Системы дизелей

В конструкции двигателя можно выделить следующие основ­ные системы: системы питания топливом, систему смазки, систему охлаждения, систему пуска и систему регулирования частоты вра­щения.

Система питания топливом служит для бесперебой­ной подачи в строго определенный момент дозированных порций топлива в соответствии с порядком работы цилиндров и совместно с регулятором для поддержания заданной нагрузки и определен­ной частоты вращения дизеля; для приготовления горючей смеси и отвода отработавших газов.

Топливоподающая система (рис. 5) включает в себя следую­щие основные агрегаты и устройства: топливные емкости (баки 1 и 5), насосы низкого давления (топливозакачивающие насосы 2 и 4, основной насос 13 и вспомогательный — топливопрокачивающий 14), топливный насос высокого давления 9, форсунки 8, фильтры грубой 3, 15 и тонкой 10 очистки топлива, трубопроводы низкого и высокого давления, запорно-регулирующую арматуру 11, 12, 16.

Рис. 5. Принципиальная схема топливоподающей системы дизеля

Наполнение топливных емкостей 5 осуществляется самотеком через приемный колодец 6, оборудованный сливной воронкой, сет­чатым фильтром и задвижками (кранами, вентилями). Пополне­ние расходного бака! топливом производится топливозакачивающим насосом 2 с электрическим приводом, а при отсутствии на­пряжения в сети — вручную насосом 4. Иногда топливо во время пополнения расходного бака пропускается через сепаратор 3.

Расходный бак оборудован датчиком контроля уровня топлива, который обеспечивает автоматическое включение и выключение топливозакачивающего насоса 2. В случае переполнения бака 1 топливо самотеком сливается в емкость 5 по трубе П. Для слива отстоя и аварийного слива топлива на трубопроводе А установлен сливной кран.

Перед пуском дизеля автоматически включается топливопро­качивающий насос 14. При этом происходит заполнение системы топливом и удаление из нее воздуха. Топливо из бака 1 через фильтр грубой очистки 15, насос 14, обратный клапан 12 и фильтр тонкой очистки 10 поступает к топливному насосу высокого дав­ления 9. Доза топлива по трубопроводу высокого давления посту­пает к форсунке 8 и впрыскивается в цилиндр дизеля 7. Отсечное (излишнее) топливо отводится от насоса 9 по трубопроводу И в расходный бак 1.

После запуска дизеля насос 14 автоматически отключается и в работу включается основной топливный насос низкого давления 13, приводимый от коленчатого вала дизеля. Топливо поступает к насосу 9 через обратный клапан 12 и редукционный клапан 11 и фильтр 10. Редукционный (перепускной) клапан 11 перепускает топливо в случае загрязнения фильтра тонкой очистки топлива 10. Загрязнение фильтров контролируется по манометру. Вентили и задвижки на топливопроводах позволяют отключать отдельные элементы системы для осмотра и ремонта. В топливных системах стационарных дизелей часто используют трубопроводы У и емкос­ти просочившегося (условно грязного) топлива. В частных случа­ях некоторые элементы схемы могут отсутствовать или дублиро­ваться.

Топливный насос высокого давления (ТНВД) предназначен для дозирования цикловой подачи топлива в соответствии с нагрузкой и частотой вращения дизеля. Различают многоплунжерные и рас­пределительные ТНВД. В многоплунжерных насосах каждая на­сосная секция подает топливо в определенный цилиндр, а в распре­делительных — одна насосная секция подает топливо поочередно в цилиндры дизеля.

По принципу действия все ТНВД плунжерного (золотникового) типа. Плунжеры имеют фигурные проточки К (рис. 6, а) или спиральные (винтовые) канавки 4 (рис. 6, б), выполняющие роль распределительного золотника. Эти выточки-проточки, пово­рачиваясь вокруг оси при поступательном движении плунжера от­носительно втулки, регулируют дозу впрыскиваемого топлива. Кон­струкция секции ТНВД изображена на рис. 6.

В верхней части втулки 5 расположено впускное отверстие с кромками cud, которое является также отсечным (рис. 6, а). На рис. 6,б показано два ряда отверстий: всасывающее (впуск­ное) отверстие 1 втулки и перепускные (отсечные) отверстия 5.

Рис. 6. Топливный насос высокого давления

Сверху к торцу втулки 5 (рис. 6, а) прижимается седло-штуцер 1 с нагнетательным клапаном 3 и пружиной 2. К штуце­ру 1 подсоединяется трубопровод высокого давления. Плунжер 6 имеет продольную канавку-К, соединяющую кольцевую канавку с надплунжерным пространством Б. Часть верхней кромки вы­полнена по винтовой линии. Конструкция головки плунжера мо­жет выполняться и по схеме, показанной на рис. 6, б, где вместо винтовой кромки изготовлены спиральные (винтовые) канавки 4, соединенные с надплунжерным пространством В вертикальным (осевым) каналом 2 и горизонтальным (поперечным) каналом 3.

На плунжере стяжным винтом с помощью хомута 8 закреплен зубчатый сектор 9, входящий в зацепление с зубчатой рейкой 10, соединенной с регулятором оборотов дизеля (рис. 6, а). Переме­щение плунжера 6 вверх (нагнетание) осуществляется от кулачкового вала 16 через ролик толкателя 14. Толкатель в верхней части имеет регулировочный винт 12 с контргайкой 13, который по­зволяет регулировать момент начала подачи топлива секцией ТНВД. Секция ТНВД работает следующим образом. При нахождении плунжера 6 в крайнем нижнем положении впускное отверстие с кромками с и d открыто и полости А и В заполнены топливом.

При вращении вала 16 его кулачок набегает на ролик 15 и через толкатель 4 и винт 12 поднимает плунжер 6 вверх по направляющей 7. При этом топливо будет вытесняться через впускное от­верстие 1 во втулке до тех пор, пока плунжер боковой поверхнос­тью не перекроет отверстие с кромкой с. В этот момент топливо из надплунжерного пространства В начнет интенсивно вытесняться через нагнетательный клапан 3 в трубопровод высокого давления и поступать через форсунку в камеру сгорания.

Нагнетание будет продолжаться до тех пор, пока винтовая кромка продольной канавки К плунжера 6 не откроет отверстие по кромке d. При этом клапан 3 под действием пружины 2 плотно сядет к седло штуцера 1 и поступление топлива к форсунке прекратится, так как из полостей В и А топливо начнет интенсивно вытекать в отверстие с кромками с и d.

При подъеме толкателя 14 пружина 11 сжимается. Когда ро­лик 15 сходит с кулачка 16, пружина разжимается и опускает толкатель 14, а вместе с ним и плунжер 6 вниз. В этот момент надплунжерное пространство секции ТНВД после открытия отвер­стия с кромками c u d заполняется новой порцией топлива.

Для изменения количества подаваемого топлива секции ТНВД поворачивают плунжер с помощью зубчатой рейки 10 и зубчатого сектора (венца) 9. Чтобы подача топлива во все цилиндры была одинаковой, все секции ТНВД должны быть отрегулированы на одинаковую подачу топлива путем поворота плунжера относительно сектора 9, для чего предварительно ослабляют стяжной винт на хомуте 8.

Форсунка предназначена для впрыскивания в камеру сгорания топлива в мелкораспыленном виде. Обычно на дизелях устанав­ливают форсунки закрытого типа с гидравлически управляемой иглой: штифтовые (рис. 7, в) и бесштифтовые (рис. 7, а, б, г). Конструкция форсунки показана на рис. 7, д.

Рис. 7. Форсунка: а — закрытая форсунка:

1 - регулировочный винт; 2 - пружина; 3 -нажимная штанга; 4 - игла; 5 - корпус распылителя; е - канал подвода топлива; к - конус; d - камера давления; з - запорный конус; б - многодырчатый распылитель; в - штифтовой распылитель;

г - бесштифтовой распылитель; д - конструкция форсунки:

1 - сопло распылителя; 2 - игла; 3 - накидная гайка; 4 - штифт; 5 - корпус; 6 - штанга; 7 - подпятник; 8 - пружина; 9 - регулировочный винт; 10 - штуцер; 11 - контргайка; 12 - колпак; 13 - переходник; 14 - фильтр; 15, 16 - каналы подвода топлива; 17 - полость давления; 18 - корпус распылителя

Распылитель безштифтовой форсунки состоит из корпуса «5 с несколькими (рис. 7, а, б) или с одним (рис. 7, в, г) отвер­стиями и иглы 4.

Игла 4 (рис. 7, а) под действием пружины 2 плотно закры­вает доступ к распыливающим отверстиям. Топливо, нагнетаемое плунжером ТНВД, заполняет канале и камеру d. При увеличении давления в камере d игла 4, преодолевая усилие пружины 2, под­нимается вверх и топливо впрыскивается в цилиндр через откры­тое отверстие распылителя 5. После отсечки в ТНВД давление в камере d падает и игла 4 под действием пружины 2 опускается, прекращая подачу топлива в камеру сгорания. Необходимое уси­лие затяжки пружины 2 регулируется винтом 1.

Регулятор частоты вращения предназначен для поддержания заданной частоты вращения коленчатого вала путем изменения дозы топлива, подаваемого ТНВД при изменении нагрузки на дизель. Для поддержания заданного режима работы дизеля наибольшее применение получили всережимные регуляторы с механической связью между чувствительным элементом и органом регулирования. Всережимным называют такой регуля­тор, который воздействует на орган регулирования подачи топлива при всех частотах вращения коленчатого вала дизеля.

Регулятор крепится на ТНВД и приводится во вращение от коленчатого вала дизеля через редуктор.

Система смазывания служит для подачи масла к трущимся поверхностям подвижных деталей дизеля с целью умень­шения сил трения между ними, герметизации цилиндров двигателя и частично отвода теплоты. Систему смазывания двигателя условно делят на внутреннюю (рис. 8, а) и внешнюю (рис. 8, б).

Рис. 8. Принципиальная схема, системы смазывания дизеля:

а — схема внутренней системы смазывания дизеля:

1 — поддон; 2, 11 — предохранительный клапан; 3, 4 — фильтр; 5 — дроссель- 6 —

перепускной клапан; 7 — редукционный клапан; 8 — главная масляная магистраль- 9 -

манометр; 10 - холодильник; 12 - двухсекционный насос; 13 — маслозаборник;

б — схема внешней системы смазывания:

1~ циркуляционный маслобак; 2 — дизель; 3 — главная масляная магистраль- 4 — обратный клапан; 5 - маслонагнетающий насос; в - поддон; 7 - маслооткачивающий насос; «— маслопрокачивающий насос; 9 — датчики уровня; 10 — маслоподкачивающий насос; I1 - ручной насос; 12 - расходный маслобак; / 3 - маслоперекачивающий насос- 1 4 — приемный колодец; 13 — заливочная горловина; 16 — фильтр; 17— водомасляный

холодильник

В зависимости от способа подачи масла различают смазывание разбрызгиванием, под давлением и комбинированное. При комби­нированной системе смазывания к коренным и шатунным шей­кам коленчатого вала, осям коромысел и к другим узлам масло поступает под давлением (рис. 8, а). Остальные трущиеся по­верхности (цилиндры, поршни, кулачки, шестерни распределения и др.) смазываются разбрызгиванием масла. Топливный и водяной насосы, топливный насос высокого давления, регулятор частоты вращения, вентилятор и механизмы пуска имеют самостоятельные (локальные) устройства смазывания. Регуляторы дизеля, как пра­вило, имеют автономную масляную систему, что повышает каче­ство регулирования частоты вращения и вырабатываемой электро­энергии.

Принципиальная схема обработки и подачи масла под давлени­ем в дизель показана на рис. 8, б.

Система охлаждения служит для принудительного отвода теплоты от деталей работающего дизеля и поддержания их температуры в допустимых пределах.

При перегреве дизеля резко ухудшается смазывание трущихся деталей, так как высокая температура вызывает разложение, кок­сование масла и приводит к образованию нагара на стенках цилиндров, на головках клапанов и поршней, а это, в свою очередь, ухудшит отвод теплоты от деталей.

Высокий и неравномерный нагрев деталей приводит к термиче­ским перенапряжениям и деформациям; при этом уменьшаются зазоры и повышается износ, а в худшем случае возникает заедание и поломка деталей.

Перегрев выпускных клапанов влечет неплотное прилегание рабочей фаски клапана к седлу, коробление и прогорание клапана. Поршневые кольца пригорают и теряют упругость, вследствие чего происходит прорыв газов в картер и наблюдается резкое падение мощности дизеля. Поршни заклиниваются в цилиндрах, что при­водит к обрыву шатунов, поломке коленчатого вала, картера и ди­зеля в целом.

Переохлаждение дизеля сопровождается ростом механических потерь из-за повышения вязкости масла, ухудшения процессов сме­сеобразования и сгорания, в результате чего повышается расход топлива. Конденсация паров воды в картерной полости интенси­фицирует коррозионное изнашивание. В отработавших газах по­вышается содержание углеводородов несгоревшего топлива и вы­сокотоксичных альдегидных соединений.

Функции регулируемого принудительного отвода теплоты вы­полняет чаще всего жидкостная система охлаждения. Воздушные системы охлаждения в отечественных дизелях не нашли примене­ния. В качестве охлаждающей жидкости применяется вода, эмуль­сия и низкозамерзающие жидкости (антифризы). Система охлаж­дения может быть радиаторной (рис. 9, а) и двухконтурной (рис. 9,6).

В радиаторную систему охлаждения (рис. 9, а) входят блок охлаждения 1 с расширительным баком 2, резервуар 3, масляный холодильник б, регулятор температуры воды 7, насос 8, трубопрово­ды и запорно-регулирующая арматура, предохранительный клапан 4, вентиль 5.

Охлаждение дизеля обеспечивается циркуляцией воды в замк­нутой системе с помощью насоса 8 центробежного типа. Вода по соответствующим трубопроводам подводится в рубашки монобло­ков, откуда через водяные полости выхлопных коллекторов она попадает в водяную полость турбокомпрессора, а затем к регуля­тору температуры воды 7. Регулятор автоматически поддерживает оптимальную температуру воды на выходе из дизеля на всех режи­мах работы путем распределения воды по двум направлениям: часть воды проходит по перепускной линии (короткий контур) — от регулятора 7 в масляный холодильник 6 и далее в насос 8; другая часть воды проходит от регулятора 7 через блок охлажде­ния 1, масляный холодильник 6 и далее в насос 8 (длинный кон­тур). Количество воды, проходящей через короткий и длинный кон­туры, зависит от температуры воды на выходе из дизеля. Вода, циркулируя по замкнутому контуру, охлаждается в блоке охлаж­дения 1. При работе электровентилятора воздух просасывается через радиатор и отбирает теплоту от охлаждающей воды.

Двухконтурная система охлаждения дизеля (рис. 6.24, б) вклю­чает первый контур охлаждения, который состоит из расшири­тельного бака 1, теплонагревателя 2, маслосборного бакаЗ, прокачивающего насоса 4, насоса первого контура 5, термостата 6, хо­лодильника 7, а также трубопроводов.

Второй контур включает холодильник 7, термостат 6, насос вто­рого контура 8, резервуар 9 и брызгальный бассейн 10. В первом контуре под действием насоса 5 циркулируемая вода отбирает теп­лоту от дизеля в водо-водяной холодильник первого контура ох­лаждения и отдает теплоту через холодильник 7 второго контура охлаждения в брызгательный бассейн 10. Для обеспечения подо­грева воды и масла дизеля при необходимости предусмотрены на­греватели 2, размещенные соответственно в расширительном баке 1 и масляном баке 3.

Термостаты 6 обеспечивают переключение потока охлаждаю­щей воды в зависимости от ее температуры в теплообменнике. До достижения допустимого значения температуры вода циркулирует по первому контуру, минуя холодильник 7. После нагрева до уста­новленного предела термостат переключает поток воды к холо­дильнику 7.

Во втором контуре вода насосом 8 прокачивается через холо­дильник 7 второго контура, отбирает теплоту первого контура ох­лаждения и подается в брызгальный бассейн 10, отдавая в даль­нейшем теплоту в атмосферу за счет испарения и стекает затем в сборный резервуар 9.

Для контроля температуры воды в трубопроводах системы ус­тановлены датчик дистанционного термометра и датчик комбини­рованного реле температуры, дающий импульс на аварийную оста­новку дизеля при достижении температуры воды 105 °С на выхо­де из дизеля.

Система пуска предназначена для прокручивания коленчатого вала дизеля от постороннего источника энергии. При этом обеспечивается удовлетворительное протекание процессов сме­сеобразования, сжатия и самовоспламенения топлива.

Минимальная частота вращения коленчатого вала, при которой появляются первые вспышки в двигателе, называется пусковой и у дизелей она должна составлять 150...300 об/мин. При вращении коленчатого вала крутящий момент затрачивается на преодоление сопротивления сжатию воздуха, а также на преодоление сопротив­лений, вызываемых трениями механизмов и систем дизеля. Кроме того, в период пуска нужен избыток крутящего момента для разго­на движущихся масс двигателя от состояния покоя до пусковой частоты вращения. Для запуска дизелей применяют электростар­теры и воздушные системы пуска.

Принципиальная схема системы пуска электростартером пока­зана на рис. 6.25. Электростартер 4 представляет собой электро­двигатель постоянного тока последовательного возбуждения с вклю­чающим устройством 2 и механизмом привода. Стартер питается от аккумуляторной батареи 1. В период пуска шестерню 7 старте­ра вводят в зацепление с зубчатым венцом 8 маховика дизеля. Стартер должен иметь достаточную мощность для вращения коленчатого вала с требуемой частотой, автоматически выключаться после пуска двигателя и не включаться во время его работы. Элек­трическая цепь стартера 4 замыкается контактами 2Р специаль­ного реле стартера 6, включаемого электромагнитом (соленоидом 5) с дистанционным управлением, которое осуществляется с помо­щью включателя 2, обмотки 3 и контактов IP реле пуска.

Сцепление приводной шестерни 7 с зубчатым венцом 8 махо­вика также осуществляется соленоидом 5. Последовательность включения шестерен 7 и 8 и замыкания контактов электрической цепи стартера следующая: сначала в зацепление вводится шестер­ня, а затем замыкается электрическая цепь стартера. Чтобы избе­жать разносных оборотов якоря стартера после запуска дизеля, шестерню 7 устанавливают на муфте свободного хода роликового или фрикционного типа. Электромагнитный привод исключает воз­можность ошибочного включения стартера при работающем дизе­ле, так как при работающем генераторе исключается действие элек­тромагнита 5 приводного механизма. По этой же причине после запуска дизеля шестерня 7 автоматически выходит из зацепления с зубчатым венцом 8.

Воздушная система пуска (пуск сжатым воздухом) является наиболее распространенной для большинства стационарных дизе­лей большой мощности. Сжатый воздух, поступая через пусковые клапаны в надпоршневую полость цилиндра при нахождении пор­шня в ВМТ на такте начала расширения, производит перемещение поршня к НМТ и проворачивает коленчатый вал дизеля.