Admin

Совершенствуем конструкцию топливного насоса

Среднеоборотные двигатели ряда ЧН26/26, выпускаемые ОАО ХК «Коломенский завод», широко применяются почти во всех сферах транспорта и энергетики: на магистральных и маневровых тепловозах, судах, передвижных, стационарных судовых и блочно-модульных электростанциях, карьерных самосвалах.

При количестве цилиндров от 8 до 20 агрегатная мощность двигателей находится в диапазоне от 1000 до 4500 кВт, а цилиндровая мощность — от 125 до 260 кВт, в то время как параметры режима холостого хода и малых подач топлива практически одинаковы у дизелей с самой низкой и самой высокой форсировкой.

Широкий диапазон режимов работы дизелей определяет многогранность требований, предъявляемых к узлам топливной системы Они должны быть максимально адаптированы к определенной модификации дизеля и, в то же время, максимально унифицированы.


Один из наиболее ответственных и сложных узлов топливной системы — насос высокого давления На двигатели ЧН26/26 использованы индивидуальные топливные насосы золотникового типа, монтируемые в расточках V-образного лотка, в подшипниках которого установлен центральный распределительный вал с топливными и газовыми кулачками.

Схема насоса который монтировался на двигатели ЧН26/26 до 2000 г., по казана на рис.1 Корпус насоса разъемный — из двух частей. Нижняя алюминиевая часть 1 с бронзовой втулкой служит направляющей для толкателя 2. Верхняя часть 3 сделана из чугуна марки СЧ25 по ГОСТ 1412—85 В ней монтируются плунжерная пара 4, нагнетательный клапан 5, детали управления плунжером 8 и его возвратная пружина 9.

Герметичность стыка высокого давления между корпусом нагнетательного клапана и втулкой плунжера обеспечивается высокой точностью обработки торцовых поверхностей этих деталей, а стыка между корпусом клапана и нажимным штуцером 7 — специальной стальной омедненной прокладкой 6

Осевое усилие необходимое для затяжки стыков, создается резьбовым соединением между нажимным штуцером и корпусом насоса. Момент затяжки штуцера составляет 50 — 55 кгс м. Диаметр плунжера — 17 мм ход — 22 мм, цикловая подача — до 1 5 г/цикл, давление топлива над плунжером — до 120 МПа

Результаты эксплуатации дизелей ЧН26/26 различного назначения показали, что конструкция насоса надежна, проста в обслуживании и ремонте обеспечивает длительную наработку до 16000 и более часов без переборки и регулировки.

По мере накопления опыта эксплуатации и производства, специалисты завода совершенствовали конструкцию насоса. Так для повышения ресурса и надежности плунжерной пары введен подвод смазки к нижней части прецизионной поверхности А через сверления в толкателе и плунжере. Применена обработка плунжеров в глубоком холоде а контроль качества структуры их материала проводится по содержанию остаточного аустенита, что позволяет обеспечить стабильную структуру материала и размеров плунжеров. Соблюдение строгой геометрии прецизионной поверхности плунжеров и втулок, а также величины зазора в паре обеспечивается парным шлифованием.

Чтобы детали насоса работали дольше, втулки плунжера с объемной закалкой заменили азотируемыми. В результате снизился уровень остаточных напряжений и значительно повысилась износостойкость прецизионной поверхности. После изменения конструкции верхнего бурта втулки оптимизирован характер ее деформации и повышена надежность стыка высокого давления

Сечение и расположение дренажных каналов в направляющей толкателя изменены таким образом, чтобы исключить интенсивное наполнение маслом полости насоса и тем самым исключить течь по рейке.

Снижение коэффициента трения у деталей толкателя благодаря специальному антифрикционному покрытию втулки и усовершенствованию конструкции ролика позволило почти полностью исключить задиры роликов насосов и топливных кулачков распределительного вала.

Практически полностью прекратились разрушения чугунного корпуса насоса после изменения его геометрии в опасных сечениях и введения мер, исключающих ослабления крепления наcoca на лотке.

Внедрение перечисленных мероприятий позволило с минимальными затратами осуществлять серийный выпуск насосов указанной конструкции для дизелей малой и средней форсировки.

Рост агрегатной и удельной мощностей дизелей, ужесточение требований к их топливной экономичности с одновременным снижением содержания вредных выбросов в отработанных газах требуют значительно увеличить цикловую подачу при сокращении её продолжительности и повышении давления впрыскивания, что приводит к резкому увеличению нагрузки на все элементы насоса. Поэтому на заводе была разработана конструкция насоса, представленная на рис. 2.


Корпус насоса 4— неразъемный, из антифрикционного, легированного чугуна, со специальной накаткой направляющей поверхности А под толкатель 5. Толкатель значительно усилен. Его наружный диаметр увеличен с 52 до 74 мм, а диаметр ролика — с 40 до 56 мм, что обеспечивает передачу значительно больших, чем в предыдущей модификации, осевых усилий без повышения уровня контактных напряжений в паре кулачок—ролик, а также удельных нагрузок в остальных элементах толкателя. Одновременное увеличение диаметров распределительного вала и начальной окружности кулачка позволяет повысить скорость перемещения плунжера на 25 %.

Резьбовое крепление нажимного штуцера 2 заменено фланцевым 3 с применением специальных циклических шпилек 1. В результате этого обеспечивается равномерное распределение монтажной нагрузки в стыках высокого давления. Последовательность и величина момента затяжки шпилек — регламентированы. С введением высокоточной обработки сопряженных поверхностей убрали прокладку из стыка высокого давления между нажимным штуцером и корпусом нагнетательного клапана.

Конструкция насоса позволяет устанавливать плунжерные парь с диаметром плунжера от 17 до 20 мм, что обеспечивает цикловую подачу до 1,8 — 2,4 г/цикл и давление топлива над плунжером до 160 —180МПа.

Насосы данной конструкции прошли всесторонние испытания, применены на дизелях экспортных поставок и с 2001 г. внедряются на дизели ЧН26/26 различного назначения.

Ужесточение требований к экологическим параметрам рабочего процесса дизеля и, в первую очередь к снижению содержания окислов азота привело к необходимости поиска путей уменьшения максимальной температуры и давления газов в цилиндре при сохранении термодинамического к.п.д. дизеля. Одно из направлений решения этого вопроса — двухфазная подача топлива, позволяющая перевести основную часть впрыскиваемого топлива в область управляемой фазы и тем самым исключить чрезмерно резкий рост давления и максимальной температуры газов в цилиндре.

Для этого разработан вариант нового насоса с плунжерной парой оригинальной конструкции (патент РФ № 2161720), где обеспечиваются заданное соотношение подачи топлива в предварительной и основной фазах впрыскивания, оптимальная продолжительность паузы между предварительной и основной фазами, а также оптимальные величины углов опережения подачи топлива во всей области рабочих режимов двигателей.


Одновременно на заводе разработана и всесторонне испытана конструкция, позволяющая еще большую форсировку процесса подачи. Схема этого насоса показана на рис. 3. В отличие от двух предыдущих модификации насос оснащен плунжерной парой типа моноблок, без стыка высокого давления между плунжерной парой и нагнетательным клапаном. Это позволяет значительно поднять максимальное давление топлива над плунжером без опасности раскрытия стыка, а также уменьшить деформацию втулки от монтажных и рабочих нагрузок.

Конструкция моновтулки разработана на основании расчетно-экспериментального анализа ее напряженно-деформированного состояния с применением расчетного метода «конечных элементов» и учетом суммарного влияния рабочих и монтажных нагрузок.

Клапанный узел насоса включает нанетательный 1 и обратный 2 клапаны. Специальная настройка клапанного узла обеспечивает узкий диапазон остаточного давления, независимо от режима работы и уровня давления топлива, что позволяет исключить подвпрыски на режимах с большой подачей и, в то же время, сохранить благоприятные условия для стабильной подачи на режимах холостого хода и малых нагрузок.

Конструкция насоса позволяет достигать давления топлива над плунжером до 200 — 220 МПа, что открывает дополнительные возможности форсировки процесса подачи топлива дизелей ЧН26/26. Насосы такой конструкции успешно прошли опытную эксплуатацию на двух дизелях тепловозов ТЭП80 с агрегатной мощностью 4410 кВт при пробеге свыше 400 тыс. км


Последовательная и направленная работа по совершенствованию характеристик узлов традиционной гидромеханической системы подачи топлива обеспечивает получение достаточно высоких результатов. Однако значительно большие возможности оптимизации процесса подачи открываются с освоением принципиально новых систем с гибким, электронным управлением. Испытания различных вариантов таких систем специалисты завода проводят с 1978 г. Эти системы намечено внедрить в 2001 — 2002 гг. на промышленных образцах дизелей. На рис. 4 и 5 показаны два варианта конструкции топливного насоса с электронным управлением перепуском подачи для системы импульсного действия.

Вариант конструкции рис. 4 достаточно широко известен и, с небольшими конструктивными отличиями, применяется на опытных дизелях ряда зарубежных фирм. Характерный его признак — гидравлически уравновешенный нормально-открытый электрогидравлический клапан с коническим затвором, жестко связанным с подвижным якорем 1 электромагнита 2.

В период между впрысками электрический сигнал на обмотке магнита отсутствует, и топливо под действием перемещающегося плунжера не создает напора в магистрали, а свободно перетекает в полость низкого давления через открытое сечение под коническим запорным элементом клапана.

При подаче электрического управляющего сигнала клапан перемещается усилием электромагнита и запирает дренажное сечение. В последующей фазе работа системы практически аналогична традиционной гидромеханической. Момент начала подачи определяется фазой подачи электрического сигнала, а величина подачи — его продолжительностью.

Вышеизложенная схема позволяет оптимизировать один из основных параметров — угол опережения подачи — в зависимости от всех факторов, которые могут определять оптимальность настройки рабочего процесса дизеля, обеспечить различные варианты формирования закона подачи, включая многофазный и ступенчатый. Кроме того, обеспечиваются дозарядка системы до требуемого уровня остаточного давления после основного впрыска, отключение части цилиндров в любой комбинации, а также пассивная и активная коррекция по цилиндрам двигателя.


На рис. 5 показан вариант конструкции топливного насоса с управлением перепуском подачи, разработанный на Коломенском заводе. Особенности конструкции заключаются в следующем. Чтобы добиться минимальных искажений процесса подачи, клапанный узел максимально приближен к плунжерной паре и смонтирован непосредственно в насосе. Запорный элемент — золотниковый, что обеспечивает полную гидравлическую разгрузку клапана и устраняет дифференциальный эффект, который, как правило, бывает на конических запорных устройствах. Уменьшена масса подвижной части клапана для повышения его быстродействия.

В настоящее время на заводе проводят всесторонние испытания вышеприведенных, а также других вариантов топливных систем с электронным управлением. Завершение первого этапа этой работы (в первом полугодии 2002 г.) позволит оценить реальные возможности различных конструкций насосов и управляющих систем, отработать алгоритм управления двигателем для перспективного локомотива и перейти к заключительному этапу — внедрению в серийное производство в 2002 — 2003 гг.

Инженеры В.А. РЫЖОВ, П.В. КУЛАЕВ, ОАО ХК «Коломенский завод»

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin