Совершенствование систем подачи топлива

Совершенствование систем топливопо-дачи ведется по двум основным направлениям: простота и надежность конструкции и обеспечение оптимальных процессов впрыскивания, а следовательно, повышение экономичности тепловозных дизелей.

Уже много лет ведутся поиски топливной системы для работы двигателя с двумя фазами впрыскивания. Перед обычным циклом впрыскивания в цилиндр подается часть основной дозы с большим опережением: в начале такта сжатия или на такте всасывания. При этом в ряде случаев достигается повышение коэффициента полезного действия двигателя и снижение жесткости рабочего процесса. Необходимость подачи топлива в две фазы связана с особенностями работы дизеля на транспортном режиме, с необходимостью частого пуска, работы на холостом ходу до 70% всего времени.

Много трудностей возникает при эксплуатации дизелей в зимний период и особенно в суровых климатических условиях. Обычно при пуске дизеля подачу топлива увеличивают выдвижением реек с помощью ускорителя. Весьма эффективен способ пуска дизеля и работы при пониженных температурах наружного воздуха с использованием двухфазной подачи топлива. В этом случае предварительная доза топлива подается на такте всасывания. Во время хода сжатия за продолжительное время (150 - 200° поворота коленчатого вала) это топливо успеет воспламениться, пройдя все стадии процесса сгорания. Впрыскивание основной дозы топлива в конце сжатия произойдет уже в воздушную среду, подогретую до температуры, соответствующей оптимальным условиям сгорания. После выхода двигателя на эксплуатационные режимы предварительная фаза впрыскивания отключается.

Таким путем можно достичь экономии топлива тепловозов на эксплуатационных режимах. Японская фирма Митцубиси реализовала этот способ дополнениями в приводе насоса и в конструкции плунжерной пары. Более просто такой способ топливоподачи можно получить изменением конструкции форсунки. Имеются и другие пути [29].

В развитии систем топливоподачи и управления транснортными дизелями можно выделить три основные тенденции: разработка средств для управления характеристиками впрыскивания, повышение стабильности топливоподачи по циклам и цилиндрам, в том числе на режимах холостого хода и, наконец, совершенствование топливоподающих и регулирующих органов, упрощение их конструкции и объединение в комбинированный агрегат.

Несмотря на многие усилия в этом направлении и достигнутые успехи, требования, предъявляемые к топливной аппаратуре, нельзя считать удовлетворенными. Системы топливоподачи с управлением характеристиками впрыскивания, так же как и вводимые устройства для снижения цикловой и цилиндровой неравномерности, усложняют конструкцию насосов и форсунок, снижают их надежность. Это ограничивает их применение в эксплуатации.

Существенный прогресс возможен лишь при отказе от традиционных принципов управления топливоподачей [29], когда центробежный регулятор частоты вращения воздействует при помощи сервопривода на весьма громоздкую механическую передачу к исполнительному органу - рейке (или дозатору) насоса высокого давления, работающего, как и дизель, на переменных режимах. При этом сам насос отдален от органов впрыскивания и смесеобразования - форсунок гидравлической системой, лишенной единообразия.

Одним из более рациональных решений можно считать такое, когда в системе топливоподачи насос создает необходимое давление топлива независимо от скорост ного режима двигателя и подает его во впрыскивающий орган, где формируется требуемый сигнал, определяющий количество топлива, характеристику впрыскивания и момент ее начала. Сигнал формируется с помощью электрических импульсов, менее инерционных, чем гидравлические, и не подвергающихся искажению при подаче к органу распыливания топлива. Регулятор предусмотрен электрического типа, без вращающихся деталей и механических органов привода. Он имеет такое сочетание элементов, которое обеспечивает автоматическую настройку в соответствии с режимом работы двигателя и условиями эксплуатации. Такой регулятор правильнее называть микропроцессором.

Возможности такой системы представляются весьма широкими. В этом случае не требуется дополнительных устройств для регулирования впрыскивания по оптимальному закону, снимаются ограничения в использовании двухфазного впрыскивания как средства стабилизации работы транспортного дизеля на различных режимах. Топливный насос высокого давления работает в такой системе на аккумулятор и может быть существенно упрощен. Давление во впрыскивающей системе легко может поддерживаться на заданном уровне или меняться по расчетному закону. Без дополнительных устройств увеличивается цикловая подача при пуске. Отпадает надобность в применении дополнительных механических устройств регулирования опережения угла впрыскивания, поиск рациональной конструкции которых продолжается. Такая система по структуре аналогична аккумуляторным системам подачи топлива дизелей, выпускаемых много лет, например, фирмой Доксфорд [50]. Однако вместо механического дозирующего устройства используется электромаг нитный привод, регулируемый агрегатом электрического управления дизеля (АЭУД). В системах, подобных Докс-форд, регулирование количества впрыскиваемого топлива при изменении нагрузки и частоты вращения осуществляется поворотом рейки плунжера, а фазы подачи - сдвоенным клапаном при помощи толкателя дозирующего устройства. В системе, управляемой АЭУД, продолжительность открытия аккумулятора определяется только временем подачи электрического сигнала на электромагнитный привод запорного органа. В одном варианте он выполнен отдельным узлом и установлен в нагнетательной трубке, поблизости от форсунок, конструкция которых остается без изменения. В другом варианте электромагнитный привод размещен в самом корпусе форсунок (рис. 13). При этом управ ляющие клапаны могут быть заменены одним запорным органом или исключены совсем; в этом случае якорь электромагнита соединен с иглой форсунки. Электромагнитом управляет электронный регулятор частоты вращения (ЭРЧ), формирующий управляющие импульсы.

В чем заключаются трудности создания и доводки таких систем? Возможности электрического управления впрыскиванием и обеспечение характеристики топливопо-дачи по оптимальному закону зависят главным образом от быстродействия электромагнитного привода. В дизельной топливоподающей системе, когда весь процесс впрыскивания занимает около 0,003 с, время срабатывания магнита должно быть доли миллисекунды. Современная техника еще не испытывала потребности в столь быстродействующем магнитном приводе,

Система впрыскивания топлива форсунками с электромагнитом, соединенным с иглой распылителя

Рис 13. Система впрыскивания топлива форсунками с электромагнитом, соединенным с иглой распылителя:

I - насос высокого давления, 2 - аккумулятор, 3 - регулятор давления, 4 - форсунка с электромагнитным управлением иглой, 5 - агрегат электрического управления дизелем (АЭУД), 6 - бесконтактный полупроводниковый распределитель; 7 - электромагнитный привод форсунки, 8 - катушка электромагнита. 9 - якорь, 10 - жесткая связь якоря с иглой, /1 - игла, 12 - цилиндр дизеля, 13 - задатчик режима работы и решение этой задачи представляет сложность, особенно при больших цикловых подачах и давлениях. Однако принципиальных препятствий на этом пути нет.

Для реализации управляемой характеристики впрыскивания и высокой стабильности её параметров возможно применение электромагнитного управления не собственно иглой форсунки, а клапаном в системе гидравлического запирания. Это снижает управляющие усилия и благоприятно сказывается на быстродействии электромагнита форсунки. Однако введение дополнительных элементов вызывает и трудности обеспечения гидравлического единообразия в комплектах аппаратуры (совершенствование подобных систем можно проследить по описаниям изобретений по кл. Р02т 51/00, РСШ 5/00). Система, управляемая АЭУД, обеспечивает расширенные возможности автоматизации то-пливоподачи путем формирования и передачи оптимального управляющего сигнала аварийной защиты двигателей и их теплового регулирования. Использование АЭУД открывает дополнительные возможности в прогреве силовой установки с помощью постоянно установленных датчиков, реагирующих на окружающие условия и состояние соответствующих узлов двигателя. Такой агрегат может обеспечить дистанционный пуск и управление режимом тепловозного двигателя.

Впрыскивание топлива по заданному закону позволяет совершенствовать процесс смесеобразования и снимает ограничения со стороны топливной аппаратуры в развитии рабочего процесса дизельных двигателей. Использование такой топливной аппаратуры обеспечивает прогресс в росте экономичности дизелей на частичных нагрузках, характерных для экс плуатации тепловозов. Значительно улучшится протекание переходных режимов: скорость нарастания цикловой подачи будет зависеть от соответствующего увеличения подачи воздуха при возрастании частоты вращения вала дизеля. Это явится одновременно своего рода защитой дизеля от выхода за пределы дымления и токсичности.

Открываются новые возможности в повышении экономичности дизеля регулированием числа работающих цилиндров, которое реализуется с помощью экстремального корректора-микропроцессора, осуществляющего автоматический поиск режима минимальных удельных расходов силовой установки с тяговым генератором. По-новому можно вести и процесс контроля работоспособности элементов системы. Традиционная методика снятия основных узлов двигателя, регулятора, насоса, форсунки для стендовой проверки, разборки и регулировки может и должна быть заменена системой контроля определяющих параметров топливоподачи без остановки дизеля [29].

Агрегат электрического управления дизелем может рассматриваться в дальнейшем как унифицированный узел. Унификация агрегата управления дизелем обеспечивает спаривание силовых установок и более эффективную работу транспортных машин по системе многих единиц. В нашей стране и за рубежом ведутся поисковые научно-исследовательские работы по созданию аппаратуры с электронным управлением впрыскиванием дизельного топлива. Опытные варианты конструкций аппаратуры с электронным управлением впрыскиванием проходят испытания на стендах, а также стендовых дизелях 2-2Д49, Д50 и 0Д100.

Системы и их оборудование | Топливные системы тепловозных дизелей. Ремонт, испытания, совершенствование. | Организация ремонта и размещение оборудования