Регулятор частоты вращения коленчатого вала дизельного двигателя

В отличие от бензинового двигателя дизельные двигатели не имеет во впускном трубопроводе дроссельной заслонки, позволяющей четко регулировать частоту вращения коленчатого вала за счет изменения подачи воздуха с одновременным изменением подачи топлива. У дизельного двигателя не существует положения управляющей рейки, которое бы позволило двигателю поддерживать определенную частоту вращения коленчатого вала двигателя без помощи регулятора. Например, при запуске холодного двигателя и его работе на холостом ходу, потери на трение кривошипно-шатунного, газораспределительного и других механизмов и приводимых от двигателя агрегатов начинают снижаться, а количество подаваемого топлива будет постоянным. При отсутствии регулятора частота вращения будет увеличиваться и может достичь критической точки, при которой может произойти разрушение двигателя.

Регуляторы частоты вращения коленча­того вала дизельного двигателя устанавливаются на насосе высокого давления и приводятся в действие от кулачкового вала. Его работа основана, как и в автоматической муфте опережения впрыска, на использовании центробежных сил. Например, при заданном положении педали управления подачи топлива и возникновении дополнительного сопротивления движению (на подъеме) частота вращения коленчатого вала двигателя будет уменьшаться, а скорость автомобиля падать. Чтобы ее поддержать на заданном уровне, необходимо повысить крутящий момент двигателя. Это может быть достигнуто увеличением количества топлива, впрыскиваемого в цилиндры двигателя. Регулятор воспринимает снижение частоты вращения коленчатого вала и автоматически увеличивает подачу топлива насосом высокого давления, благодаря чему скорость автомобиля восстанавливается до заданного значения.

Аналогичным образом регулятор изменяет подачу топлива при уменьшении нагрузки на двигатель, только в этом случае управляющее воздействие регулятора сводится к уменьшению количества впрыскиваемого топлива. В результате при снижении нагрузки на двигатель происходит уменьшение скорости движения и доведение ее до заданного уровня. Таким образом, регулятор авто­матически изменяет подачу топлива при изменении нагрузки на двигатель и обеспечивает установку любого выбранного скоростного режима при отклонениях от него в пределах – 10…20%.

Различают двухрежимный и всережимные регулятора частоты вращения коленчатого вала.

Двухрежимный регулятор (типа RQ) поддерживающий определенную частоту вращения коленчатого вала на режимах минимальной и максимальной частоты вращения коленчатого вала. Всережимный регулятор (типа RSV) поддерживает необходимую частоту вращения на всех режимах работы двигателя.

Всережимные регуляторы устанавливаемые на небольших высокооборотистых двигателях позволяют поддерживать частоту вращения коленчатого вала в пределах 6…10%.

В топливных насосах применяют регуляторы с различными принципами работы:

• механические
• пневматические
• гидравлические
• комбинированные

Для автомобильных двигателей наиболее широко при­меняют механические центробежные регуляторы и реже пневматические регуляторы.

Центробежный регулятор представляет собой систему, состоящую из вращающихся грузов, пружин и рычагов, связанных с рей­кой топливного насоса высокого давления, управляющей цикловой подачей топлива.

Двурежимный регулятор

В двухрежимных регуляторах механизм регулятора связан с рейкой насоса высокого давления при помощи дифференциального рычага, соединенного также и с тягой педали акселератора, которой управляет водитель. Основными элементами двухрежимного центробежного регулятора являются большие 4 и малые 3 грузы.

Рис. Схема работы двухрежимного центробежного регулятора

Грузы свободно посажены на пальцы крестовины 1 и упираются лапками в скользящую муфту 5, также свободно установ­ленную на вращающемся валу 6 регулятора, связанном зубчатой передачей с валом топливного насоса. С противоположной стороны в скользящую муфту под действием слабой пружины 12, помещен­ной в стакане 13 и втулке 11, упирается основной (вильчатый) рычаг 7 регулятора. Этот рычаг соединен при помощи двуплечего рычага 8 с рейкой 9 топливного насоса высокого давления и тягой 14 педали акселератора. Сильная пружина 10, установленная на втулке 11, упирается в неподвижную стенку корпуса регулятора. Грузы со слабой пружиной и сильной пружинами образуют две последовательно действующие системы регулирования, в которых используется общий рычажный механизм.

Массы грузов и затяжку слабой пружины подбирают так, чтобы действующие на муфту составляющие центробежной силы грузов и силы пружины оказались равными, т.е. чтобы система была в равновесии при минимальной частоте вращения коленчатого вала. Педаль акселератора во время работы двигателя на холостом ходу с минимальной частотой вращения коленчато­го вала полностью отпущена и двуплечий рычаг находится в положении I. При самопроизвольном уменьшении частоты вращения коленчатого вала двигателя центробежная сила грузов уменьшается и пружина 12, от­клоняя вильчатый рычаг, перемещает рейку топливного насоса в сторону увеличения подачи топлива. В случае самопроизвольного повышения частоты вращения коленчатого вала двигателя центробежная сила гру­зов увеличивается и муфта 5, отклоняя вильчатый рычаг и сжимая при этом пружину 12, перемещает рейку насоса в сторону уменьшения подачи топлива. Таким образом, одна система двухрежимно­го регулятора обеспечивает устойчивую работу дизеля при мини­мальной частоте вращения коленчатого вала на холостом ходу.

Массу грузов и затяжку сильной пружины подбирают так, чтобы равновесие системы обеспечивалось при максимальной частоте вращения коленчатого вала, допустимом для данного двигателя. Педаль акселератора при работе двигателя с максимальной частотой вращения коленчатого вала полностью нажата, и двуплечий рычаг находится в положении II. При этом большие грузы регулятора раздвигаются до упоров 2 и не изменяют своего положения, сжимая слабую пружину вильчатым рычагом настолько, что стакан 13 вдвигается до упора в торец втулки 11.

С дальнейшим увеличением частоты вращения коленчатого вала, которое может происходить при уменьшении нагрузки дизеля, цент­робежная сила грузов увеличивается и муфта 5, отклоняя вильчатый рычаг и сжимая при этом пружину 10, перемещает рейку насоса высокого давления в сторону уменьшения подачи топлива. Таким образом, вторая система двухрежимного регулятора огра­ничивает максимальную частоту вращения, не допуская его разноса, даже при его полной разгрузке.

На рисунке приведены скоростные характеристики дизеля с двухрежимным регулятором.

Рис. Характеристики дизеля с двухрежимным регулятором:
Мкр – крутящий момент; Nе – мощность; n – частота вращения коленчатого вала

Кривые 1, 2 и 3 соответствуют различ­ным положениям педали акселератора. Участок n1…n2 регулирует­ся системой минимальной, а участок n3…n4 системой максималь­ной частоты вращения регулятора. В диапазоне между этими участками режим работы двигателя управляется только педалью ак­селератора без воздействия регулятора.

Центробежный регулятор всережимного типа

Центробежный регулятор всережимного типа также представляет собой систему, состоящую из вращающихся грузов, пружины и основного рычага, связанного с рейкой топливного насоса высокого давления, управляющей цикловой подачей топлива. Особенность регулятора этого типа заключается в отсутствии непосредст­венной связи рейки топливного насоса с педалью акселератора. На рисунке дана схема всережимного центробежного регулятора.

Рис. Схема работы всережимного центробежного регулятора

На вра­щающемся валу 9 регулятора, который при помощи шестерен связан с кулачковым валом топливного насоса, закреплена крестовина 6. В проушинах крестовины на пальцах 7 установлены качающиеся грузы 8 с лапками, которые упираются в подвижную муфту 10, на­детую на вал регулятора. С другой стороны в муфту упирается ос­новной вильчатый рычаг 2, установленный на оси 11 и соединенный с пружиной 3 и рейкой 1 топливного насоса высокого давления. Другой конец пружины соединен с рычагом 4, жестко связанным общей осью с рычагом 5 управления регулятором, который размещен с наружной стороны корпуса регулятора.

Система находится в равновесии, когда составляющие центро­бежной силы вращающихся грузов и силы пружины, действующие на подвижную муфту, равны между собой. При повышении частоты вращения коленчатого вала двигателя и связанного с ним вала регулятора, происходящем при уменьшении нагрузки, центробежная сила грузов увеличивается, заставляя их раздвинуться и переместить подвижную муфту, вильчатый рычаг и связанную c ним рейку топливного насоса в сторону уменьшения подачи топлива. В случае понижения частоты вращения, происходящем при увеличении нагрузки дизеля, центробежная сила грузов уменьшается и пружина, воздействуя на вильчатый рычаг, перемещает рейку топливного насоса в сторону увеличения подачи топлива. Частоту вращения изменяют натяжением пружины, связанной с рычагом управления регулятором, причем для повышения частоты вращения ко­ленчатого вала необходимо увеличить натяжение пружины.

На рисунке приведены скоростные характеристики дизеля с всережимным регулятором частоты вращения.

Рис. Характеристики дизеля с всережимным регулятором:
Мкр – крутящий момент; Nе – мощность; n – частота вращения коленчатого вала

Каждому положению рычага управления регулятором соответствует определенная ветвь кривой – А1В1, А2В2 и т.д., характеризующая зависимость частоты вращения коленчатого вала от мощности и крутящего момента (на­грузки) двигателя в диапазоне от полной мощности, развиваемой при максимальной частоте вращения коленчатого вала, до холостого хода при минимальной частоте вращения коленчатого вала. Из рассмотре­ния характеристик видно, что при постоянном положении рычага управления регулятором частота вращения мало зависит от изменения мощности в широких пределах. Однако степень неравномерности увеличивается при уменьшении регулируемой частоте вращения и становится значительной (40…70%) при минимальной частоте вращения на холостом ходу. Это обусловливается постоянной жесткостью пружины и значительным уменьшением центробежной силы грузов при уменьшении частоты вращения вала регулятора.

Регуляторы принцип работы которых описан выше применяются на большинстве рядных ТНВД. На рисунке показан двухрежимный регулятор рядного ТНВД легкового автомобиля Мерседес.

Рис. Двухрежимный регулятор:
1 – вакуумная камера остановки двигателя; 2 – контргайка; 3 – вакуумная камера увеличения частоты вращения коленчатого вала двигателя; 4 – ограничительный винт количества топлива на минимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя; 5 – рычаг изменения подачи топлива; 6 – винт пружины регулятора; 7 – промежуточный рычаг; 8 – винт регулировки максимальной частоты вращения; 9 – центробежный регулятор; 10 – рейка; 11 – упорный рычаг; 12 – рычаг рейки

На режиме пуска вследствие максимального сближения грузов центробежного регулятора 9 рейка регулирования подачи топлива 10 через систему рычагов занимает положение полной подачи топлива.

При работе двигателя в режиме холостого хода, вследствие воздействия на рейку слабой пружины со стороны вертикального рычага и положения центробежных грузов, поддерживается стабильная частота вращения коленчатого вала.

В режиме частичной или полной нагрузки воздействие на рейку насоса осуществляется только от педали акселератора, которая связана системой тяг с рычагом изменения подачи топлива на регуляторе и регулятор частоты вращения в работе не участвует.

При увеличении частоты вращения коленчатого вала во время торможения двигателем рейка насоса устанавливается в положение прекращения подачи. Если частота вращения коленчатого вала достигнет 5150 об/мин рейка устанавливается в положение прекращения подачи топлива, чем достигается ограничение максимальной частоты вращения, для предотвращения максимально допустимых нагрузок на двигатель.