Проблема разработки эффективных систем подачи топлива в камеру сгорания и его распыливания возникла практически одновременно с разработкой Рудольфом Дизелем его рационального двигателя. Поскольку первоначально предполагалось, что двигатель будет работать на угольной пыли, топливная система разрабатывалась применительно к этому топливу. Для подачи угольной пыли в цилиндры Дизелем была сконструирована воздушная система, в которой топливо вдувалось в камеру сгорания струей предварительно сжатого воздуха. Первые эксперименты вскрыли ряд сложностей, связанных, в первую очередь, с дозированием и подачей угольной пыли в рабочие цилиндры, поэтому в дальнейших экспериментах уголь был заменен на ламповый керосин. Успешные опыты с этим топливом надолго определили подходы к проектированию топливных систем, в первую очередь судовых дизелей. Долгое время на судовых двигателях использовалась так называемая компрессорная система подачи топлива, в которой для его распыливания использовался сжатый воздух.
Преимуществом этой системы была относительная простота конструкции и отсутствие высоких требований к точности изготовления основных элементов. Недостаток — наличие громоздкого воздушного компрессора, который потреблял 10...15% от мощности самого двигателя.
Рудольф Дизель (Rudolf Diesel)
Необходимо отметить, что, отказавшись от использования угольной пыли в качестве топлива, Р. Дизель предпринял попытку сконструировать систему подачи жидкого топлива с механическим распыливанием, однако низкий уровень технологий того времени не позволил получить удовлетворительных результатов. По этой причине в своих дальнейших работах изобретатель был вынужден вернуться к компрессорной системе распыливания, которая себя хорошо зарекомендовала во время предыдущих опытов.
В последующем многими конструкторами предпринимались попытки усовершенствовать компрессорную систему с целью сокращения ее габаритов и улучшения качества распыливания топлива. Делались попытки использования для распыливания топлива водяного пара, получаемого за счет утилизации теплоты отработавших газов, а также использовались и другие конструктивные решения, однако существенного прогресса в этом направлении достигнуто не было.
Первым, кому удалось построить бескомпрессорный двигатель с воспламенением топлива от сжатия, был русский ученый Густав Васильевич Тринклер. И хотя в разработанном им двигателе топливо подавалось в камеру сгорания с помощью воздушной форсунки, двигатель обходился без компрессора. Воздух для питания форсунки отбирался из цилиндра на такте сжатия и дожимался до более высокого давления специальным поршневым устройством, которое приводилось в действие от распределительного вала.
Безусловно, недостатки, присущие компрессорной системе подачи топлива, подталкивали многих инженеров и изобретателей к поиску альтернативных решений, тем более что приемлемые конструкции были известны и испытаны еще до появления дизельного двигателя. Еще в 1891 г. английская компания Richards Hornsby & Sons производила плунжерные насосы, по принципу действия напоминающие современные. Однако для уплотнения плунжера в таких насосах использовался комплект сальников, что не позволяло получить достаточно высоких давлений, необходимых для качественного распыливания топлива. Только в 1912 г. американец Отто Перссон (Otto Persson) предложил отказаться от системы сальниковых уплотнений, заменив их точной (прецизионной) подгонкой плунжера и втулки.
На дизельных двигателях плунжерные насосы, разработанные Джеймсом МакКекни (James McKechnie), впервые применены в 1910 г. английской компанией Vickers. Насосы имели пружинный привод, в котором энергия, необходимая для перемещения плунжера, накапливалась с помощью кулачкового механизма за счет сжатия пружины. В момент, соответствующий началу подачи, кулачок освобождал пружину и она приводила плунжер в действие.
Важным аспектом использования того или иного типа топливной системы является возможность точного дозирования цикловой порции топлива в зависимости от режима работы двигателя.
В ранних конструкциях топливных насосов плунжерного типа использовался принцип изменения хода плунжера. В 1886 г. американский изобретатель Джон Голланд (John Holland) получил патент на насос, у которого для привода плунжера использовались кулачки с конической образующей. Осевое перемещение кулачкового вала позволяло изменять ход плунжера во втулке.
Рудольф Дизель в 1900 г. при разработке плунжерного топливного насоса использовал регулирование цикловой подачи с помощью перепускного клапана (американский патент № 654 140). Момент закрытия клапана и начало нагнетания топлива определялись величиной зазора в механизме привода. Зазор, в свою очередь, зависел от положения специальной клиновой проставки, вводимой в зазор между торцом штока клапана и подпружиненным упором, совершающим вместе с плунжером возвратно-поступательное движение. Система оказалась недостаточно надежной, и от нее пришлось отказаться, однако сам принцип клапанного регулирования был впоследствии значительно усовершенствован. Уже в 1903 г. немецкий инженер Имануэль Ланстер (Imanuel Lanster) получает американский патент № 729613 на топливный насос высокого давления, в котором цикловая подача топлива регулировалась с помощью специальных клапанов, приводимых в действие от плунжера. С незначительными изменениями этот принцип регулирования применяется на судовых дизелях и до настоящего времени.
В 1892 г. Карлом Пипером (Carl Pieper) был получен германский патент №66 057 на топливный насос плунжерного типа, у которого регулирование подачи осуществлялось за счет наклонной кромки, нанесенной на плунжер. При проворачивании плунжера менялось взаимное расположение кромки и наполнительного отверстия во втулке. В результате этого изменялась величина активного (нагнетательного) хода плунжера при неизменной величине полного хода. По сути, это был первый топливный насос с золотниковым регулированием по началу подачи. В 1895 г. Уильям Скотт (William Scott) получает английский патент № 9403 на аналогичную конструкцию, но уже с регулированием по началу и концу подачи. Практически в неизменном виде золотниковый принцип регулирования используется и до настоящего времени на большинстве дизельных двигателей, выпускаемых во всем мире.
Важной проблемой, с которой столкнулись разработчики первых топливных систем непосредственного действия, была проблема коксования распылителей форсунок. Это происходило в результате повисания на кончиках распылителей капель топлива в конце процесса впрыска. Для предотвращения коксования необходимо было резко сбросить давление в топливной магистрали. Первому удалось решить эту проблему в 1910 г. американскому инженеру Герберту Кемптону (Herbert Kempton), который разделил надплунжерную полость и трубопровод высокого давления обратным (нагнетательным) клапаном с дросселирующим отверстием, через которое часть топлива возвращалась в надплунжерную полость на обратном ходе плунжера. Однако более радикально проблему удалось решить в 1913 г. Карлу Стенбекеру (Karl Steinbecker), который предложил использовать для разгрузки топливной магистрали небольшой цилиндрический поясок, расположенный непосредственно под нагнетательным клапаном. В современном виде нагнетательный клапан с разгрузочным пояском был предложен в 1924 г. Акселем Даниэльсоном (Axel Danielson), инженером шведской компании Atlas Diesel.
Альтернативным путем развития топливных систем стало объединение в одном агрегате топливного насоса и форсунки. Это позволило избавиться от множества проблем, связанных с наличием достаточно большого объема топлива, находящегося в соединительной магистрали между топливным насосом и форсункой. Первая попытка объединить насос и форсунку в один агрегат была предпринята в 1911 г. Фредериком Ламплаучем (Frederick Lamplough), который получил британский патент № 1517 на устройства, напоминающие те, которые используются сегодня.
Коммерческое использование насос-форсунок было впервые начато в Соединенных Штатах с 1931 г. на двигателях Winton. В 1934 г. Артур Филден (Arthur Fielden) получил патент США № 1 981 913 на конструкцию насос-форсунки для двухтактных дизельных двигателей фирмы General Motors, которая используется и до настоящего времени.
Конструкция закрытых форсунок с игольчатым клапаном и струйным распылителем, широко применяемая сегодня на всех типах судовых дизелей, была предложена в 1910 г. английским инженером Фредериком Ливенсом (Frederick Livens). Штифтовая форсунка, распространенная на двигателях с разделенными камерами сгорания, была впервые предложена в том же году Питером Боуменом (Peter Bowman).
В качестве существенного преимущества современных топливных систем рассматривается возможность подачи цикловой порции топлива путем нескольких последовательных впрысков. Следует отметить, что сама идея разделить цикловую подачу на отдельные порции принадлежит французскому инженеру Луи Гастону Сабате (Louis Gaston Sabathe). В 1908 г. он запатентовал конструкцию форсунки с пневматическим распыливанием топлива, в которой и был реализован принцип двух последовательных подач (патент США № 437 651). В двигателях Сабате первая подача топлива осуществлялась до прихода поршня в ВМТ и позволяла обеспечить подвод теплоты практически при постоянном объеме (изохорный подвод теплоты). Вторая порция поступала, когда поршень уже двигался вниз, обеспечивая подвод теплоты практически при постоянном давлении (изобарный подвод теплоты). Таким образом, в двигателях Сабате был реализован цикл со смешанным подводом теплоты, который ранее был получен в двигателях, построенных Г. В. Тринклером. В западной литературе данный цикл до сих пор некоторыми авторами называется циклом Сабате. Однако если вопрос о том, кому же принадлежит приоритет на цикл со смешанным подводом теплоты, остается дискуссионным, то первенство на использование разделенного впрыска топлива, безусловно, принадлежит Сабате.
В 1913 г. фирма Vickers разработала аккумуляторную топливную систему, в которой многоплунжерный насос нагнетал топливо в объемный аккумулятор под давлением 35 МПа. Оттуда топливо распределялось по цилиндрам и впрыскивалось механическими форсунками. Позже подобную систему на своих малооборотных двигателях использовала английская фирма Doxford. В современной литературе подобные системы впрыска топлива получили название Common Rail и все более широко внедряются на транспортных дизелях. В сочетании с возможностью управления процессом топливоподачи с помощью контроллеров на основе микропроцессорной техники использование системы Common Rail значительно расширяет возможности современных дизелей.
Для управления процессами топливоподачи в судовых дизелях с системами Common Rail широко используется электромагнитный привод управляющих клапанов, или золотников. Следует отметить, что идея управления процессом впрыска с помощью электромагнитного соленоида впервые была высказана американским инженером Томасом Гаффом (Thomas Gaff), который получил на эту идею патент США № 1 059 604 в 1913 г.
Важной вехой в истории создания топливных систем дизелей следует считать 1922 г. В декабре этого года немецкая компания Robert Bosch в Штутгарте приступила к производству топливной аппаратуры для дизельных двигателей. До этого каждый производитель двигателя делал агрегаты топливных систем самостоятельно, исходя из собственных технических и технологических возможностей. Фирма Bosch стала первой специализированной компанией, наладившей выпуск широкой номенклатуры агрегатов и элементов топливных систем дизелей, в том числе и судовых. Узкая специализация позволила значительно повысить качество производимой продукции, благодаря чему фирма и сегодня остается одним из мировых лидеров в области производства комплектующих топливных систем.
Помимо фирмы Bosch ведущими мировыми производителями комплектующих топливных систем на сегодня являются фирмы Sulzer (Швейцария), Brice (Великобритания), Motorpal (Италия), MAN (Германия), Frieman-Mein (Австрия), L’Orange (Германия) и др.
На протяжении последних десятилетий развитие электроники позволило сначала на двигателях малой размерности, а затем на средне и малооборотных дизелях внедрить системы контроля и управления на основе микропроцессорной техники. Основными пунктами при разработке таких систем является управление процессами топливоподачи, а также газораспределением, смазкой цилиндров, пуском и реверсом двигателя.
Первые малооборотные двигатели с электронным управлением рабочим процессом были введены в эксплуатацию фирмой Sulzer в 2001 г., а фирмой MAN — в 2003 г. Задача внедрения электронного управления заключалась в оптимизации рабочего процесса двигателей, сокращении вредных выбросов с выхлопными газами и снижении удельного расхода топлива. Использование электронных систем позволило повысить гибкость в управлении углом опережения впрыска, законом подачи, а также дало возможность оптимизировать параметры топливоподачи во всем диапазоне рабочих режимов двигателя.
Фирма Sulzer, разработки которой в области МОД в настоящее время унаследовала фирма Wärtsilä, пошла по пути внедрения системы Common Rail на своей новой серии двигателей, получившей название RT-Flex. Фирмы MAN и Mitsubishi разработали системы топливоподачи с гидравлическим приводом ТНВД, который управляется через систему электромагнитных клапанов от электронного блока управления. Двигатели фирмы MAN, оборудованные подобными системами, обозначаются индексом ME, а двигатели фирмы Mitsubishi получили название UEC Eco-Engine.
В средне и высокооборотных двигателях наряду с традиционными системами топливоподачи ведущие производители широко внедряют системы Common Rail различных модификаций.
На высокооборотных двигателях (фирмы Caterpillar, Cummins, Perkins) широко внедряются насос-форсунки с электромагнитными управляющими клапанами.
В настоящее время топливная система судового двигателя является составной частью общесудовой топливной системы, в которую кроме нее входят:
- система приема и хранения топлива;
- система топливообработки и подачи топлива к двигателям.
Далее будут подробно рассмотрены топливные системы современных судовых дизелей, их элементы и схемные решения. При этом предполагается, что топливо к двигателям подается после предварительной обработки в том виде, в котором оно может быть далее использовано. Предварительная обработка производится для удаления из топлива механических примесей и воды, улучшения его физических свойств, снижения коррозионной активности, повышения способности топлива к самовоспламенению и сгоранию. Для этого топливо проходит предварительную обработку, заключающуюся в отстаивании, сепарировании, фильтрации, подогреве тяжелого топлива. В некоторых случаях процесс топливоподготовки может включать в себя химические, гидродинамические и другие виды воздействия. Особое внимание предварительной обработке уделяется при использовании тяжелых топлив.
Топливная система двигателя — это совокупность устройств и агрегатов, которые служат для:
- подвода подготовленного топлива к элементам топливной системы;
- дозирования топлива в соответствии с режимом работы двигателя и для подачи отмерянных порций топлива в цилиндры в соответствии с порядком их работы;
- подачи топлива в цилиндр на определенном участке рабочего цикла по заданному закону;
- распределения топлива по камере сгорания в соответствии с принятым способом смесеобразования.
Из всего многообразия конструктивных схем топливных систем на судовых дизелях нашли применение системы непосредственного действия и аккумуляторные системы впрыска топлива.
Независимо от выбранной схемы, топливные системы судовых дизелей состоят из контуров высокого и низкого давлений.
Контур низкого давления представляет часть топливной системы дизеля, которая служит для окончательной подготовки и подачи топлива к контуру высокого давления. Она включает в себя топливопроводы, насосы, фильтры, смесители и подогреватели топлива.
Контур высокого давления — это часть топливной системы дизеля, которая служит для подачи топлива в камеры сгорания двигателя под высоким давлением.
В системах непосредственного действия подача топлива к форсунке происходит во время нагнетательного хода плунжера ТНВД. В аккумуляторных системах впрыск топлива в камеру сгорания осуществляется из специального накопителя, называемого аккумулятором, в который топливо предварительно закачивается под высоким давлением.
