования топливной аппаратуры дизеля Д-245С Минского моторного завода и дан расчет агрегата наддува с поворотом лопаток соплового аппарата турбины.
          Учебное пособие предназначено студентам всех форм обучения и направлений подготовки, а также инженерам, магистрам и аспирантам.

УДК 621.43
ББК31.365







ISBN 978-5-9729-1392-3

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

ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение...............................................................6

Раздел первый. СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ТОПЛИВА ДИЗЕЛЕИ..........................8

1. Топливная аппаратура дизеля с гидромеханическим управлением.........8
  1.1. Устройство и принцип действия топливной аппаратуры дизеля с гидромеханическим управлением хода иглы..............................8
  1.2. Устройство, регулирование и диагностирование топливного насоса дизеля КамАЗ-740....................................................14
     1.2.1. Регулировка номинальной подачи и начало действия регулятора..18
     1.2.2. Рекомендации по диагностированию и ремонту насоса высокого давления................................................20
     1.2.3. Особенности систем питания современных дизелей типа КамАЗ....21
  1.3. Двухрежимный регулятор частоты вращения...........................25
  1.4. Устройство и принцип работы регуляторов с гидравлическим и электромагнитным управлением.........................................29
  1.5. Определение основных размеров плунжерной пары насоса высокого давления...................................................33
  1.6. Расчетное определение эффективного проходного сечения распылителя и диаметра соплового отверстия......................................34
  1.7. Конструкция и принцип действия установки для определения эффективного проходного сечения распылителя.........................39
  1.8. Конструкции насосов-форсунок для впрыска топлива...............42
     1.8.1. Насос-форсунка с механическим управлением.................42
     1.8.2. Насос-форсунка с электромагнитным управлением.............43
     1.8.3. Насос-форсунка с пьезоэлектрическим управлением...........45
       1.8.3.1. Процесс впускатоплива.................................45
       1.8.3.2. Начало впрыска запальной дозы топлива.................46
       1.8.3.3. Завершение впрыска запальной дозы топлива.............47

2.  Образование коксовых отложений в распылителях форсунок дизелей.......53
  2.1. Причины образования кокса в сопловых отверстиях распылителей форсунок дизелей и способы его устранения...........................53
  2.2. Причины образования кокса в сопловых отверстиях распылителей дизеля, работающего на газе, и способы его устранения...............59

3.  Датчики для исследования и диагностирования процесса впрыска топлива в дизелях.....................................................62

4.  Регулирование форсунок дизелей и восстановление распылителей......69
  4.1. Устройство и модернизация стенда КИ-3333 для регулировки форсунок.69
  4.2. Стенд и методика восстановления герметичности посадочного конуса иглы распылителя форсунки...........................................73

5.  Методика диагностирования топливной аппаратуры дизеля по изменению давления на входе в форсунку и изменению перемещения иглы.............78

3

  5.1. Задачи технической диагностики и основные термины................78
  5.2. Классификация диагностических систем.............................81
  5.3.  Диагностирование топливной аппаратуры с использованием накладного пьезоэлектрического датчика давления.......................85
  5.4.  Последовательность диагностирования по изменению давления топлива на входе в форсунку...................................................87
  5.5.  Устройство, принцип работы и регулировка топливной аппаратуры тепловозного дизеля 16ЧН 26/26........................................91
  5.6. Последовательность диагностирования по анализу движения иглы.....95

6.  Система подачи топлива с электрогидравлическим управлением..........99
  6.1.  Устройство и принцип действия форсунки с электрогидравлическим управлением хода иглы.................................................99
  6.2. Основы расчета форсунки с электрогидравлическим управлением.....106
  6.3.  Расчет электрогидравлического клапана управления ходом иглы распылителя..........................................................111
  6.4.  Диагностирование форсунок с электрогидравлическим управлением хода иглы распылителя................................................115

7.  Система подачи топлива с пьезоэлектрическим управлением хода иглы распылителя............................................................118
  7.1.  Устройство и принцип работы форсунки с пьезоэлектрическим управлением..........................................................118
  7.2. Расчетное определение основных параметров пьезопривода управления клапанным узлом форсунки............................................ 122
  7.3.  Диагностирование форсунок с пьезоэлектрическим управлением хода иглы распылителя................................................126

Раздел второй. СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ВОЗДУХА ДИЗЕЛЕИ..........................128

. „...........................
8.  Конструкция агрегатов наддува......................................128
  8.1. Системы наддува двигателей..................................... 128
  8.2. Устройство агрегатов наддува................................... 135

_______________________________
9.  Роторный нагнетатель типа Рутс.....................................143

10.  Расчет центробежного компрессора и центростремительной турбины.....149
  10.1.  Методика расчета центробежного компрессора с радиальным выходом лопаток..............................................................149
  10.2. Расчет радиально-осевой турбины................................161

11.  Методика расчета, диагностирования и регулирования системы перепуска газа мимо турбины............................................168

12.  Диагностирование агрегатов наддува двигателя......................177
  12.1.  Анализ технического состояния цилиндропоршневой группы и системы питания двигателя....................................................180
  12.2. Диагностирование турбокомпрессора..............................182

4

  12.3. Устройство и работа стенда для диагностирования и испытания агрегатов наддува..................................................187
  12.4. Характеристики компрессора и турбины.........................190
Библиографический список.............................................194
Приложение 1. Расчёт подкачивающего насоса и регулирование топливной аппаратуры дизельного двигателя Д-245С...............................198
Приложение 2. Расчет радиально-осевой турбины и определение влияния поворота лопаток соплового аппарата на ее выходные параметры.........209

5

    ВВЕДЕНИЕ


     Из главных систем дизеля можно выделить систему питания топливом, систему снабжения воздухом (наддув), систему смазки и охлаждения.
     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, топливопроводов 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 распыли-вания 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 длительного периода эксплуатации;
     -      начало подачи топлива относительно верхней мертвой точки (ВМТ) поршня первого цилиндра должно соответствовать требуемым значениям завода-изготовителя.
     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.
     Эффективное использование рабочего объёма двигателей внутреннего сгорания можно достичь путем увеличения плотности заряда, применяя наддув воздуха и увеличение подачи топлива.
     Для повышения давления воздуха на впуске применяются объёмные и центробежные компрессоры. Повышение давления в цилиндре поршневого компрессора происходит путем сближения молекул, что достигается уменьшением объёма замкнутого пространства или преобразованием кинетической энергии в энергию давления в диффузорах (центробежные компрессоры). Сжатие газа динамическим способом является основным принципом турбокомпрессорных машин. Турбокомпрессор (turbo лат. -вихрь) - центробежный или осевой лопаточный компрессор для сжатия и подачи воздуха (газа).
     Турбокомпрессор часто называют агрегатом наддува. Агрегат (от лат. - aggrego - присоединяю) - укрупненный элемент машины (напри

6

мер, компрессор и турбина или электродвигатель и насос), обладающий полной взаимозаменяемостью и выполняющий определенную функцию.
     Турбокомпрессор любого типа состоит из вращающегося лопаточного аппарата - рабочего колеса, в котором от внешнего источника (двигателя, турбины, электродвигателя) рабочему телу (газу) сообщается энергия. Неподвижные аппараты (диффузоры, спиральные камеры) предназначены для изменения величины и направления скорости потока и давления. Сжатие газа в каналах рабочего колеса происходит в результате силового воздействия лопаток на поток газа.
     Применение наддува снижает расход топлива по следующим причинам:
     1.      Высокий крутящий момент и повышенная мощность позволяют иметь больше передаточных чисел коробок передач, что помогает снизить общую рабочую частоту вращения вала двигателя.
     2.      По сравнению с равносильным «атмосферным» двигателем двигатель с наддувом имеет меньшие габариты и малый вес.
     3.     Наддув способствует повышению эффективного КПД двигателя (лучше условия для сгорания топлива).
     В пособии рассмотрены устройство, расчет, диагностирование систем питания дизеля с механическим и электронным управлением, агрегаты наддува с перепуском газа мимо турбины и поворотом лопаток соплового аппарата турбины.
     Студенты, обучающиеся по направлению подготовки «Энергетическое машиностроение» и других технических специальностей, должны в совершенстве владеть устройством, расчётом, техническим обслуживанием, диагностированием топливной аппаратуры и систем наддува современных дизельных двигателей.

7

Раздел первый СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ТОПЛИВА ДИЗЕЛЕЙ


1.   ТОПЛИВНАЯ АППАРАТУРА ДИЗЕЛЯ С ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ

    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 Рес = 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 Vн 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 давле

8

ние 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.
     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 + xI 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 топлива.
     Нарис. 1.2 приведены различные виды нагнетательных клапанов.


Рис. 1.2. Нагнетательные клапаны:
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 - поясок разгрузочный; 6 - корпус клапана;
7 - корректирующее отверстие; 8 - подводящее отверстие

     Особенностью клапана насоса фирмы Bosch (рис. 1.2, 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

9

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 изменяют внешний вид скоростной характеристики насоса высокого давления (рис. 1.3). Например, от точки 7 до точки 2 можно получить постоянное значение цикловой подачи, ее рост или снижение. Для этого изменяют диаметр корректирующего отверстия 7 или высоту разгрузочного пояска клапана.


Рис. 1.3. Скоростная характеристика насоса (внешняя и регуляторная): (1-10)- точки внешней скоростной характеристики насоса при положении рейки на упоре; 1 - подача топлива на режиме пуска;
7 - цикловая подача на режиме максимального крутящего момента;
9 - цикловая подача на номинальном режиме;
10 - полное выключение подачи топлива при помощи всережимного регулятора; 8-11, 7-12, 6-13, 5-14, 4-15, 3-16, 2-17 - регуляторные характеристики, полученные при различных натяжениях главной пружины регулятора

     В настоящее время вместо неуправляемых нагнетательных клапанов механического типа стали применять управляемые электромагнитные клапаны. Это связано с необходимостью повышения топливной экономичности и снижения токсичности отработавших газов дизелей. Однако такие системы управления пока еще не нашли широкого применения в отечественных двигателях. Основным элементом этой системы является электроуправляющий дозирующий клапан, размещенный в полости над плунжером топливного насоса высокого давления [47].


10

     На рис. 1.4 показана упрощенная схема электромагнитного клапана, позволяющего изменять начало и конец подачи топлива и дозировать его величину. Конструктивное исполнение электромагнитного клапана может быть различного вида.


Рис. 1.4. Электромагнитный клапан:
1 - седло клапана; 2 - направление закрытия клапана; 3 - игла клапана; 4 - якорь электромагнита; 5 - катушка; 6 - сердечник электромагнита

     Применение электромагнитного клапана значительно упрощает конструкцию плунжерной пары насоса высокого давления. Плунжер не имеет винтовой канавки для регулирования подачи топлива, представляет собой гладкий цилиндрический стержень, задачей которого является только подавать топливо в линию высокого давления. Величина давления топлива в линии нагнетания зависит от давления открытия иглы форсунки и проходного сечения распылителя. Движение плунжера во втулке осуществляется при помощи кулачка. Во втулке плунжерной пары отсутствует отверстие для отсечки топлива.
     При подаче напряжения из блока управления на катушку 5 создается магнитодвижущая сила и якорь 4 перемещает иглу 3, прижимая ее к седлу 1. При закрытии клапана слив топлива прекращается и давление в линии нагнетания (в трубопроводе и полости форсунки) резко повышается. Когда давление станет больше давления начала открытия иглы форсунки, игла откроется и начнется впрыск топлива в камеру сгорания. Впрыск топлива продолжается до тех пор, пока на катушку 5 подается напряжение. При отсутствии напряжения магнитное поле катушки 5 исчезает и под действием пружины игла 3 возвращается в исходное положение. Между седлом клапана 1 запорной части иглы 3 образуется зазор, через который сливается топливо из линии нагнетания. Давление топлива снижается, впрыск топлива прекращается. При помощи электромагнитного

11

клапана осуществляется также изменение начала впрыска топлива и угол опережения впрыска относительно верхней мёртвой точки (ВМТ).
     На рис. 1.5 приведена конструкция 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).


Рис. 1.5. 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

     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

12

от способа смесеобразования и лежит в пределах 12-30 МПа. Отсечка происходит в момент, когда верхняя кромка паза плунжера 6 достигнет кромки окна 10. Паз плунжера (винтовая кромка) 6 соединяется отверстием с полостью нагнетания.
     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.
     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. 1.6 показана форсунка фирмы Bosch с укороченной штангой 5. Масса штанги уменьшена для снижения сил инерции и контактных напряжений в зоне посадочного конуса распылителя.
     В корпусе распылителя 1 выполнены сопловые отверстия диаметром 0,2-0,5 мм. Пружина 6 имеет жесткость 200-300 Н/мм и предварительно сжата регулировочными шайбами 8 на 2-3 мм. Усилие пружины 6 через штангу 5 передается на иглу 2, которая закрывает сопловые отверстия. Давление открытия иглы зависит от величины усилия пружины 6, диаметра направляющей иглы 2 и для различных дизелей находится в пределах 20-35 МПа.
     Форсунка при помощи трубопровода высокого давления соединяется со штуцером насоса. В зависимости от скоростных и нагрузочных режимов работы дизеля насос создает давление, игла 2 открывается (давление в трубопроводе больше давления открытия иглы) и топливо в распыленном виде поступает в камеру сгорания.

13