Тот, кто считает, что дизель — это грубая машина, которая стерпит неделикатное обращение. сильно ошибается». Только с большим «чувством такта» и точностью работы можно достигнуть и поддерживать оптимальную работу дизеля.

Первоначально способ регулирования работы дизеля выбирался индивидуально самими его производителями. Однако для экономии необходимого для двигателя привода они требовали поставок ТНВД уже со встроенными регуляторами.
С 1931 г. началось серийное производство ТНВД со встроенным двухрежимным центробежным регулятором частоты вращения коленчатого вала. Вскоре в виде модификации появился всережимный регулятор.
Для малых быстроходных дизелей транспортных средств такой центробежный регулятор не годился. Только идея пневматического регулятора привела к новому всплеску интереса: «…рейка ТНВД связана с кожаной мембраной, и разряжение во впускном трубопроводе. напрямую связанное с частотой вращения коленчатого вала, изменяет положение мембраны и влияет, в зависимости от положения регулирующей заслонки, на величину цикловой подачи».
В послевоенные годы применяли самые различные модернизированные конструкции, как. например, регулятор с кулисой (с 1946 до 1948 г.), регулятор с внешней натяжной пружиной (с 1955 г.) и регулятор с демпфером колебаний.

 

Дизельный ТНВД при разных нагрузках и рабочих условиях в нужный момент всегда должен обеспечивать требуемую подачу топлива в двигатель. Кроме того, при фиксированном положении рейки ТНВД двигатель должен сохранять ста­бильную частоту вращения коленчатого вала. Для обеспечения этих условий дизель снабжается либо центробежным механическим, либо электронным регу­лятором частоты вращения коленчато­го вала.

ТНВД дозирует порцию топлива и впрыскивает ее под высоким давлением в камеру сгорания двигателя. Система впрыска должна обеспечивать впрыски­вание топлива:

• С точно дозированной цикловой подачей в соответствии с нагрузкой на двигатель;
• В нужный момент;
• В течение точно определенного временного интервала;
• Способом, необходимым для вы­бранною ним смесеобразования.

 

Для выполнения всех вышеперечис­ленных условий служат ТНВД и регуля­тор частоты вращения коленчатого вала.

Механические регуляторы отличают­ся надежностью и удобством обслужива­ния. Основу данного раздела составляет описание различных видов регуляторов и дополнительных устройств.

Электронное регулирование работы ди­зеля может обеспечивать выполнение суще­ственно более широких требований.

Ранее для малых ТНВД использова­лись также пневматические регуляторы, реагирующие на давление во впускном трубопроводе. Из-за возросших требований к качеству и мно­гообразию функций регулирования они сегодня не используются и поэтому подробно не рассматриваются.

 

Управление и регулирование

 

При управлении и регулировании один или несколько входных параметров опре­деляют одну или несколько выходных ве­личин (рис. «Принцип управления и регулирования»).

При управлении (рис. «Принцип управления и регулирования», а) действия зачас­тую неподконтрольны (отсутствует об­ратная связь между воздействием и вы­ходными параметрами). Этот принцип используется, например, для определения величин пусковой подачи.

Отличием регулирования (рис. «Принцип управления и регулирования», b) явля­ется замкнутость системы (так называе­мый контур регулирования). При этом производится постоянное сравнение те­кущих и заданных выходных парамет­ров.

Если между ними имеется несогласо­ванность, происходит корректировка уп­равления исполнительным механизмом. Преимущество этого вида регулирования состоит в том, что нарушающие равнове­сие внешние факторы постоянно находят отклик (например, при изменении на­грузки на двигатель или частоты холосто­го хода коленчатого вала).

 

Работа регулятора

 

Все рядные ТНВД на каждый цилиндр двигателя имеют по одной плунжерной паре, состоящей из гильзы 8 (рис. «Принцип действия регулятора») и плунжера 9. Величина цикловой подачи изменяется поворотом плунжеров. Регу­лятор поворачивает с помощью рейки 7 сразу все плунжеры так, что цикловая по­дача может изменяться от нулевого до максимального значений. Ход рейки s пропорционален величине цикловой по­дачи топлива и тем самым связан с крутя­щим моментом двигателя.

 

Регулирующие кромки плунжера вы­полняются по-разному. При наличии только нижней спиральной кромки на­гнетание всегда начинается при одинако­вых положениях плунжера, но заканчива­ется, в зависимости от его поворота, раньше или позже. Если на плунжере имеется верхняя регулирующая кромка, то момент начала подачи топлива может изменяться. Существуют конструкции одновременно с верхней и нижней регу­лирующими кромками.

 

Термины и определения

 

Нулевая нагрузка

 

Нулевой называют нагрузку на всех эксплуатационных режимах, ко­гда дизель преодолевает только свое вну­треннее сопротивление. Крутящий мо­мент отсутствует, педаль газа может на­ходиться в любом положении, возможна любая частота вращения коленчатого ва­ла вплоть до максимальной.

 

Холостой ход

 

Холостой ход означает минимальную частоту вращения коленчатого вала при нулевой нагрузке. Педаль газа не нажата, крутящий момент отсутствует, а дизель преодолевает внутреннее сопротивле­ние.

Иногда весь диапазон нулевых на­грузок называют холостым ходом, в этом случае максимальная частота, огра­ничиваемая регулятором, называется максимальной частотой вращения ко­ленчатого вала на режиме холостого хо­да, или максимальной частотой холосто­го хода.

 

Полная нагрузка

 

При полной нагрузке педаль газа нажата до упора. Двигатель развивает на устано­вившемся режиме максимально возмож­ный крутящий момент. На неустановив­шемся режиме (в условиях ограничения мгновенных значений давления наддува) двигатель развивает максимально воз­можный (но меньший) крутящий момент при полной нагрузке, определяемый реально потребляемым количеством воз­духа.

Возможно использование всего час­тотного диапазона работы дизеля между частотой холостого хода и номинальной (то есть максимальной при полной на­грузке) частотой вращения коленчатого вала. В процессе работы регулятор само­стоятельно изменяет величину цикловой подачи и величину крутящего момента.

 

Частичная нагрузка

 

Охватывает весь диапазон нагрузок меж­ду нулевой и полной, при этом двигатель развивает соответствующий крутящий момент.

 

Частичная нагрузка на холостом ходу

 

В этом случае регулятор поддерживает частоту вращения коленчатого вала на режиме холостого хода, а двигатель раз­вивает крутящий момент вплоть до мак­симального его значения.

 

Принудительный холостой ход

 

Здесь дизель приводится от внешнего ис­точника крутящего момента (например, при движении под юру с отпущенной пе­далью газа, когда происходит так называ­емое торможение двигателем).

 

Стационарный режим работы

 

Развиваемый двигателем крутящий мо­мент соответствует требуемому. Частота вращения коленчатого вала постоянна.

 

Нестационарный режим работы

 

Развиваемый двигателем крутящий мо­мент не соответствует требуемому. Час­тота вращения коленчатого вала пере­менна.

 

Индексы

 

Используемые далее индексы величин обозначают:

I — холостой ход;

n — нулевая нагрузка; v — полная нагрузка;

v — минимальное значение;

o — максимальное значение.

 

Отсюда следует, например:

n_nu — минимальная частота вращения ко­ленчатого вала при нулевой нагрузке (что идентично частоте холостого хода и,);

n_n — частота вращения коленчатого вала при нулевой нагрузке;

n_no— максимальная частота вращения ко­ленчатого вала при нулевой нагруз­ке;

n_v — частота вращения коленчатого вала при полной нагрузке;

n_vo — максимальная частота вращения ко­ленчатого вала при полной нагрузке (номинальная частота вращения).

 

Характеристика регулятора

 

Для каждого двигателя устанавливается внешняя характеристика крутящего мо­мента, которая соответствует максималь­ной отдаче мощности. Каждому значе­нию частоты вращения коленчатого вала соответствует определенная величина максимального крутящего момента.

Если при неизменном положении рейки ТНВД нагрузка на двигатель уменьшается, то частота вращения коленчатого вала должна увеличиваться не более чем на определенную изготовителем дизеля ве­личину (например, от n_v, до n_n рис. «Частота вращения коленчатого вала при полной нагрузке с соответствующим регулированием до частоты при нулевой нагрузке»).

По­вышение частоты вращения пропорционально изменению нагрузки, поэтому в таком случае говорят об определенной пропорциональности, выражаемой в на­клоне характеристики регулятора или ко­эффициенте регулирования δ, который рассчитывается по формуле:

δ = (n_no— n_vo)/n_vo

 

Значение коэффициента δ в общем виде определяет верхнее (максимальное) значение частоты вращения коленчатого вала при полной нагрузке, т. е. номиналь­ную частоту вращения.

Пример расчета наклона характери­стики регулятора (коэффициента регули­рования) в процентах (по частоте враще­ния кулачкового вала ТНВД): n_no = 1000 мин^-1, n_vo, = 920 мин^-1,

δ = (1000-920)/920 · 100% = 8,7%

Рис. «Влияние наклона характеристики на частоту вращения коленчатого вала при изменении нагрузки» иллюстрирует практический пример пропорционального регулирова­ния (P-регулирования): при поддержа­нии заданной постоянной частоты вра­щения коленчатого вала действительная частота вращения варьируется при изме­нении нагрузки на двигатель (например, из-за возрастания уклона дороги) в пре­делах характеристики регулятора.

В общем виде: чем круче наклон хара­ктеристики, тем точнее можно поддержи­вать частоту вращения при стабильной связи по всей цепи регулирования, вклю­чающей в себя регулятор, двигатель и приводимое им в движение транспорт­ное средство. С другой стороны, этот на­клон ограничен условиями работы.

Ориентировочные величины наклона характеристики регул я гора:

• ..5 % для двигателей генератор­ных установок;
• .. 15 % для автомобильных двига­телей.

 

Функции регулятора

 

Основная функция регулятора — огра­ничение максимальной частоты враще­ния коленчатого вала. Так как дизель ра­ботает с избытком воздуха и без дроссе­лирования наполнения цилиндра на впу­ске, без регулятора он не может поддер­живать заданный режим работы. В этом случае возможны неконтролируемое уве­личение частоты вращения коленчатого вала (говорят, что дизель пошел «враз­нос») и резкое повышение уровня вредных веществ в отработавших газах.

Еще одним назначением регулятора является поддержание некоторых опре­деленных режимов работы дизеля на всем диапазоне между частотой холосто­го хода и максимально допустимой час­тотой вращения коленчатого вала.

Регуляторы могут осуществлять:

• Автоматическое ограничение мак­симальной цикловой подачи при пуске;
• Изменение цикловой подачи в за­висимости от частоты вращения коленчатого вала (коррекция);
• Изменение максимальной цикло­вой подачи в зависимости от вели­чины атмосферною давления или давления наддува.

 

Регулятор максимальной частоты вращения

 

Значение n_vo (максимальная частота вра­щения коленчатого вала при полной на­грузке) при разгрузке двигателя должно повышаться соответственно допустимо­му коэффициенту регулирования с преде­лом в точке максимального значения ча­стоты вращения при нулевой нагрузке n_no (рис. «Пределы регулирования максимальной частоты вращения коленчатого вала»).

Для достижения этого регулятор сдвигает рейку ТНВД в направлении по­ложения «Стоп».

Участок характеристики частот n_vo — n_no называется внешней характеристикой регулятора. Повышение частоты враще­ния коленчатого вала от n_vo до n_no тем вы­ше, чем больше коэффициент регулиро­вания.

 

 

Частичная характеристика регулятора

 

На автомобилях с дополнительным при­водом отбора мощности при необходи­мости можно с помощью регулятора (и в соответствии с его характеристикой) поддерживать определенную частоту вращения коленчатого вала в диапазоне между максимальной частотой вращения и частотой холостого хода (рис. «Пределы регулирования промежуточных частот вращения коленчатою нала (всережимный регулятор)»). При всережимном регулировании частота вращения п определяется нагрузкой на двигатель и изменяется в диапазоне меж­ду n_v (при полной нагрузке) и n_n (при ну­левой нагрузке).

 

Характеристика частоты холостого хода

 

Регулирование частоты вращения колен­чатого вала дизеля можно проводить в области малых частот без нагрузки, что определяется характеристикой частоты холостого хода (рис. «Пределы регулирования частоты холостого хода»). Без такого регули­рования частота вращения падала бы вплоть до остановки двигателя либо под­нималась бы до критических для дизеля режимов («разнос»).

После пуска холодного двигателя рей­ка ТНВД из пускового положения перехо­дит в положение В (рис. «Пределы регулирования частоты холостого хода»), поскольку со­противление трению в двигателе еще сравнительно велико.

Необходимая цикловая подача для пуска двигателя при этом несколько больше, а частота вращения соответст­венно меньше частоты в точке холостого хода L.

В то же время при пуске прогретого двигателя сопротивление трению мень­ше, поэтому частота вращения повыша­ется и рейка идет в сторону уменьшения подачи — к точке L, достигая уровня час­тоты холостого хода.

 

Коррекция

 

Коррекция позволяет оптимально ис­пользовать поступающий в цилиндр воз­дух для сгорания. Это не самостоятельный процесс регулирования, а одна из допол­нительных функций регулятора. Она за­ключается в ограничении максимальных подач топлива при полной нагрузке, т. е. в диапазоне нагрузок двигателя реализуется максимально требуемая цикловая подача, ограниченная началом дымления дизеля.

 

Двигатель без наддува

 

В общем случае потребность в топливе дизеля без наддува снижается с повышением частоты вращения коленчатого ва­ла (относительно меньший расход возду­ха, ограничение по термическим услови­ям, изменение способа смесеобразова­ния). При постоянном положении рейки и повышении частоты вращения величи­на цикловой подачи увеличивается (ска­зывается дросселирующее действие вы­пускных отверстий плунжерной пары).

Чрезмерное увеличение величины пода­чи вызывает повышенное дымление или перегрев двигателя. Таким образом, цик­ловая подача должна быть скорректиро­вана (рис. «Характеристики необходимых и реальных цикловых подач топлива»). У регуляторов с коррекцией рейка TНВД в зоне коррекции движется в направлении положения «Стоп» (рис. «Ход рейки ТНВД при положительной коррекции»). С возрастанием частоты вращения (от n₁ к n₂) уменьшается цикловая подача (по­ложительная коррекция), и, наоборот, при уменьшении частоты вращения цик­ловая подача возрастает.

рис. «Характеристики необходимых и реальных цикловых подач топлива» а потребность двигателя в топливе; b реальное поступление топлива в режиме полной нагрузки без коррекции; с скорректированная подача топлива в режиме полной нагрузки

рис. «Ход рейки ТНВД при положительной коррекции»

рис. «Протекание кривой крутящего момента дизеля» а — с коррекцией; Ь — без коррекции

 

На рис. «Протекание кривой крутящего момента дизеля» показано протекание кру­тящего момента дизеля с коррекцией и без нее, причем на всем диапазоне частот максимальный крутящий момент не до­ходит до границы дымления.

 

Двигатели с наддувом

 

В двигателях с турбонагнетателем, имею­щих высокий коэффициент наддува, по­требность в топливе при полной нагрузке в нижнем диапазоне частот вращения возрастает настолько, что стандартное увеличение подачи топлива от ТНВД ста­новится недостаточным.  Здесь необходи­мо, в зависимости от частоты вращения или давления наддува, проводить коррек­цию либо непосредственно регулятором, либо ограничителем хода рейки ТНВД в зависимости от степени наддува, а также их сочетанием. Такая коррекция называется отрица­тельной, она создает нарастающее увели­чение цикловой подачи по мере повыше­ния частоты вращения (рис. «Характеристики цикловых подач топлива»). В проти­воположность этому положительная кор­рекция обеспечивает уменьшение цикло­вой подачи при возрастании частоты вращения коленчатого вала.