Системы подачи топлива в дизелях делят на системы непосредственного (насосного) впрыскивания и аккумуляторные. В первых впрыскивание топлива в камеру сгорания производится под давлением, создаваемым топливным насосом высокого давления в определенные интервалы рабочего цикла. Поэтому движение плунжера насоса точно согласовано с фазами рабочего процесса в соответствующем цилиндре дизеля. Эти системы в настоящее время получили наибольшее распространение. В системах второго типа топливо нагнетается в аккумулятор, в котором поддерживается постоянное высокое давление. Из него топливо направляется в нужный момент и в необходимом количестве в камеру сгорания. Расширение использования микропроцессорной техники для управления процессом топливоподачи усиливает интерес к аккумуляторным системам.

Регулирование мощности дизеля осуществляется изменением расхода топливной системы, т. е. цикловой подачи топлива.

Типичная схема топливной системы непосредственного впрыскивания топлива представлена на рис. 1. В топливный насос высокого давления топливо поступает из бака через фильтры при помощи подкачивающего насоса. Под высоким давлением топливо подводится к штуцеру форсунки в соответствии с порядком работы цилиндров. Более сложные системы судовых двигателей содержат дублирующую систему для подачи топлива другого сорта, баки-отстойники, сепараторы, подогреватели, смесители, гомогенизаторы, перекачивающие насосы, самоочищающиеся фильтрующие установки и т. д.

Топливоподкачивающие насосы

Для очистки топлива используют фильтры грубой и тонкой очистки, предохранительные фильтры.

В фильтрах грубой очистки топлива применяют сетчатые, ленточно-щелевые и пластинчато-щелевые фильтрующие элементы. Сетчатые фильтрующие элементы представляют собой многослойные латунные сетки, натянутые на каркас.

Ленточно-щелевой фильтрующий элемент изготовляют из профилированной с выступами ленты, уложенной на гофрированный стакан виток к витку (рис. 94). Ширина фильтрующей щели А, образующейся между витками ленты, определяется высотой выступов и составляет 0,04…0,1 мм.

В пластинчато-щелевых фильтрах очистка топлива происходит между пластинами, зазор между которыми обеспечен тонкими проставками. Если пакет пластин набран на подвижном роторе, фильтр можно быстро очистить путем про-ворота ротора. При этом пакет скребков, входящих в фильтрующий зазор, удаляет из него скопившуюся грязь.

В двигателях внутреннего сгорания расширяется применение фильтров грубой очистки отстойно-инерционного типа, работа которых основана на осаждении примесей и воды под действием силы тяжести (рис. 5). Фильтр содержит щиток для равномерного распределения и ламинари-зации потока топлива, успокоитель отстоя для предотвращения его взмучивания. Несмотря на простоту, фильтры весьма эффективны, особенно в отношении отделения воды.

Фильтры грубой очистки задерживают примеси крупнее 0,03…0,1 мм с полнотой отсева по массе исходного содержания примесей 20…55% и до 85% воды.

В фильтрах предусмотрено периодическое удаление отстоя. Некоторые фильтры очищают обратной промывкой.

В фильтрах тонкой очистки применяются сменные фильтрующие элементы из фетра, войлока, банкаброшной пряжи, миткаля, бумаги, картона, порошкового материала. Три последних вида элементов обеспечивают отсев включений размером, превышающим 1,8…3 мкм с полнотой до 99,4 % исходного содержания загрязнений в топливе.

Широко используются небольшой стоимости эффективные бумажные и картонные фильтрующие элементы. Картонные элементы более надежны ввиду меньшей вероятности прорыва. Фильтрующий элемент фильтра, показанного на рис. 5, сложен из трубы в спиральную «гармошку» и помещен в кожух. Бумажные и картонные элементы часто подвергают специальной пропитке, способствующей отделению воды.

В некоторых фильтрах последовательно с основным элементом на пути топлива устанавливают контрольный элемент. В транспортных установках часто применяют комбинированные фильтры, представляющие собой один узел или даже совмещенные в одном стакане. В крупных дизелях используют сдвоенные фильтры одного типа, снабженные трехходовым краном: без остановки двигателя один из них может обслуживаться. В судовых системах все шире внедряются автоматические самоочищающиеся фильтрационные установки.

Предохранительные фильтры устанавливают в корпусе или подводящем штуцере форсунки. Они служат для предотвращения засорения форсунки, причиной которого явилась некачественная сборка-разборка линии высокого давления топливной системы. Используются сетчатые или щелевые фильтры.

С целью увеличения эффективности фильтра применяется специальная укладка фильтрующего элемента, движение топлива в них от периферии к центруют пробки и втулки. Пробка имеет ряд продольных глухих канавок, выходящих поочередно в сторону форсунки или в сторону подводящего топливо трубопровода. Топливо, перетекая из одной канавки в другую через зазор между пробкой и втулкой, беспрепятственно преодолевает фильтр, а механические частицы остаются в канавках, обращенных к трубопроводу.

Топливные насосы высокого давления

В быстроходных дизелях обычно используют насосы высокого давления блочного типа, установленные на кронштейнах на одной из сторон или в развале V-образного двигателя с приводом от распределительных зубчатых колес на торце двигателя, противоположном маховику. В среднеоборотных и малооборотных двигателях применяют индивидуальные насосы, располагаемые у соответствующего цилиндра. Они имеют привод от распределительного вала двигателя.

Принцип действия насоса высокого давления такой же, как у поршневого насоса. Высокое давление топлива, достигающее 150 МПа и выше, обеспечивается малыми зазорами между плунжером и втулкой (рис. 6). Синхронность подачи топлива в камеру сгорания рабочему процессу в каждом из цилиндров определяется разворотом кулачковых шайб на приводном валу в соответствии с порядком работы цилиндров и обеспечивается жесткой кинематической связью с коленчатым валом.

Регулирование дизеля путем изменения цикловой подачи топлива осуществляется регулированием насоса высокого давления. С этой целью для нагнетания топлива используется не полный ход плунжера, а лишь его часть, так называемый активный ход плунжера. Величину активного хода в топливных системах крупных судовых дизелей определяет открытие приводных управляющих клапанов. В системах быстроходных дизелей применяют другой принцип регулирования: изменением дросселирования топлива на всасывании во втулку. При этом добиваются различного наполнения надплунжерной полости к началу нагнетания. Однако наибольшее распространение получили насосы с золотниковым регулированием.

Изменение цикловой подачи насоса высокого давления с золотниковым регулированием достигается поворотом плунжера вокруг своей оси. В этом случае плунжер имеет вертикальный паз и выфрезеровку под винтовой поверхностью, благодаря чему между телом плунжера под винтовой поверхностью и втулкой плунжера образуется полость, соединенная с надплунжерной полостью. Нагнетание топлива оказывается возможным лишь в том случае, когда при подъеме плунжера его золотниковая часть закрывает окно во втулке. При положении плунжера более низком или более высоком относительно этого вытесняемое плунжером топливо выходит через окна. На рис. 6 показано, как с поворотом плунжера растут высота его уплотняющей (золотниковой) части, обращенной к отсечному окну, активный ход, а следовательно, объем поданного насосом топлива и цикловая подача.

На рис. 7 представлен разрез индивидуального насоса с толкателем, выполненным отдельно. Вытесняемое из надплунжерной полости топливо направляется через нагнетательный (обратный) клапан в нагнетательный трубопровод, а остальное топливо возвращается во впускную полость. Наполнение над-плунжерной полости осуществляется при опускании плунжера под действием возвратной пружины из впускной полости через окна втулки. Полость закрыта пробкой. Поворот плунжера осуществляется за его хвостовик разрезной поворотной втулкой, имеющей зубчатый сектор, который находится в зацеплении с управляющей рейкой 6.

Эффективный ход плунжера, обеспечивающий нагнетание топлива, в несколько раз меньше полного. Подача топлива начинается при пересечении торцом плунжера впускного окна, заканчивается подъемом винтовой кромки до отсеченного окна.

На рис. 8 представлен блочный насос 4ТН-8,5ХЮ, применяемый на нескольких моделях отечественных тракторных дизелей. Насос имеет четыре секции с плунжером диаметром 8,5 мм и ходом 10 мм, свой кулачковый вал, приводящий в движение плунжеры через роликовые толкатели. Вращающий момент на вал передается через шлицевую втулку от соединительной муфты. С другой стороны вал имеет зубчатое колесо привода автоматического регулятора. Как и на всех блочных насосах, регулятор составляет с насосом один агрегат и крепится с торца, противоположного приводу насоса. Регулятор управляет движением рейки. В отличие от рассмотренных выше конструкций плунжеры этого насоса вместо вертикального паза имеют осевое сверление, соединенное с выфрезе-ровкой под винтовой кромкой радиальным сверлением. Плунжер этого насоса связан с рейкой не зубчатым соединением, а соединением палец плунжера — хомутик рейки. Детали привода насоса смазываются маслом, разбрызгиваемым кулачками. Масло в насос поступает из масляной системы двигателя.

Для эффективной работы двигателя внутреннего сгорания необходима идентичность подачи топлива по всем цилиндрам; в связи с этим возникает необходимость подрегулировки угла опережения впрыскивания и цикловой подачи отдельно для каждой секции блочного насоса или отдельно для каждого индивидуального насоса. Угол опережения впрыскивания зависит от расположения торца плунжера в его исходном положении относительно окна втулки. Поэтому для изменения угла опережения достаточно завернуть или вывернуть болт толкателя. Для изменения цикловой подачи насоса высокого давления или его секции необходимо изменить угловое положение плунжера при данном положении рейки. Для этого, ослабив винт зубчатого сектора, поворачивают втулку с плунжером относительно сектора. Ту же операцию в насосе, показанном на рис. 7, осуществляют, передвигая по рейке хомутик.

В блочных насосах высокого давления применяют рядное и V-образное расположение плунжерных пар. На быстроходных дизелях устанавливают насосы распределительного типа. В них одна плунжерная пара обслуживает несколько цилиндров, а цикловые порции топлива направляются к той или иной форсунке специальным элементом насоса — распределителем.

Рассмотрим устройство такого насоса на примере насоса НД21/4-20 тракторного двигателя 44 10,5/12. Втулка плунжера (рис. 9) и головка насоса в вертикальных плоскостях имеют четыре нагнетательных канала. В двух других плоскостях втулки расположены четыре впускных окна. В плунжере выполнены осевое сверление и радиальное сверление-распределитель, которое при определенном повороте плунжера может соединяться поочередно с каждым из четырех нагнетательных каналов. Кроме того, плунжер имеет радиальное отсечное сверление, которое может закрываться втулкой-золотником, имеющей свободу перемещения во втулке плунжера и сидящей на плунжере с зазором 3 мкм.

При движении плунжера вниз надплун-жерная полость наполняется топливом через окна. Двигаясь вверх и совершая вращение вокруг своей оси, плунжер перекрывает окна, а топливо из надплунжер-ной полости вытесняется через осевое сверление, сверление-распределитель, канал и нагнетательный клапан в нагнетательный трубопровод одного из цилиндров дизеля. При дальнейшем подъеме плунжера отсечные окна выходят из втулки-золотника, и подача топлива прекращается. Таким образом, подача насоса регулируется осевым положением втулки-золотника.

Возвратно-поступательное движение плунжера обеспечивается четырехпрофильным кулачковым валом и возвратной пружиной. Непрерывное вращение плунжера осуществляется с помощью зубчатой втулки плунжера, промежуточного зубчатого колеса, вала и конических зубчатых колес.

Форсунки

Форсунки обеспечивают поступление и распыливание топлива в камере сгорания дизеля в соответствии с выбранным способом смесеобразования. В связи с этим важное значение имеет конструкция сопловой части распылителя форсунки. По этому признаку различают клапанные, нормальные закрытые, штифтовые и клапанно-сопловые форсунки. Во всех форсунках дизелей имеется запорный элемент, выполняющий функцию предельного клапана. Он регулируется на такое

давление начала впрыскивания, при котором обеспечивается мелкое распыливание топлива при подаче его в камеру сгорания.

На рис. 10 представлена конструкция нормальной закрытой форсунки, наиболее часто применяемой в дизелях с неразделенными и полуразделенными камерами сгорания. Сопловые отверстия расположены равномерно по окружности носка распылителя и направлены под углом к его оси. Пружина через штангу надежно прижимает запорный орган — иглу к поверхности запорного конуса, благодаря чему впрыскивание топлива при малом давлении становится невозможным. В начале подачи топливо, попадая в форсунку, через штуцер в канал, проходит щелевой предохранительный фильтр, образованный втулками, собирается кольцевой канавкой в сверление распылителя и попадает в карман распылителя. При достижении давления начала впрыскивания гидравлическая сила, действующая со стороны топлива на нижний конический торец иглы, становится больше силы предварительной затяжки пружины, игла поднимается, и начинается впрыскивание топлива. Давление начала впрыскивания регулируется положением винта.

До недавнего времени у нормальных закрытых форсунок давление начала впрыскивания составляло 15…35 МПа. В настоящее время с целью улучшения

Форсунки дизелей управляются давлением поступающего топлива и обеспечивают гарантированное распыление его на капли 5… 100 мкм.

В дизелях с разделенными камерами сгорания устанавливают клапанные, или штифтовые, форсунки, распыливающие топливо широкой струей, не обладающей большой дальнобойностью. Они имеют лишь одно сопловое отверстие с площадью поперечного сечения, изменяемой по мере движения клапана или штифта форсунки.

Штифтовая форсунка отличается от -нормальной закрытой лишь конструкцией сопловой части распылителя. Конец штифта имеет обычно заточку в виде двух конусов. При закрытой игле конец штифта выступает относительно торца распылителя на 0,3…0,5 мм, а цилиндрическая часть штифта, расположенная выше заточки, входит в штифтовой канал на 0,3…0,5 мм. Таким образом, для прохода топлива образуется кольцевой канал, площадь поперечного сечения которого необходимым образом меняется по мере подъема иглы. Струя топлива штифтовых форсунок имеет форму полого конуса, что увеличивает поверхность его соприкосновения с воздушным зарядом.

Давление впрыскивания топлива в штифтовых форсунках ниже, чем в нормальных закрытых, но смесеобразование в этом случае в большей мере определяется сильным воздушным вихрем. Установка форсунки с запрессованным в головку цилиндра теплозащитным стаканом 3 имеет целью уменьшение нагрева распылителя. Постоянное перемещение штифта в канале распылителя делает такие форсунки малочувствительными к засорению, поэтому в них не применяют предохранительные фильтры.

Насос-форсунка объединяет в одном агрегате насосную секцию и форсунку. Она устанавливается в головке цилиндров.

Насос-форсунки благодаря отсутствию промежуточного объема сжимаемого топлива обеспечивают наибольшее давление впрыскивания — до 200 МПа.

На рис. 13 представлена насос-форсунка дизеля 6ЧН 30/38 Коломенского тепловозостроительного завода им. В. В. Куйбышева. Топливо поступает в нее через штуцер с щелевым предохранительным фильтром. Омывая внутренние детали форсунки, в том числе и распылитель, топливо охлаждает их, а затем отводится через штуцер. Нагнетательный ход плунжер совершает под давлением штанги, соединенной с коромыслом привода. При движении вниз плунжер своей золотниковой частью перекрывает отсечное и впускное окна. Топливо под давлением открывает нагнетательный клапан и иглу распылителя, устремляется в камеру сгорания. Подъем плунжера обеспечивает пружина. Наполнение подплунжерной полости происходит при открытии отсечного и впускного окон под действием перепада давлений благодаря созданному в полости разрежению.

Регулирование подачи насоса-форсунки осуществляется рассмотренным ранее золотниковым насосом путем поворота плунжера вокруг оси с помощью зубчатой втулки, промежуточного зубчатого колеса и зубчатой рейки. Для облегчения поворота плунжера пружина опирается на упорный подшипник. Перетекаемое через зазоры в прецизионных парах топливо возвращается в топливную систему через дренажные каналы. В крупных дизелях экономически более эффективно применение вместо целого распылителя составного с сопловой вставкой и распылителем.

Аккумуляторные топливные системы

В отличие от систем непосредственного впрыскивания в аккумуляторных системах подачей топлива управляет специальный орган, не связанный с движением плунжера насоса высокого давления. Поэтому в них можно обеспечить постоянство или желательное изменение давления в аккумуляторе, а следовательно, давление впрыскивания при изменении режимов работы двигателя. Кроме того, аккумуляторные системы с электрогидроуправляемыми форсунками позволяют с помощью микропроцессора оптимизировать подачу топлива в соответствии с режимом и условиями работы дизеля.

На рис. 14 представлена схема аккумуляторной топливной системы с электрогидроуправляемыми форсунками. К насосу подается очищенное в фильтрах топливо под стабильным давлением подкачки, обеспечиваемым подкачивающим насосом и перепускным клапаном. Так как в аккумуляторной системе насос служит лишь для подачи топлива под определенным давлением в аккумулятор, его конструкция значительно проще, чем в системе непосредственного впрыскивания. Аккумулятор сглаживает пульсации давления от работы насоса, давление в нем регулируется дросселем и по условиям безаварийной работы ограничено открытием клапана. В ряде подобных систем, особенно при длинных нагнетательных трубопроводах и высокой рабочей частоте вращения коленчатого вала двигателя, устанавливают непосредственно у форсунки дополнительный аккумулятор, стабилизирующий подачу топлива. На схеме представлена электроуправляемая форсунка, игла которой управляется электрическим импульсом. Такая форсунка является важнейшим элементом топливной системы.

Форсунка с электрогидроуправлением впрыскиванием создана на базе нормальной закрытой форсунки. Топливо из аккумулятора под постоянным давлением подается в канал. В период между впрыскиваниями топлива клапан закрыт, т. е. находится в нижнем положении. При этом высокое давление топлива передается через плоский зазор между неподвижным штифтом и клапаном и ряд соединительных каналов в полость над иглой. Таким образом, высокое давление действует на полную площадь иглы сверху и лишь на дифференциальную площадку иглы снизу. Неуравновешенная гидравлическая сила и сила предварительной затяжки пружины надежно запирают иглу.

В момент начала подачи топлива на обмотку электромагнита поступает управляющий электрический импульс, и его якорь с клапаном поднимаются. При этом выбирается зазор и открывается запорный конус. В результате полость соединяется с каналом сливной магистрали, где давление лишь немногим выше атмосферного. Тогда гидравлическая сила, действующая на дифференциальную площадку иглы, превышает силу затяжки пружины, и игла открывается.

В аккумуляторных топливных системах с электрогидравлическими форсунками высокое качество впрыскивания на всех режимах двигателя обеспечивается стабильно высоким давлением топлива и быстрым закрытием иглы благодаря ее гидрозапиранию.

При прекращении питания электромагнита клапан опускается, полость вновь соединяется с каналом, где находится топливо под высоким давлением. В результате появляются значительные усилия, запирающие иглу, и подача топлива быстро прекращается.

Цикловая подача регулируется изменением давления в аккумуляторе и продолжительности впрыскивания топлива.