При разработке новых концепций в области организации рабочего процесса современных судовых дизелей ряд производителей пошли по пути замены стандартных ТНВД на топливные насосы с гидравлическим приводом плунжера и электронным управлением топливоподачей. В области малооборотных двигателей такие системы были разработаны фирмами MAN и Mitsubishi. Фирма Caterpillar в своих высокооборотных дизелях все шире внедряет электроуправляемые насос-форсунки с гидравлическим приводом.
Первый МОД с гидроприводной системой подачи топлива был выпущен фирмой Mitsubishi в 2002 г. и получил обозначение UEC Eco-Engine.
Параллельно с Mitsubishi, фирмой MAN на базе двигателей серии MC была разработана собственная версия системы впрыска топлива с электроуправляемым гидравлическим приводом. Двигатели, оборудованные данной системой, фирма выпускает с 2003 г. под индексом ME. Помимо топливоподачи в двигателях данной серии электронная система управляет работой выпускных клапанов, процессами пуска и реверсирования двигателя, смазкой цилиндров, а также регулированием частоты вращения.
Для впрыска топлива в рабочие цилиндры используются топливные насосы, которые, по сути, являются гидравлическими мультипликаторами давления. Конструктивно они проще своих механических аналогов. Так, применение гидравлики позволило отказаться от распределительного вала с его приводом, от механизмов регулировки цикловой подачи и управления фазами впрыска топлива (VIT). Плунжер не имеет регулирующих кромок, что существенно упрощает технологию его изготовления и повышает ресурс. Кроме того, элементы, служащие для подвода и подачи топлива в рабочие цилиндры под высоким давлением, не требуют каких-либо изменений как в конструктивном плане, так и в плане обслуживания. Здесь используются те же форсунки, трубопроводы высокого давления, соединительная арматура, что и в традиционных системах впрыска.
Топливный насос состоит из гидравлического цилиндра и втулки плунжера. В гидравлическом цилиндре размещается поршень, который механически связан с плунжером топливного насоса (рис. 2.1).
Диаметр приводного гидроцилиндра в несколько раз больше, чем у плунжера. Это позволяет во столько же раз увеличить давление топлива на выходе из насоса, поднимая его с 20 МПа у двигателей серии ME и 30 МПа у двигателей UEC Eco-Engine до 60...100 МПа. При этом, в отличие от ТНВД с механическим приводом, давление, под которым топливо подводится к форсунке, не зависит от частоты вращения двигателя, что значительно улучшает качество его сгорания на режимах частичных нагрузок.
У двигателей серии UEC Eco-Engine фирмы Mitsubishi роль аккумулятора давления выполняет полость в жестком корпусе блока насосов. Такое решение позволило использовать для привода ТНВД и выпускного клапана более высокое давление и дало возможность уменьшить количество масла в системе.
У двигателей серии ME фирмы MAN каждый блок насосов снабжен газовыми аккумуляторами давления с мембранным разделителем, которые обеспечивают устойчивую подачу масла и исключают возникновение опасных колебаний в управляющей масляной системе. Масло поступает к мембранным аккумуляторам давления из магистрали управления и от них — к распределительным устройствам топливного насоса, актуатора выпускного клапана, насоса-лубрикатора.
В топливных насосах двигателей серии UEC Eco-Engine используются двухступенчатые электроуправляемые распределительные устройства клапанного типа. Гидравлическая схема топливного насоса этого дизеля показана на рисунке 2.2а.
В дизелях серии ME используется двухступенчатый электроуправляемый распределительный механизм золотникового типа, схема которого показана на рисунке 2.2б. Распределительные механизмы топливных насосов и актуаторов выпускных клапанов, как правило, имеют идентичную конструкцию, а в ряде случаев являются унифицированными. Принцип действия и общее устройство золотниковых распределителей двигателей серии ME третьего поколения показаны на рисунке 2.3.
В корпусе распределительного устройства размещается главный золотник с нарезанными распределительными канавками.
Перемещение главного золотника осуществляется с помощью выступа, исполняющего роль гидравлического поршня. В полости, расположенные с обеих сторон выступа, масло поступает через так называемый «пилотный» золотниковый клапан с электрическим приводом.
Если сигнал отсутствует, золотник занимает среднее положение, центральной кромкой перекрывая сообщение полости приводного гидроцилиндра А с полостью высокого давления Б и сливной полостью В. Плунжер остается неподвижным, впрыск отсутствует (рис. 2.3а).
При поступлении электрического сигнала с блока управления масло подается в полость над управляющим выступом, перемещая его и весь золотник вниз. В результате полость гидравлического поршня А соединяется с полостью высокого давления Б, и поршень вместе с плунжером начинают двигаться вверх (рис. 2.3б).
При достижении давления открытия форсунки в цилиндре начинается впрыск топлива. Величина цикловой подачи зависит от величины хода плунжера на такте нагнетания, которая определяется продолжительностью открытия золотникового распределителя.
По окончании хода нагнетания управляющий клапан подает масло в полость под выступом, золотник перемещается вверх, соединяя полость А со сливной полостью В (рис. 2.3б). Масло освобождает полость гидравлического цилиндра, впрыск прекращается, плунжер возвращается в исходное положение.
Для сбора протечек в золотниковой паре корпус распределителя снабжен дополнительными дренажными полостями Г. Контроль за положением золотника и его перемещением осуществляется с помощью датчика обратной связи, который формирует и передает сигнал на электронный блок управления. Конструктивно распределительные устройства на разных моделях двигателей могут отличаться. Так, на рисунке 2.3г показан общий вид распределителя, у которого поршни для привода главного золотника размещаются по его торцам.
Момент подачи масла под поршень привода, а также начало его слива определяется поступлением управляющего импульса с электронного блока, которым оснащается каждый цилиндр двигателя.
Электронная система управления на основе микропроцессорной техники в сочетании с гидрообъемной системой привода ТНВД позволяет реализовывать различные способы подачи топлива в цилиндры, одиночный впрыск всей цикловой порции, предварительный впрыск так называемой пилотной порции топлива, предшествующий основному впрыску, многостадийный впрыск и т. д. Соответствующий закон подачи топлива может быть оптимизирован к конкретному режиму работы двигателя и может быть применен при приходе на этот режим.
Переход от одного алгоритма управления топливоподачей к другому может быть выполнен в промежуток времени между двумя последовательными впрысками.
Для обеспечения нормального функционирования гидрообъемного привода ТНВД, выпускного клапана и лубрикаторных насосов двигатели оборудуются системой управляющего масла.
Принципиальная схема системы двигателей серии ME фирмы MAN показана на рисунке 2.4.
Масло в систему отбирается из циркуляционной системы смазки двигателя. Перед поступлением в управляющую магистраль оно проходит дополнительную очистку в самоочищающемся фильтре, который задерживает механические примеси размером до 5 мкм. Далее масло подается на блок насосов. Часть насосов имеют привод от двигателя и обеспечивают подачу масла в систему под давлением 20 МПа во время работы дизеля.
Часть насосов имеют электрический привод и обеспечивают систему маслом под давлением 17,5 МПа во время пуска двигателя или при работе в аварийных ситуациях. После насосов масло поступает в аккумулирующую полость, позволяющую уменьшить пульсации давления. Далее по трубопроводам высокого давления масло подводится к каждому блоку насосов двигателя.
Для предотвращения травматизма при прорыве масляных магистралей их изготавливают двухслойными. Внутренняя полость используется как рабочая, которая снаружи покрыта защитным кожухом (рис. 2.5).
Для подачи масла в управляющую магистраль используются аксиально-плунжерные насосы с регулированием производительности путем изменения наклона приводного диска.
Размещение насосов на коробке приводов двигателя, схема работы насоса и его устройство показаны на рисунке 2.6.
Ход плунжеров в насосах данного типа зависит от угла наклона приводного диска к оси блока цилиндров. Изменение угла наклона диска посредством гидравлического механизма позволяет регулировать производительность насосов от нулевой подачи (приводной диск перпендикулярен оси приводного вала) до максимальной (приводной диск отклонен на максимальный угол). Это позволяет, независимо от частоты вращения двигателя, сохранять подачу масла в управляющую магистраль постоянной, поддерживая заданное давление в системе.
К преимуществам такого типа насосов можно отнести отсутствие у них клапанных механизмов. Жидкость, всасываемая или вытесняемая плунжерами, распределяется через серпообразные окна в опорно-распределительном диске и отверстия в блоке цилиндров. В мертвых точках плунжеров отверстия каждого цилиндра перекрываются нижней и верхней разделительными перемычками, находящимися между окнами. В результате такие насосы имеют достаточно высокий КПД при относительно небольшой неравномерности подачи, а при изменении направления вращения двигателя они сохраняют неизменным направление перекачивания жидкости.
