Характеристика топливного насоса по частоте вращения кулачкового вала

Одним из важных параметров дизеля, как известно, является его внешняя характеристика М_кр=f(n), на режимах которой ре­гулятор не воздействует на количество топлива, подаваемого секци­ями насоса (рис.1,а). Возрастание крутящего момента от режима n_н до n_м не должно быть, как показывает практика эксплуатации, менее 15% с тем, чтобы обеспечить достаточно устойчивую работу дизеля на режимах внешней характеристики.

Вид зависимости М_кр=f(n) определяется характером изменения рада факторов: индикаторного к.п.д. η_i = f(n), коэффициента избытка воздуха α = f(n), коэффициента наполне­ния η_v = f(n), механического к.п.д. η_m = f(n) - при изме­нении частоты вращения и, наконец, видом зависимости q_ц = f(n_к) (рис. 1,б).

Рис.1. Скоростные характеристики: а) внешняя дизеля; б) соответствующая ей топливной аппаратуры

Характеристикой топливного насоса по частоте вращения кулач­кового вала называется зависимость цикловой подачи топлива от частоты вращения кулачкового вала насоса

q_ц = f(n_к)

Заданный вид внешней скоростной характеристики топливоподачи в некоторых случаях можно обеспечить за счет соответствующего подбора конструктивных параметров топдивоподающей аппаратуры, например, корректирование подачи топлива за счет передвижения рейки в сторону увеличения подачи при уменьшении частоты вращения кулачкового вала или за счет установки специальных корректи­рующих нагнетательных клапанов. Величина запаса подачи топлива ψ=(q_цм - q_цн)/ q_цн устанавливается исходя из соображений обеспечения запаса М_кр в пределах 12... 15 %.

Частичные характеристики топливного насоса по частоте вращения определяют устойчивость работы дизеля. Чем больше снижается цикловая подача топлива с уменьшением частоты вращения кулач­кового вала, тем меньше фактор устойчивости двигателя.

Под устойчивостью режима работы понимают способность систе­мы двигатель - потребитель восстанавливать равенство их крутящих моментов при минимальном изменении частоты вращения. Взаимное протекание характеристик двигатель - потребитель энергии может характеризоваться фактором устойчивости F_д, который определяе­тся выражением

Конструкция топливной аппаратуры должна обеспечивать прину­дительное и автоматическое изменение цикловых подач в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы дизеля. На рис.2 представлены скоростные характеристики изменения цикловых подач топлива, величинам которых пропорциональны значения крутящего мо­мента. Характеристики снимались при различных фиксированных положениях рейки топливного насоса. На графиках также нанесены харак­теристики момента сопротивления М_с потребителя в зоне минимальных холостых оборотов двигателя (точка Б) и в зоне рабочих нагрузочных режимов (точка А). Из взаимного расположения кривых следует, что при отклонении от равновесного режима (точки Б) с увеличением частоты вращения коленчатого вала момент двигателя возрастает в большей степени, чем момент сопротивления, а при уменьшении n момент сопротивления превышает момент двигателя. Это приводит к тому, что при отклонении системы двигатель - потребитель от равновесного режима система будет прогрессивно отклоняться от первоначального состояния.

Таким образом, если F_д>0, то равновесный режим является устойчивым (точка А на рис.2), а характеристика двигателя обладает положительным самовыравниванием. Если же F_д<0 (точка Б), то равновесный режим неустойчив, а характеристика двигателя имеет отрицательное самовыравнивание. Вследствие того, что автотракторные дизели с применяемыми на них топливными насосами чаще всего обладают отрицательным или весьма небольшим положительным самовыравниваннем, они снабжаются регуляторами, воздействующими на рейку

Рис.2. Скоростные характеристики ТНВД

топливного насоса и обеспечивающими авто­матическое изменение цикловых подач топлива с изменением скоростного режима с целью обеспечения устойчивости работы ди­зеля как на режиме холостого хода, так и при работе под нагрузкой. Регуляторы так­же ограничивают максимальную частоту вра­щения двигателя при снятии нагрузки.

Характеристика топливного насоса по частоте вращения кулачкового вала зависит от ряда факторов. Наибольшее влияние на протекание характеристики оказывают изменения фактического активного хода плунжеров за счет дросселирования топлива в каналах плунжера и окнах гильзы и изменение времени-сечения иглы форсунки.

При уменьшении частоты вращения кулачкового вала плунжер топ­ливного насоса движется с меньшей скоростью и, следовательно, уме­ньшается дросселирование топлива, вытесняемого плунжером во впуск­ное и отсечное окна гильзы. Так как в начале и в конце подачи в окна гильзы перетекает большее количество топлива, давление умень­шается, нагнетательный клапан открывается несколько позже, а его посадка на седло происходит раньше. То есть по существу уменьша­ется фактический активный ход плунжера. Этот фактор определяет уменьшение цикловой подача с уменьшением частоты вращения. Харак­терно, что при меньших геометрических продолжительностях подач относительная доля топлива, подаваемого за счет дросселирования, увеличивается. Этим объясняется большее влияние дросселирования на частичных подачах и, следовательно, более заметное по сравнению с внешней скоростной характеристикой уменьшение цикловых подач топлива при уменьшении частоты вращения кулачкового вала топ­ливного насоса.

При уменьшении частоты вращения кулачкового вала время геометрической продолжительности подачи увеличивается, и, следовате­льно, если насос создает достаточно большое давление топлива, прижимающее иглу форсунки к упору, то с уменьшением частоты вращения увеличивается и "время - сечение" иглы форсунки. Это созда­ет условия увеличения цикловой подачи топлива с уменьшением частоты вращения кулачкового вала, т.е. к увеличению самокоррекции. Если топливный насос не обеспечивает давления, достаточного для поддержания иглы на упоре в течение активного хода плунжера, "время-сечение" иглы форсунки не увеличивается с уменьшением частоты вращения кулачкового вала. Так, на большинстве частичных скоростных характеристик топливоподачи влияние изменения "время-сечение" иглы форсунки на самокоррекцию незначительно, а в некоторых случаях может быть отрицательно. Таким образом, для увеличения самокоррекции за счет увеличения "время - сечения" иглы форсунки при уменьшении частоты вращения следует подбирать параметры топливной системы, чтобы обеспечить достаточно высокое дав­ление, прижимающее иглу форсунки к упору.

На скоростную характеристику топливоподачи в меньшей степени влияет изменение по оборотам утечек топлива в прецизионные соеди­нения остаточных свободных объемов (или остаточных давлений), сжимаемости топлива и наполнения надплунжерной полости.

Утечки в плунжерной паре с уменьшением частоты вращения воз­растают, так как увеличивается время рабочего цикла. Поэтому при износе плунжерной пары уменьшается самокоррекция. С увеличением же зазоров в нагнетательном клапане он начинает действовать как корректирующий и частично компенсирует уменьшение самокоррекции, вызванное утечками в плунжерной паре.

За счет сжимаемости топлива, находящегося в нагнетательной магистрали, уменьшается цикловая подача топлива, которая зависит от объемов системы, коэффициента сжимаемости и от скорости нарастания давления. С уменьшением частоты вращения кулачкового вала из-за меньшей скорости плунжера скорость нарастания умень­шается, следовательно, уменьшается и влияние сжимаемости топли­ва. Этот фактор, таким образом, способствует увеличению цикловой подачи топлива при уменьшении частоты вращения кулачкового вала.

Одним из факторов, оказывающих некоторое влияние в топливных системах отдельных быстроходных дизелей, является ухудшение заполнения надплунжерной полости при больших частотах вращения. Этот фактор увеличивает самокоррекцию топливной системы.