Топливная система

ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА.

Система питания топливом дизеля предназначена для размещения, очистки и своевременной подачи топлива в цилиндры двигателя в нужном количестве и под достаточным давлением на всех режимах его работы при любой температуре окружающего воздуха.

Дизельное топливо является одним из продуктов переработки нефти. В нем содержатся различные углеводороды (парафины, нафтены, ароматические и др.). Число атомов углерода, входящих в молекулы дизельного топлива, достигает тридцати. Основное качество дизельного топлива — легкость воспламенения при соприкосновении с горячим воздухом. Воспламеняемость топлива характеризуется цетановым числом. Чем выше это число, тем менее стойки к окислению молекулы топлива и легче оно воспламеняется. У дизельного топлива цетановое число составляет 40 — 50 (чаще всего 45).

Важной характеристикой топлива также является его вязкость при различных температурах. Для обеспечения нормальной работы двигателя топливо не должно застывать при низкой температуре (до -60 °С). Кроме того, необходимо, чтобы топливо не было токсичным, обладало антикоррозионными и смазывающими свойствами, а также не создавало паровые пробки в топливопроводах при температурах до 50 °С.

Для автотракторных дизелей используется топливо марок А (арктическое), 3 (зимнее) и Л (летнее). Наиболее широко распространено топливо марок З (при отрицательной температуре воздуха) и Л (при температурах выше 0 °С).

Ко всем агрегатам и узлам системы питания предъявляются следующие основные требования:

• герметичность
• малые масса и габариты
• надежность
• коррозионная стойкость
• малые гидравлические сопротивления
• простота
• низкая стоимость обслуживания

Топливопроводы и агрегаты системы питания топливом должны быть расположены в моторном отделении ТС таким образом, чтобы при их неисправности капающее топливо не попадало на детали, имеющие температуру, способную вызвать его воспламенение.

Схема системы питания топливом мощного дизеля приведена на рисунке. В общем случае в систему питания топливом входят узлы, размещенные вне двигателя (на раме или в корпусе машины), и на двигателе. К первым относятся топливные баки бачок 7 для сбора топлива, предпусковой топливоподкачивающий насос 10, топливораспределительный кран 77, топливопроводы низкого давления и некоторые другие узлы. Ко вторым в первую очередь относятся основной топливоподкачивающий насос 8, топливный насос высокого давления (ТНВД) 5, форсунки 4 и топливопроводы высокого давления.

При работе двигателя топливо из топливных баков забирается основным топливоподкачивающим насосом и под давлением 0,05…0,1 МПа подается к ТНВД. По пути из баков к насосу топливо проходит через топливораспределительный кран, предпусковой топливоподкачивающий насос и фильтр 9 грубой очистки. Если на ТС установлен только один топливный бак или несколько баков, сообщающихся друг с другом, то топливораспределительный кран отсутствует. Перед поступлением в ТНВД из насоса топливо очищается от мельчайших примесей в фильтре 3 тонкой очистки. Нагнетательные секции ТНВД, приводимого в действие от коленчатого вала двигателя, в определенные моменты согласно рабочему циклу и порядку работы двигателя подают топливо под высоким давлением (до 50 МПа и более) в необходимом количестве к форсункам. Через форсунки, ввернутые в головку блока цилиндров, топливо впрыскивается в камеры сгорания в те моменты, когда в цилиндрах завершается такт сжатия.

Рис. Схема системы питания топливом мощного дизеля: 
1 — топливные баки; 2 — кран для выпуска воздуха; 3 — фильтр тонкой очистки; 4 — форсунки; 5 ТНВД; 6 — двигатель; 7 — бачок для сбора топлива; 8 — основной топливоподкачивающий насос; 9 — фильтр грубой очистки; 10 — предпусковой топливоподкачивающий насос; 11 — топливораспределительный кран; топливные трубопроводы обозначены сплошной линией; трубопроводы для удаления воздуха из системы обозначены пунктиром

Перед пуском двигателя заполнение системы топливом и подача его к ТНВД осуществляются с помощью предпускового топливоподкачивающего насоса. После пуска этот насос не функционирует.

Если в ТНВД и трубопроводы высокого давления, соединяющие его с форсунками, попадает воздух, то подача топлива в цилиндры нарушается. Следовательно, нарушается и нормальный режим работы двигателя. С целью предотвращения попадания воздуха в ТНВД на пути топлива к нему помещают воздухоотстойник, расположенный в самой высокой точке системы. Обычно воздухоотстойник размещают в крышке фильтра тонкой очистки. Перед пуском двигателя в случае необходимости скопившийся в воздухоотстойнике воздух отводят в воздушные полости топливных баков 1 через кран (клапан) 2 для выпуска воздуха. Для этого при неработающем двигателе открывают кран (клапан) и с помощью предпускового насоса прокачивают систему. В этом случае топливо вытесняет воздух из воздухоотстойника в воздушную полость топливного бака через топливораспределительный кран (как показано на рисунке) или напрямую.

Топливо, просочившееся в форсунках между иглой и распылителем, отводится по сливным трубопроводам в специальный бачок 7 или в какой-либо основной топливный бак.

Топливные баки служат для хранения топлива. Они могут иметь различную конфигурацию и вместимость в зависимости от конструкции конкретного ТС. Общая вместимость топливных баков определяется запасом хода машины (обычно не менее 500 км). Чаще всего баки изготавливает из листовой стали или высокопрочного пластика, стойкого к воздействию химически активного топлива. Для предотвращения коррозии внутренние поверхности стальных баков покрывают бакелитовым лаком, оцинковывают или лудят. С целью увеличения жесткости баков на их стенках иногда выштамповывают желоба, а внутри устанавливают несплошные перегородки, которые к тому же уменьшают площадь свободной поверхности топлива и ослабляют его колебанияbqвремя движения ТС.

Наливные горловины топливных баков обычно снабжают сетчатыми фильтрами. В нижней части баков размещают отстойники. Если бак имеет значительную вместимость, то слив топлива осуществляется через отверстие с пробкой и шариковым клапаном, расположенное выше отстойника. В этом случае используется специальный ключ-трубка со шлангом. Воздушное пространство баков соединяется с атмосферой через дренажные трубки или другие специальные устройства, которые должны исключать возможность попадания огня во внутреннюю полость бака и вытекания топлива при резких толчках ТС, а также (по возможности) обеспечивать очистку воздуха, поступающего в баки. Для замера количества топлива в баках раньше применялись измерительные стержни. В настоящее время для этой цели чаще всего используются электрические датчики поплавкового типа, посылающие электрический сигнал, пропорциональный уровню топлива, к соответствующему указателю на приборной панели ТС.

Основной топливоподкачавающий насос обеспечивает бесперебойную подачу топлива из баков к ТНВД при работающем двигателе. Он обычно приводится в действие от коленчатого или распределительного вала двигателя. Может применяться и автономный электродвигатель, питаемый от генератора ТС. Использование электропривода обеспечивает равномерную подачу топлива независимо от частоты вращения коленчатого вала и возможность аварийного отключения всей системы. Существуют различные конструкции топливоподкачивающих насосов. Они могут быть шестеренными, плунжерными (поршневыми) или коловратными (пластинчатого типа). Как правило, применяются плунжерные и коловратное насосы.

Плунжерный топливоподкачивающий насос состоит из корпуса 5, плунжера 7 с пружиной 6, толкателя 10 с роликом 77, пружиной 9 и штоком 8, а также клапанов — впускного 4 и нагнетательного 1 с пружинами. Толкатель с плунжером могут перемещаться вверх-вниз. Перемещение вверх происходит при повороте эксцентрика 72, изготовленного как одно целое с кулачковым валом ТНВД; перемещение вниз обеспечивают пружины 6 и 9.

При сбегании выступа эксцентрика с ролика толкателя плунжер под действием пружины б перемещается вниз, вытесняя топливо, находящееся под ним, в нагнетательную магистраль насоса. В это время нагнетательный клапан закрыт, а впускной под действием разрежения над плунжером открыт, и топливо поступает из впускной магистрали в надплунжерную полость. При движении толкателя и плунжера вверх впускной клапан закрывается под действием давления топлива, а нагнетательный, наоборот, открывается, и топливо из надплунжерной полости поступает в нижнюю камеру под плунжером. Таким образом, нагнетание топлива происходит только при движении плунжера вниз.

Если подачу топлива в цилиндры двигателя уменьшают, в выпускном трубопроводе насоса, а значит, и в полости под плунжером давление возрастает. В этом случае плунжер не может опуститься вниз даже под действием пружины 6, и толкатель со штоком перемещается вхолостую. По мере расходования топлива давление в нагнетательной полости понижается, и плунжер под действием пружины 6 опять начинает перемещаться вниз, обеспечивая подачу топлива.

Рис. Схема плунжерного топливоподкачиваюгцего насоса: 
1 — нагнетательный клапан; 2 — корпус насоса ручной подкачки топлива; 3 — поршень насоса ручной подкачки топлива; 4 — впускной клапан; 5 — корпус топливоподкачивающего насоса; 6, 9 — пружины; 7 — плунжер; 8 — шток; 10 — толкатель; 11 — ролик; 12 — эксцентрик кулачкового вала

Рис. Схема коловратного топливоподкачивающего насоса: 
1 — пружина редукционного клапана; 2 — редукционный клапан; 3 — перепускной клапан; 4 — пружина перепускного клапана; 5 — плавающий палец; 6 — пластина; 7 — ротор; 8 — направляющий стакан; А—В — камеры насоса

Плунжерный топливоподкачивающий насос обычно совмещен с насосом 2 ручной подкачки топлива. Данный насос устанавливается на входе в основной топливоподкачивающий насос и приводится в действие вручную за счет перемещения поршня 3 со штоком. При движении поршня вверх под ним образуется разрежение, открывается впускной клапан, и топливо заполняет подплунжерное пространство. При перемещении поршня вниз впускной клапан закрывается, а нагнетательный открывается, позволяя топливу пройти далее по топливной магистрали.

В мощных быстроходных дизелях применяются в основном коловратные топливоподкачивающие насосы. Ротор 7 насоса приводится во вращение от коленчатого вала двигателя. В роторе имеются прорези, в которые вставлены пластины 6. Одним (наружным) концом пластины скользят по внутренней поверхности направляющего стакана 8, а другим (внутренним) — по окружности плавающего пальца 5, расположенного эксцентрически относительно оси ротора. При этом они то выдвигаются из ротора, то вдвигаются в него. Ротор и пластины делят внутреннюю полость направляющего стакана на камеры А, Б и В, объемы которых при вращении ротора непрерывно меняются. Объем камеры А увеличивается, поэтому в ней создается разрежение, под действием которого топливо засасывается из впускной магистрали. Объем камеры В уменьшается, давление в ней повышается, и топливо вытесняется в нагнетательную полость насоса. Топливо, находящееся в камере Б, переходит от входного отверстия стакана к выходному. При повышении давления в нагнетательной полости до определенного уровня открывается редукционный клапан 2, преодолевая усилие пружины 7, и излишек топлива перепускается обратно во впускную полость насоса. Поэтому в нагнетательной полости и выпускном трубопроводе поддерживается постоянное давление. Перед пуском, когда двигатель и, следовательно, основной топливоподкачивающий насос не работают, топливо через него может прокачиваться предпусковым топливоподкачивающим насосом. В этом случае открывается перепускной клапан 3, преодолевая усилие пружины 4. В закрытом положении тарелка этого клапана перекрывает отверстия в тарелке редукционного клапана.

Перед пуском двигателя заполнение системы топливом и подача его к ТНВД осуществляются с помощью предпускового топливоподкачивающего насоса 70. Ранее были широко распространены насосы плунжерного и диафрагменного (мембранного) типов с ручным приводом. Однако в настоящее время все чаще применяются центробежные крыльчатые насосы с приводом от электродвигателя, питаемого электрической энергией аккумуляторной батареи. Они обеспечивают более быструю прокачку топлива, не требуют затрат мускульной энергии механика-водителя и могут использоваться в качестве аварийных при отказе основного топливоподкачивающего насоса.

Очистка топлива от механических примесей и воды происходит в фильтрах грубой 9 и тонкой 3 очистки. Фильтр грубой очистки, устанавливаемый перед основным топливоподкачивающим насосом 8, задерживает частицы размерами 20… 50 мкм, на долю которых приходится 80…90 % массы всех примесей. Фильтр тонкой очистки, помещаемый между основным топливоподкачивающим насосом и ТНВД, задерживает примеси размерами 2…20 мкм.

В настоящее время в силовых установках с дизелями применяют следующие типы фильтров грубой очистки: сетчатые, ленточно- и пластинчато-щелевые.

У сетчатых фильтров фильтрующим элементом является металлическая сетка. Из нее можно образовывать концентрические цилиндры, через стенки которых продавливается топливо, или дискообразные секции, нанизанные на центральную трубу с отверстиями в стенке, соединенную с выходным трубопроводом.

В ленточно-щелевом фильтре фильтрующим элементом служит гофрированный стакан с намотанной на него профильной лентой. Через щели между витками ленты, образованными за счет ее выступов, топливо из пространства, окружающего фильтрующий элемент, попадает во впадины между гофрированным стаканом и лентой, а затем — в полость между дном и крышкой стакана, откуда удаляется через выпускной трубопровод.

Фильтрующий элемент пластинчато-щелевого фильтра представляет собой полый цилиндр, составленный из одинаковых тонких кольцевых дисков с отгибными выступами. За счет этих выступов между дисками образуются зазоры. Топливо поступает к наружным и внутренним поверхностям цилиндра и, проходя через щели между дисками, очищается. Очищенное топливо через торцевые отверстия в дисках направляется в верхнюю часть фильтра к выходному отверстию.

Очень часто фильтр грубой очистки совмещают с отстойником для воды, находящейся в дизельном топливе. В этом случае необходимо периодически отворачивать пробку отстойника для удаления из него скопившейся воды.

В фильтрах тонкой очистки в качестве фильтрующих элементов обычно используют картонные элементы типа «многолучевая звезда» или пакеты из картонных и фетровых дисков. Реже применяют каркасы с адсорбирующей механические примеси набивкой (например, минеральной ватой), каркасы с тканевой или нитчатой обмоткой и др.