Тепловое состояние и охлаждение форсунок

В общем случае, количество подводимого к распылителю форсунки тепла определяется температурой газов t газ в камере сгорания и величиной площади их соприкосновения с распылителем F_р:

 

q₁ + q₂ – q₃ = F_p а _газ (t_газ – t_расп),

 

q₁ и q₂ - количества тепла, передаваемые распылителю через его торцевую 1 и цилиндрическую 2 поверхности (рис. 9-7),

q₃ - количество тепла, отводимое с впрыскиваемым топливом,

F_p - площадь распылителя, соприкасающаяся с газами.

С увеличением F_p количество передаваемого в распылитель тепла растет.

а _газ – коэффициент теплоотдачи от газов,

t_газ – средняя заменяющая температура газов и t_р температура стенок соплового наконечника.

 

 

Естественен вывод что, для уменьшения тепловых потоков целесообразно идти на сокращение лобовой и цилиндрической поверхности распылителя, а также – его бокового зазора в крышке (но не менее 0,5 мм в двигателях средней размерности и 1 мм в более крупных.)

В противном случаев при появлении в зазоре нагара не исключены заклинивание и деформации распылителя. Заметим, что зазоры в паре «игла-направляющая» не превышают 5-10 микрон и поэтому даже небольшие деформации в связи с перегревом и последующим расширением распылителя приводят к заклиниванию иглы в направляющей. Кроме того, при температурах свыше 160-180⁰С на теле иглы образуются лаковые отложения, также способствующие заклиниванию, а сопловые отверстия забиваются коксом.

Рис. 6.4.6. Тепловые потоки в  В целях снижения температур распылителей в

распылителе.           малооборотных и среднеоборотных форсированных двигателях ввели охлаждение форсунок используя для этого воду, масло или топливо. Наиболее эффективным, явилось использование воды, что и было реализовано в распылителях двигателей Зульцер RD, RND-a и RND-М-б.

 

6.4.4 Особенности конструкции форсунки двигателей MAN&BW L-MC

Конструкцию распылителя форсунки судовых дизелей Бурмейстер и Вайн (рис. 6.4.5., а) с незначительными изменениями применяли до тех пор, пока не была создана принципиально новая форсунка с другим распылителем (рис. 6.4.5., б).

В конструкции, показанной на рис. 6.4.5., а, сопло 10 запрессовано в корпус 11 (соплодержатель), который притирается к нижнему торцу направляющей 8 иглы 7. Верхний торец направляющей притерт к корпусу 1 форсунки. Массивной гайкой 9 соплодержатель 11,направляющая 8 и нижняя часть корпуса 1 скреплены в единый герметичный узел. Штифты 5 обеспечивают совпадение участков каналов охлаждения 12 топливопровода 6. Сопло 10 закреплено в корпусе 11 горячей посадкой, чем обеспечивается надежная фиксация сопла, отверстия которого должны иметь строго заданное направление (число форсунок две или три при центральном положении выпускного клапана). Три или четыре распыливающих отверстия сопла имеют диаметр 0,95 –1,05 мм. Для увеличения срока службы элементов игла - упор верхняя часть иглы 7 сделана в виде утолщённой головки, а упор 4 – в виде втулки увеличенного диаметра. Упор запрессован в тело корпуса 1. Подъём иглы h_и = 1 мм. Развитая головка иглы позволила увеличить диаметр штока 3, передающего игле усилие затяга форсуночной пружины 2 (Р_зп), что повысило надёжность узла пружина – шток.

Форсунки Бурмейстер и Вайн охлаждаются, как правило, дизельным топливом автономной системы.

Рис. 6.4.5. Распылители форсунок двигателей Бурмейстер и

 

Вайн VT2BF МАН-Бурмейстер и Вайн KGF, L-MC

В последние годы все высокомощные судовые малооборотные дизели Бурмейстер и Вайн, а также перспективные дизели МАН - Бурмейстер и Вайн оборудуют новыми форсунками унифицированной конструкцией (см. рис. 6.4.5., 6).

Принципиальным отличием в данном случае является то, что форсунка неохлаждаемая. Нормальная работа форсунки при высоких температурах подогрева тяжелого топлива (105-120 °С) обеспечивается благодаря его центральному подводу по каналу 14. При этом получаются симметричное температурное поле и равные градиенты температур по поперечному сечению распылителя, а следовательно, равные рабочие зазоры в сопряженных парах (во всех прочих конструкциях форсунок, где горячее топливо и охладитель подаются по разным сторонам ее корпуса, создается несимметричное температурное поле).

Распылитель состоит из сопла 10, направляющей 8, иглы 7 и запорного клапана 17 внутри иглы. Направление односторонних сопловых отверстий обеспечивается фиксацией сопла штифтом 5, (корпус 1 форсунки фиксируется своим штифтом в месте крепления, не показанном на чертеже). Игла 7, имеющая вверху форму стакана, воспринимает усилие затяга пружины 2 через ползун 13, в вырезы которого входит головка проставки 15 с центральным каналом 14. Внутри стакана иглы размещены пружина 16 запорного клапана 17 и узел сопряжения топливного канала в проставке 15 и в клапане 17. Нижний заплечик проставки 15 ограничивает подъем клапана (h _к= 3,5 мм), а верхний - подъем иглы (h _и= 1,75 мм).

Форсунка обеспечивает циркуляцию нагретого топлива при неработающем двигателе (во время подготовки к пуску и при вынужденных остановках в море), а также в период между смежными впрысками, когда ролик толкателя плунжера обкатывает цилиндрическую часть шайбы.

При стоянке двигателя, когда ТНВД находится в положении нулевой подачи (полости наполнения и нагнетания соединены), топливоподкачивающий насос при давлении 0,6 МПа подает топливо в нагнетательный топливопровод и канал 14 форсунки. 'Гак как пружина 16 запорного клапана 17 имеет затяг 1 МПа, то клапан не поднимается, и топливо проходит через небольшое отверстие 18 в стакан иглы и далее вверх на слив. Таким образом, при стоянке любой продолжительности вся система нагнетания будет заполнена топливом рабочей вязкости. Это исключительно важно для надежной работы топливной аппаратуры.

При работе двигателя в период активного хода плунжера давление нагнетания практически мгновенно поднимает запорный клапан 17, и перепускное отверстие 18 перекрывается. Топливо проходит к дифференциальной площадке иглы 7 и поднимает иглу.

В конце активного хода плунжера вся система нагнетания быстро разгружается через рабочую полость насоса, так как нагнетательного клапана в нем нет. Когда давление топлива падает ниже давления затяга Р _ап. пружина 2 сажает иглу 7, а при давлении ниже 1 МПа пружина 16 опускает на место запорный клапан 17. Ролик толкателя плунжера на длительное время выходит на верх шайбы, и система нагнетания вновь прокачивается топливом до следующего активного хода плунжера.

В рассмотренной особенности новой форсунки большое достоинство топливной аппаратуры, так как в любых условиях эксплуатации она постоянно находится в рабочем температурном режиме, что чрезвычайно важно для гарантии надежности.

Практика показала, что во время вынужденных остановок судов в море, при длительных стоянках в готовности, а также при продолжительных режимах малых ходов и маневров тяжелое топливо остывает по всей линии нагнетания, вязкость его повышается. В таких случаях после пуска двигателя или при резких набросах нагрузки давление впрыскивания может сильно возрасти, а гидравлические усилия в линии нагнетания достичь опасного уровня. В результате возможны образование трещин в корпусах ТНВД и стенках нагнетательных топливопроводов, прорыв мест соединений их с насосом и форсункой (особенно когда эти места резьбовые).

Для топливной аппаратуры с охлаждаемыми форсунками существует несколько решений, направленных на поддержание температурного режима системы нагнетания в упомянутых условиях: отключение охлаждения форсунок, подача пара в каналы охлаждения, установка вдоль всего (или части) нагнетательного топливопровода паровых «спутников» и т.д. Однако все эти решения по эффективности действия значительно уступают форсунке с симметричным температурным полем.

Положительным фактором в пользу неохлаждаемых форсунок является и то, что исключается необходимость применять специальную систему охлаждения (два насоса, цистерна, трубопроводы, контрольно-измерительные приборы и приборы автоматики).

Есть, однако, и недостатки. Конструкция форсунки сложная, многодетальная. Одних мест притирки - девять, причем для притирки требуются специальные оправки. В топливной аппаратуре фактически отсутствует нагнетательный клапан, так как запорный клапан 17 его функций не выполняет: в случае зависания иглы форсунки топливо из системы нагнетания выталкивается давлением газов в цилиндре вскоре после окончания активного хода плунжера. Опыт показывает, что цилиндр при этом самовыключается.