Топливная система и аппаратура

ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА И АППАРАТУРА

НАЗНАЧЕНИЕ И СХЕМЫ ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ ДИЗЕЛЯ

На топливную систему возлагаются задачи: очищать топливо от механических примесей, подавать (впрыскивать) его в цилиндры в нужный момент в мелкораспыленном виде и обеспечивать распределение впрыснутого горючего по всему объему камеры сгорания для лучшего перемешивания с воздухом, а также отмеривать (регулировать) количество топлива, вводимого в цилиндры. Только при исправной топливной аппаратуре дизель работает экономично, устойчиво, без перебоев и развивает необходимую мощность.
Основные элементы топливной аппаратуры — насосы высокого давления, форсунки, фильтры, нагнетательные трубопроводы — вместе с топливным баком и подкачивающим насосом образуют топливную систему. Знакомство с топливной аппаратурой начнем с рассмотрения схемы топливной системы (рис. 71).

Рис.71. Схема топливной системы дизеля

Посмотрим, как осуществляется подача топлива в цилиндры. Топливо из бака подается к топливному насосу высокого давления вспомогательным шестеренным насосом. По пути из бака оно очищается в двух фильтрах: предварительной (грубой) очистки и более тщательной (тонкой) очистки. Удаление мельчайших твердых частиц, разными путями попавших в топливо, уменьшает износ и, следовательно, увеличивает срок службы высокоточных (прецизионных) деталей насоса и форсунки.
Топливный насос высокого давления приводится в действие кулачком кулачкового вала, соединенного зубчатой передачей с коленчатым валом дизеля. В четырехтактном дизеле кулачковый вал топливных насосов так же, как и распределительный вал газораспределения, вращается вдвое медленнее коленчатого вала, в двухтактном — с той же скоростью. При набегании выступа кулачка на плунжер насоса он (плунжер), перемещаясь, выталкивает топливо по нагнетательной трубке к форсунке, из которой оно под давлением в несколько сотен атмосфер впрыскивается в камеру сгорания дизеля. От топливного насоса и форсунки, как видно из схемы, отходят трубки, по которым сливается в бак топливо, просочившееся через зазоры между деталями. Шестеренным насосом топлива подается больше, чем впрыскивается в цилиндр. Избыток топлива также по трубопроводу сливается в топливный бак.
Запас топлива в баке по мере его расходования обычно через 1000 км пробега тепловоза периодически пополняется, когда тепловоз находится в пунктах экипировки. Вместимость топливного бака мощных магистральных тепловозов доходит до 5000— 6000 л.
Прежде чем перейти к описанию топливного насоса и форсунки, выясним, для чего нужно распыливать топливо при впрыске в цилиндры.

РАСПЫЛИВАНИЕ ТОПЛИВА

Распыливание представляет процесс раздробления на мельчайшие частицы порции топлива, впрыскиваемого в цилиндр форсункой. При распыливании топлива общая поверхность его, соприкасающаяся с воздухом, резко возрастает. Для примера возьмем каплю дизельного топлива диаметром 0,35 мм и раздробим ее так, чтобы из нее образовались мельчайшие капельки диаметром 0,01 мм. Число капелек составит примерно 43 000. Допустим, что все капельки имеют форму шара. Определим поверхность одной капли диаметром 0,35 мм.
Геометрия учит, что для определения полной поверхности шара нужно величину его диаметра возвести в квадрат и умножить на число 3,14 (число пи). Следовательно, поверхность капли, имеющей диаметр 0,35 мм, будет равна 0,352 х З,14 = 0,122 х З,14 = 0,382 мм2, а поверхность маленькой капельки с диаметром 0,01 мм составит 0,012 х З,14 = 0,0001 X 3,14 = 0,000314 мм2. Поверхность же всех 43 000 капелек диаметром 0,01 мм будет равна 43 000 х 0,000314 = 43 х0,314 = 13,50 мм2, в то время как поверхность одной капли диаметром 0,35 мм равна только 0,382 мм2. Это значит, что при дроблении капель диаметром 0,35 мм общая поверхность их резко возрастает. В нашем случае образование капелек диаметром 0,01 мм из капли диаметром 0,35 мм сопровождается возрастанием общей поверхности более чем в 35 раз.
Чем меньше диаметр капель топлива, тем быстрее они нагреваются, лучше смешиваются с кислородом горячего воздуха, а это улучшает их сгорание. Но очень маленькая капля будет иметь небольшую кинетическую энергию. Это затруднит забрасывание частиц топлива в удаленные от форсунки участки пространства цилиндра. Поэтому наиболее выгодная степень распыленности топлива определяется для каждого типа дизеля. В цилиндр тепловозного дизеля в зависимости от развиваемой мощности, числа цилиндров и частоты вращения коленчатого вала за один цикл впрыскивается от 0,07 до 1,0 г топлива. Струя топлива, впрыскиваемого в цилиндр дизеля, распадается на миллиарды капель, превращаясь в пылеобразное облачко.
В обычных условиях (при малых давлениях и в неограниченный промежуток времени) осуществить распыливание жидкости не так уж сложно, примером чего может служить обыкновенный пульверизатор. Но в условиях дизеля задача осложняется тем, что распыливание нужно осуществить в плотную среду сжатого воздуха за тысячные доли секунды (0,002—0,008 с), которые отведены для этого. Начало и конец распыливания должны быть резкими, четкими, иначе топливо будет выходить из отверстий форсунки с малой скоростью (подтекать). В этом случае топливо плохо сгорает и превращается в нагар, который будет оседать вокруг распыливающих отверстий форсунки. Образовавшийся нагар, постепенно нарастая, затруднит впрыскивание топлива и его перемешивание с воздухом, что неизбежно приведет к ухудшению работы дизеля и увеличению расхода горючего.
Что же нужно сделать, чтобы хорошо распылить топливо за весьма короткий промежуток времени?
Надо топливо подавать через форсунки под высоким давлением 19,6— 117 МПа (200—1200 кгс/см2). Благодаря такому давлению скорость истечения топлива через распыливающие отверстия возрастает и процесс впрыска происходит в очень короткий промежуток времени. Скорость струи топлива, выходящей из форсунки, достигает 250—350 м/с. Для сравнения напомним, что скорость звука 330 м/с. Большая скорость способствует дроблению струи в камере сгорания и увеличивает дальность полета отдельных частиц топлива («дальнобойность» струи), которые движутся в плотной среде сжатого воздуха и должны распределиться по всему объему камеры. Давление впрыска рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить необходимую «дальнобойность» струи, но при этом топливо не должно попадать на стенки цилиндра, чтобы не охлаждать их.
Таким образом, насосы, подающие топливо в цилиндры дизеля, должны создавать высокое давление.

ФОРСУНКИ

Сами по себе топливные насосы только нагнетают топливо под большим давлением, а распыливание осуществляется форсунками. Форсунка является неотъемлемым спутником топливного насоса, и работают они совместно. Насос соединяется с форсункой нагнетательной трубкой. Чем короче трубка, тем лучше, так как впрыск (подача) микроскопических порций топлива становится более точным.

Рис. 80. Схема устройства форсунки закрытого типа

Преимущественное распространение на тепловозных дизелях получили форсунки закрытого типа, имеющие распылитель с запорной иглой. Они называются закрытыми потому, что запорная игла после впрыска топлива разобщает цилиндр от объема топливного трубопровода высокого давления. По нагнетательной трубке (рис. 80), выдерживающей большие давления, топливный насос подает топливо к форсунке. Однако сразу к распыливающим отверстиям топливо пройти не может, так как путь ему преграждает игла, конус которой плотно притерт к седлу корпуса распылителя форсунки.
Для впрыска топлива необходимо приподнять иглу, прижатую пружиной. Это осуществляется за счет высокого давления топлива. Впрыскивание происходит, когда давление топлива, действующее на кольцевой заплечик иглы, создает усилие, достаточное для сжатия пружины при подъеме иглы. Тогда топливо со значительной скоростью устремляется в цилиндр дизеля через распиливающие отверстия, расположенные за иглой в нижней части корпуса распылителя (соплового наконечника). Начальное давление впрыска, необходимое для поднятия иглы и определяемое затяжкой пружины, обычно равно 19,6 — 31,3 МПа (200—320 кгс/см2).

Рис. 81 Усилия, действующие на иглу форсунки дизелей типа Д100
а-при закрытом; б- при открытом положении иглы

Едва игла оторвется от своего седла, как действующее на нее усилие со стороны топлива возрастает. Дело в том, что при закрытом положении иглы давление топлива действует не на всю поверхность конусной части. Когда игла начинает пропускать топливо к распыливающим отверстиям, общее усилие на нее возрастает за счет увеличения площади, на которую действует давление топлива (рис. 81).
После прекращения подачи топлива насосом давление падает, и игла под воздействием пружины тотчас опускается. При быстром закрытии (отсечке) возможность подтекания, просачивания топлива из распылителя форсунки исключается. Этому способствует также следующая особенность работы топливного насоса.

Рис. 82. Разрез форсунки дизелей 10Д100, 2 Д100

В момент отсечки (прекращении подачи топлива плунжером) на какое-то время нагнетательная полость топливного насоса, нагнетательная трубка и полость форсунки соединяются через окно А (см. рис. 73) с полостью низкого давления. За счет этого давление топлива перед иглой форсунки резко падает. Это положительно сказывается на четкой, без подтекания работе форсунки.
Подъем иглы форсунки в момент впрыска обычно ограничивается упором (ограничителем) и в тепловозных дизелях не превышает 0,7 мм. Форсунки дизелей типов Д100 и Д50 имеют, например, максимальный подъем иглы, равный 0,45 мм (рис. 82). Несмотря на такую малую величину подъема, площадь проходного сечения под конусом иглы в несколько раз больше суммарной площади распиливающих отверстий.
Для равномерного распределения топлива по камере сгорания имеется несколько распыливающих отверстий. Форсунка дизеля 10Д100 имеет три отверстия диаметром 0,56 мм каждое, форсунки дизелей 11Д45 и Д50 — восемь и девять отверстий соответственно диаметром 0,4 и 0,35 мм.
На дизелях 10Д100 в каждом цилиндре имеются две форсунки, расположенные одна против другой. Для большей плотности, чтобы в местах их соединения с цилиндром не просачивались ни газы, ни охлаждающая цилиндры вода, форсунки крепятся с помощью промежуточной (переходной) детали, называемой адаптером.
Главной деталью форсунки (см. рис. 82) является распылитель, состоящий из корпуса распылителя и иглы, которая притирается к корпусу распылителя по цилиндрической и конической (запирающей) поверхностям. Этим достигается плотность этой пары и легкость перемещения иглы в распылителе. Игла прижимается к конусу корпуса распылителя усилием пружины, которое передается через тарелку, толкатель и ограничитель.
Топливо, поступающее от насоса, проходит щелевой фильтр, задерживающий случайно попавшие в топливо крупные частицы грязи, и направляется по пазам и каналам в полость, окружающую нижний конец иглы. Далее форсунки работают так, как описано выше.
Давление топлива, которое испытывают распылители, как подчеркивалось выше, может МПа (1000 кгс/см2), времени, в течение которого происходит впрыск горючего под таким давлением, чрезвычайно малы: на впрыск отводятся тысячные доли секунды. В остальное время между конусом иглы и конусом корпуса распылителя не должно просочиться в цилиндр дизеля ни капли топлива! Лишь несколько капель в минуту может проникнуть в отлив через зазор между их цилиндрическими поверхностями. Чтобы игла не «заедала» и при этом узкий поясок конуса иглы плотно прилегал к такому же пояску на конусе корпуса распылителя, между этими деталями все же должен быть зазор, но в пределах 0,002—0,004 мм (2—4 мкм). Как же решается эта в высшей степени трудная задача?

Рис. 83. Несоосность расположения поверхности иглы и поверхности конуса

Пока еще распылители изготовляются с недостаточной точностью. Несоосность цилиндрических и конических поверхностей иглы и корпуса (рис. 83) и их некруглость могут быть и не более 2—4 мкм, но для каждой детали в отдельности. В сумме же из-за неточности изготовления обеих деталей может возникнуть положение, показанное на рисунке. Мы видим, что цилиндр и конус иглы сдвинулись и упираются в разные стороны цилиндра и корпуса распылителя. В результате возникает щель (на рисунке изображена в увеличенном виде), через которую топливо все время будет протекать в цилиндр дизеля. Для того чтобы обойти эту трудность, в тепловозных дизелях в настоящее время поступают так. На конус иглы накладывают абразивный материал (пасту) и на доводочном станке притирают иглу с корпусом до тех пор, пока часть металла конусов сточится настолько, что будет обеспечен контакт по всей окружности сопрягаемых поверхностей (поясков). Беда, однако, в том, что в процессе работы этот контакт довольно быстро нарушается. Тогда приходится снимать форсунки с дизеля, проверять, как они распиливают топливо, и снова притирать поверхности иглы к корпусу. Это отнимает много времени.
А что если иглу и корпус распылителя изготовить (на точных станках) так, чтобы максимальные допуски на несоосность и некруглость обеих деталей в сумме были меньше, чем зазор (см. рис. 83) в цилиндрической части распылителя? Тогда станет возможным иглу сразу вставить в корпус, и она без совместной притирки так точно ляжет пояском своей конической поверхности на поверхность корпуса распылителя, что топливо при закрытой (прижатой) игле не просочится в цилиндр дизеля. Такой «замок» служит надежно и долго (несколько тысяч часов без осмотра и ремонта). Подобная сборка получила название селективной (групповой). В этом случае все корпуса распылителей и иглы заранее распределяют по соответствующим группам в зависимости от диаметров цилиндров, подбирая их так, чтобы между цилиндром иглы и цилиндром корпуса распылителя был зазор б порядка 0,002— 0,004 мм (2—4 мкм). Иными словами, суммарные их отклонения (неточности, допуски) на геометрию конуса и корпуса, получаемые при изготовлении, всегда окажутся меньше этого зазора и не будут препятствовать плотному прилеганию конических поверхностей, обеспечивая тем самым плотность распылителя.
Посмотрим теперь, как осуществляется подача топлива в многоцилиндровом дизеле 10Д 100 (рис. 84). Топливо всасывается из бака шестеренным топливопрокачивающим насосом, но при этом проходит через фильтр, где осуществляется предварительная (грубая) очистка. На трубопроводе, по которому топливо от насоса движется к другому фильтру—фильтру тонкой очистки, установлен предохранительный (перепускной) клапан. Его назначение в том, чтобы не допустить повышения давления перед этим фильтром более 0,44—0,49 МПа (4,5—5 кгс/см2) при нормальном (рабочем) давлении 0,29—0,34 МПа (3—3,5 кгс/см2). Если давление станет больше, клапан сработает, и топливо, как видно на схеме, сбрасывается через клапан в бак. После фильтра тонкой очистки топливо подается под давлением 0,14—0,24 МПа (1,5—2,5 кгс/см2) в топливный коллектор (трубопровод), от которого оно сразу поступает во всасывающую полость топливных насосов. Давление топлива за фильтром будет мало, если его слив обратно в бак не ограничить. Поэтому в системе предусмотрен еще один клапан — разгрузочный, который осуществляет слив части топлива в бак, в то же время создавая в топливном коллекторе подпор, необходимый для улучшения наполнения надплунжерных полостей насосов при их работе. Подкачивающий насос подает в несколько раз больше топлива, чем нужно для работы дизеля. Сделано это для того, чтобы поддерживать достаточное избыточное давление в топливном коллекторе. Излишки топлива, как указывалось, сбрасываются через разгрузочный клапан обратно в бак.
Топливные насосы приводятся в действие от двух кулачковых валов, расположенных с обеих сторон блока дизеля. Топливо, просочившееся через зазоры прецизионных пар насосов и форсунок, по отдельным трубкам самотеком сливается в бак тепловоза.

Рис. 84. Схема подачи топлива в цилиндры дизеля 10Д100

Зимой топливо в баке может загустеть от холода настолько, что подкачивающий насос не засосет его и не подаст к насосам высокого давления. Чтобы этого не случилось, в сливной трубопровод включен подогреватель топлива, в котором оно нагревается горячей водой, идущей от дизеля. Предусмотрено также в зимнее время применять зимние марки топлива, а в летнее — летние сорта топлива.

В начало статьи
<< Назад --------------------------------- Дальше >>

 

ДЛЯ ЧЕГО НУЖНЫ РЕГУЛЯТОРЫ?

Не исключена возможность, что в процессе работы по каким-либо причинам нагрузка на дизель упадет сразу до нуля. В этом случае, если не иметь специальных устройств, произойдет авария: частота вращения коленчатого вала дизеля, в цилиндры которого продолжает поступать топливо в прежнем количестве, может превысить допустимое значение. В результате значительно увеличатся центробежные силы вращающихся деталей, силы инерции возвратно-поступательных масс и двигатель может разрушиться.
Ясно, что машинист физически не успеет проследить за таким быстрым изменением нагрузки, В этом исключительном случае надо человека заменить автоматом, что и предусмотрено. Регулятор безопасности (предельный регулятор) дизелей 10Д100 и 2Д100 при увеличении частоты вращения коленчатого вала выше установленной, т. е. при 940—980 об/мин, воздействует на рычаг выключения подачи топлива, который переводит рейки топливных насосов в положение нулевой подачи. На дизелях 11Д45А выключается подача топлива при 840—870 об/мин, на 2Д70 — при 1080—1120 об/мин, а на 5Д49 — при 1150—1200 об/мин. Предельный регулятор дизелей Д50, 2Д50М и ПД1М при 840—870 об/мин приводит в действие механизм, который стопорит толкатели топливных насосов, удерживая их в верхнем крайнем положении.
Предельный регулятор, как показывает само название, решает только одну задачу — совершенно прекращает доступ топлива в цилиндры дизеля, когда частота вращения коленчатого вала превысит допустимую величину. Чтобы решить другую не менее важную задачу — поддерживать постоянную частоту вращения независимо от изменения нагрузки, кроме регулятора безопасности, на дизелях устанавливают регулятор частоты вращения.
Зададим себе такой вопрос: что является нагрузкой для тепловозного дизеля? Нагрузка дизеля — это мощность, которую от него отбирают передача (электрическая, гидравлическая и т. п.) к движущим колесам тепловоза и вспомогательные агрегаты (поездной компрессор, вентилятор холодильника дизеля и др.).
Время проследования поезда по участку задается графиком движения. Для того чтобы выполнить график, тепловоз должен развивать достаточную мощность, которая зависит от частоты вращения вала дизеля и количества топлива, подаваемого в цилиндры.
Частота вращения вала дизеля устанавливается машинистом тепловоза с помощью специального устройства — контроллера. В зависимости от массы поезда, трудности профиля и заданной скорости движения по участку машинист устанавливает в то или иное положение рукоятку контроллера. В дальнейшем отбор мощности, соответствующей заданной контроллером частоте вращения вала дизеля, должен автоматически обеспечиваться передачей тепловоза.
Однако существующие на тепловозах передачи не могут полностью обеспечивать постоянство нагрузки на дизель. В связи с этим при изменении скорости движения нагрузка меняется. Кроме того, даже при постоянной подаче топлива дизель будет развивать различную мощность, потому что к. п. д. его изменяется в зависимости от условий окружающей среды, температуры масла, воды, качества работы отдельных его узлов (например, топливной аппаратуры) и т. д. В процессе работы отдельные цилиндры могут выключиться из-за, например, заклинивания плунжерной пары топливного насоса и т. п.
Итак, представим себе, что в цилиндры дизеля впрыскивается топливными насосами постоянное количество топлива на каждый рабочий цикл. Тогда с увеличением нагрузки на дизель или снижением развиваемой мощности частота вращения коленчатого вала упадет, а при уменьшении нагрузки или увеличении мощности дизеля возрастет и даже может превзойти установленные пределы, что, как мы знаем, недопустимо.
Таким образом, частота вращения вала дизеля, имеющего постоянную подачу топлива, будет изменяться то в меньшую, то в большую сторону, что в конечном счете нарушает нормальную работу дизеля, снижает его экономичность и повышает износ деталей.
Отсюда вытекает необходимость в устройстве, которое изменяло бы подачу топлива в цилиндры согласованно с изменением нагрузки: при увеличении нагрузки увеличивало бы подачу топлива в цилиндры, а при уменьшении — соответственно уменьшало. Иными словами, нужно устройство, изменяющее мощность дизеля в соответствии с требуемой нагрузкой. Тогда частота вращения вала дизеля будет поддерживаться постоянной в установленных пределах. Эту задачу могут выполнить только автоматические устройства, так как для человека ручное регулирование подачи топлива насосами было бы утомительно и не всегда возможно.
Вот почему на тепловозных дизелях, кроме предельного регулятора, ставится регулятор частоты вращения коленчатого вала, который, реагируя на изменение частоты вращения из-за несоответствия между нагрузкой и мощностью, развиваемой дизелем, перемещает на нужную величину рейки топливных насосов без вмешательства машиниста в строгом соответствии с нагрузкой и, таким образом, поддерживает постоянной заданную частоту вращения коленчатого вала дизеля независимо от нагрузки.
На дизелях 10Д100, 11Д45, Д49, 2Д70 применяются более совершенные регуляторы: они регулируют не только частоту вращения, но и мощность дизеля. Как это достигается, мы узнаем дальше (см. с. 128), а пока рассмотрим принцип действия простейшего центробежного регулятора частоты вращения.

ОБЪЕДИНЕННЫЙ РЕГУЛЯТОР

Понять сущность работы и необходимость объединенного регулятора помогут нам следующие рассуждения. Предположим, что рейки топливных насосов находятся в положении максимальной подачи топлива в цилиндры дизеля, а нагрузка на дизель по каким-либо причинам увеличилась сверх того, что он может обеспечить при данном положении реек, В этом случае один регулятор частоты вращения бессилен поддерживать скоростной режим дизеля постоянным, так как все резервы увеличения подачи топлива в цилиндры исчерпаны (рейки доведены до упора). В результате из-за чрезмерной нагрузки дизель начинает снижать частоту вращения, коптит, работает неэкономично с недопустимо высокими температурой и давлением в цилиндрах. Возникает вопрос: можно ли в этих условиях не допустить падения частоты вращения вала дизеля и снять перегрузку с дизеля?
Вспомним, что такое реостат. Реостат — это электрический аппарат, предназначенный для регулирования величины тока, проходящего по проводнику (проволоке). Действие реостата основано на изменении длины проволоки. Чем короче проволока, по которой проходит ток /, тем меньше ее сопротивление, а чем он длиннее, тем оно выше. Следовательно, сопротивление увеличится во столько раз, во сколько раз при неизменной величине напряжения уменьшится сила тока (закон Ома). А что, если включить реостат в цепь обмотки возбуждения генератора? Тогда, чтобы увеличить нагрузку на тяговый генератор, а значит, и на дизель, надо передвинуть ползунок реостата в сторону уменьшения сопротивления (см. рис. 91).

Рис.91. Упрощенная схема объединенного регулятора частоты вращения (внизу) и нагрузки (вверху)

И наоборот, чтобы уменьшить нагрузку на генератор, надо передвинуть ползунок реостата в сторону увеличения его сопротивления. Искусственно уменьшая с помощью реостата нагрузку на дизель, можно добиться того, что частота вращения вала дизеля будет поддерживаться постоянной. В этом случае, как мы знаем, дизель будет отдавать мощность, соответствующую заданной для каждого скоростного режима дизеля.
Известно, что вентилятор холодильника тепловоза и тормозной компрессор то включается, то выключается, поэтому мощность дизеля, необходимая на привод этих машин, то высвобождается, то полностью используется. На тепловозе 2ТЭ10В это составляет около 95 — 110 кВт (130 — 150 л. с.) на каждый дизель на 15-й позиции контроллера машиниста.
Допустим, компрессор или вентилятор выключился. Чтобы полнее использовать мощность дизеля, надо переложить эти 95—ПО кВт на плечи другого потребителя — тягового генератора. Тогда мощность дизеля, отдаваемая потребителям, сохранится неизменной и, таким образом, будет использована полностью. «Перекладку» мощности осуществляет мощностная часть объединенного регулятора.
Чтобы понять принцип действия объединенного регулятора, обратимся к рис. 91. В нижней части рисунка представлена схема знакомого нам регулятора частоты вращения, в верхней части — схема регулятора нагрузки. Мы видим, что механизм управления нагрузкой соединяется с помощью жесткого рычага СД с механизмом управления частотой вращения. В регуляторе нагрузки так же, как и в регуляторе частоты, есть серводвигатель регулятора нагрузки (будем его дальше называть верхним). Он используется для изменения сопротивления реостата. Есть и золотник (условимся называть его верхним), который управляет подачей масла через каналы в силовой серводвигатель (золотник регулятора нагрузки).
Если рукоятка контроллера машиниста находится в неизменном положении, а установившийся режим работы дизель-генератора нарушился, например выключился компрессор или вентилятор и началось боксование колесных пар, то произойдет следующее: частота вращения увеличится, грузики (рис. 91) разойдутся, точка В рычага АО В поднимется, нижний золотник переместится вверх и откроет доступ масла под поршень силового серводвигателя — подача топлива уменьшится. Но при этом переместится и верхний золотник, открывая доступ масла в подпоршневое пространство верхнего серводвигателя. Поршень верхнего серводвигателя поднимется и своим штоком передвинет подвижной контакт реостата (увеличит возбуждение тягового генератора). Нагрузка увеличится, а частота вращения вала дизеля уменьшится. Тотчас чувствительный регулятор частоты вращения увеличит подачу топлива и возвратит верхний золотник, управляющий нагрузкой, в первоначальное положение перекрыши, соответствующее установившемуся режиму работы дизель-генератора.
Пользуясь схемой (см. рис. 91) и рассуждая аналогично, нетрудно уяснить, как будет протекать работа объединенного регулятора при возрастании нагрузки (включение вентилятора холодильника и др.). Таким образом, при данной нагрузке и частоте вращения вала подача топлива насосами в цилиндр дизеля не будет изменяться, так как перераспределения нагрузок между тяговым генератором, с одной стороны, и, скажем, компрессором и вентилятором, с другой стороны, дизель не почувствует и благодаря объединенному регулятору вся мощность дизеля будет использоваться для работы тепловоза при разных условиях движения. Однако и этот регулятор можно улучшить.

ЧЕМ ОХЛАЖДАТЬ МАСЛО?

На первый взгляд целесообразно использовать для этого атмосферный воздух, подобно тому как охлаждается вода. Так оно и осуществлено на тепловозах старой постройки (ТЭЗ, ТЭ2, ТЭ1), у которых масляные секции устроены аналогично водяным секциям. Отличие в том, что в водяных секциях трубки размещены в шахматном порядке, в то время как масляные секции имеют коридорное расположение трубок. Масляные секции отличаются от водяных также количеством трубок (их больше) и поперечными размерами трубок (они увеличены). Сделано это для того, чтобы облегчить проход по трубкам более вязкого (по сравнению с водой) дизельного масла. При движении по трубкам секций горячее масло, обдуваемое атмосферным воздухом, охлаждается на 4—12°С. Пройдя масляные секции холодильника (рис. 101), оно возвращается охлажденным к трущимся деталям дизеля. Однако на новых тепловозах от охлаждения масла воздухом отказались. Почему?

Рис. 101. Схема масляной системы тепловоза

В трубках обычных масляных секций частицы масла движутся параллельно друг другу, не перемешиваясь между собой. Это объясняется тем, что масло имеет высокую вязкость и низкую скорость течения в трубках (около 0,25 м/с). Именно поэтому тепло от масла к стенке трубки передается плохо, примерно в 50—100 раз хуже, чем тепло от воды.
Соответственно и размеры масляного холодильника получаются в несколько раз больше, чем водяного, при одинаковой их теплоотдаче. Второй крупный недостаток масляных секций — низкая эксплуатационная надежность. Давление масла в секциях достаточно высокое — до 0,588 МПа (6 кгс/см2) при работе дизеля и достигает даже 0,98 МПа (10 кгс/см2) при пуске холодного дизеля [в водяных секциях внутреннее давление не превышает 0,147 МПа (1,5 кгс/см2)]. Само же масло из-за большой вязкости и малой скорости течения в трубках часто зимой застывает, вызывая температурные деформации трубок.
Высокие внутренние давления, температурные деформации трубок приводят к появлению трещин в их стенках и к течи масла. Как увеличить теплоотдачу? Надо повысить скорость перемещения масла в трубках. Тогда частицы масла придут в беспорядочное движение, будут перемешиваться между собой, завихряться. А в результате сильно увеличится теплоотдача и можно будет уменьшить число масляных секций, а значит, получить экономию меди. К сожалению, достигнуть высоких скоростей масла из-за большой вязкости его практически невозможно: очень возрастают сопротивления. Где же выход? Инженеры дали такой ответ на этот вопрос. Нужно вызвать искусственное завихрение (турбулизацию) потока. Для этого внутри трубок (рис. 102) укрепляют специальные вставки, напоминающие решетки (турбулизаторы). При наличии таких вставок-решеток частицы масла даже при небольшой скорости (0,2—0,3 м/с) будут интенсивно перемешиваться, что приведет к большему (в 2,5—3 раза) теплообмену по сравнению, с теплообменом без перемешивания частиц масла между собой (без турбулизаторов).

Рис. 102. Трубка со вставками-турболизаторами

Такие холодильники устанавливались на тепловозах ТЭ10, на первых тепловозах ТЭП60, 2ТЭ10Л и опытных тепловозах ТЭЗ и позволили снизить расход меди на 1,5 т на тепловоз. Однако сложность изготовления, а главное, низкая эксплуатационная надежность и трудность очистки при ремонте побудили прекратить производство секций с турбулизацией потока масла. Конструкторы в поисках решения проблемы повышения надежности сокращали в зимних условиях количество включенных масляных секций, пробовали подогревать воздух перед фронтом холодильника и проводили другие мероприятия. Однако наиболее перспективным оказался водомасляный теплообменник.

ВОДОМАСЛЯНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Такой теплообменник получает все большее распространение на тепловозах. Дело в том, что интенсивность передачи тепла от масла к воде намного выше, чем от масла к воздуху. Благодаря этому водяной теплообменник компактнее и легче, чем воздушный. Замена 2880 медных оребренных трубок (тепловоз ТЭЗ) компактным теплообменником позволяет, кроме того, сэкономить значительное количество цветного металла. А раз так, то можно увеличить толщину трубок до 1 мм (толщина трубок в водяной секции 0,55 мм), т. е. повысить прочность и надежность водомасляного теплообменника. Если к этому добавить, что температура атмосферного воздуха в нашей стране колеблется в очень широком диапазоне (от +45 до — 55°С), а сам воздух, охлаждающий секции, нагревается, то станет ясно, что масловоздушные секции работают в неблагоприятных температурных условиях, что приводит к деформациям трубок и повреждению секций.
Где размещают водомасляный теплообменник, видно на рис. 103.

Рис. 103. Схема размещения водомасляного теплообменника

Охлаждающая вода проходит внутри вертикальных трубок (рис. 104), укрепленных в отверстиях верхней и нижней досок (решеток), а масляный поток направляется поперек этих трубок и при этом делает несколько поворотов (от одной стороны корпуса теплообменника к другой), так как вынужден огибать лабиринт из поперечных перегородок. Встречая на своем пути трубки с водой, масло отдает им часть тепла.
Итак, водомасляный теплообменник обладает хорошими качествами. Но масло и вода — враги. Если вода проникнет в масло, оно потеряет смазочные качества; если масло просочится в воду, произойдет замасливание охлаждаемых поверхностей цилиндровых втулок, крышек цилиндров дизеля, внутренних поверхностей трубок холодильника. Детали дизеля, окутанные масляной пленкой, плохо проводящей тепло, будут охлаждаться недостаточно и могут выйти из строя из-за чрезмерного перегревания. Этому будет способствовать и перегрев воды, плохо охлаждающейся в замасленном холодильнике. Чтобы этого не случилось, трубки должны быть соединены с решетками не только прочно, но, что особенно важно, герметично: технологам приходится решать сложную задачу.

Рис. 104. Схема устройства и работы водомасляного теплообменника

Вот почему концы трубок не только развальцовывают в отверстиях трубных решеток, но и припаивают к ним посредством погружения в расплавленный припой. В теплообменнике неподвижно устанавливают только одну трубную решетку. Вторая трубная решетка, к которой присоединены противоположные концы трубок, может свободно перемещаться относительно корпуса теплообменника. Изменение температуры не мешает трубкам свободно расширяться или сжиматься. Поэтому они не испытывают температурных напряжений, которые так пагубно сказываются на масловоздушных секциях.
Для охлаждения воды, используемой в свою очередь для отвода тепла от масла, применяют специальный водовоздушный холодильник. Естественно, это несколько усложняет оборудование тепловоза. Однако эта проблема решается наиболее просто, если применять на тепловозах дизели, которые могут надежно работать при повышенных температурах масла (до 95 — 100°С).
В этом случае масло охлаждается водой из системы охлаждения дизеля, поэтому отпадает необходимость в применении отдельного водовоздушного холодильника тепловоза. Например, на тепловозах ТГ102 водовоздушные холодильники служат лишь для охлаждения воды дизелей. Эта же вода пропускается через водомасляные холодильники дизеля и гидропередачи и охлаждает в них масло. Система водяного охлаждения имеет всего один контур и соответственно один насос.
Опыт эксплуатации тепловозов с водомасляными теплообменниками показал их высокую надежность.
Принципиальная схема охлаждения масла с трубчатым теплообменником показана на рис. 105.

ФИЛЬТР ГРУБОЙ ОЧИСТКИ МАСЛА

Чтобы «поймать» продукты, загрязняющие масло, в масляную систему каждого тепловозного дизеля включено несколько своеобразных ловушек. Самой простой из них является сетка, закрывающая поддон поддизельной рамы, где хранится масло. На тепловозе сетка имеет много отверстий (ячеек) диаметром 1,5 мм, поэтому она задерживает частицы размером только свыше 1,5 мм.
Масло из поддона в масляный коллектор дизеля попадает, как уже указывалось, через специальный фильтр, который задерживает относительно крупные частицы (размером более 0,15 мм), содержащиеся в масле, отчего этот фильтр называется фильтром грубой очистки.

Рис. 116. Устройство пластинчато-щелевого фильтра грубой очистки масла