Subsistemul de injectie (de inalta presiune)

Subsistemul de injectie (de inalta presiune)

Subsistemul are rolul de a introduce combustibil la presiune ridicata si in momentul optim in cilindrii motorului, realizand procesul de injectie. Se compune din:

pompa de injectie, de obicei individuala pentru fiecare cilindru si mai rar monobloc (uneori la MA);

tubulatura de inalta presiune, incalzita si izolata pentru combustibil greu, (poate lipsi atunci cand sunt folosite pompe-injector);

injectorul (unul sau mai multe, 2 3, in functie de diametrul cilindrului).

Parametrii sistemului de injectie influenteaza in mod direct procesul de ardere din motor si de aceea depind de un numar foarte mare de factori, dintre care cei mai importanti sunt:

destinatia motorului: motor de propulsie sau diesel-generator;

tipul motorului: lent, semirapid sau rapid (2 sau 4 timpi);

parametrii functionali: puterea, turatia si sarcina motorului;

parametrii constructivi ai motorului: in primul rand geometria cilindrului si arhitectura camerei de ardere;

combustibilul utilizat.

Caracteristicile sistemului de injectie sunt date primordial de caracteristicile celor doua componente importante ale sale: pompa de injectie si injectorul, acestea trebuind sa asigure:

dozarea cantitatii de combustibil pe ciclu in functie de sarcina, reglarea motoarelor diesel realizandu-se calitativ;

crearea unei presiuni ridicate la injector, necesara realizarii in bune conditii a pulverizarii combustibilului in camera de ardere (finete, omogenitate, dispersie si penetratie), in conformitate cu cerintele de formare a amestecului;

declansarea si stoparea injectiei, brusc, la momente bine stabilite si variabile, functie de natura combustibilului, caracteristicile motorului si regimul de functionare al acestuia;

realizarea unei legi de injectie adecvate;

sa asigure debitarea uniforma a combustibilului catre toti cilindrii motorului;

sa fie cat mai simple constructiv, sa aiba o mare fiabilitate si siguranta in exploatare si sa poata functiona corect in conditiile de la bordul navei.

Prezentarea subsistemului se va face pe baza schemei de principiu din figura 1, caracteristica unui motor principal naval. Combustibilul pregatit in subsistemul de joasa presiune si in cel de separare este preluat de pompele de injectie PI (individuale in marea majoritate a cazurilor) din tubulatura de distributie a sistemului de alimentare Incb, ce se intinde pe toata lungimea motorului. Pentru amortizarea pulsatiilor de presiune induse in sistem, tubulatura de alimentare este prevazuta cu un amortizor hidraulic A. Pompa de injectie cu piston actionata de cama arborelui de distributie ridica presiunea combustibilului la 400 900 bar si il refuleaza in tubulatura de inalta presiune. De aici, dupa trecerea prin orificiile calibrate ale duzei injectorului INJ, patrunde in camera de ardere fin pulverizat, cu avans fata de punctul mort interior, se vaporizeaza si se amesteca cu aerul din cilindru formand amestecul carburant. Debitul pompei de injectie este superior consumului motorului, de aceea o parte din combustibilul introdus in pompa de injectie si injector se intoarce in rezervor pe tubulatura de retur Recb, care, pentru asigurarea unui regim stabil de functionare este prevazuta cu o valvula de contrapresiune VC.

Recircularea combustibilului mentine instalatia la temperatura optima si contribuie la inlaturarea aerului si a vaporilor de combustibil. Pentru drenarea scurgerilor ce apar datorita neetanseitatilor elementelor sistemului, acesta este prevazut cu o retea de tubulaturi de drenaj Dre conectate la un tanc. Tubulatura de combustibil greu este incalzita cu abur Inab/Reab si izolata ter-mic, asa cu se poate vedea in schema din figura 2.

Varianta de sistem de injectie cu pompa de injectie monobloc este prezentat in 12.1.2. Acest sistem este folosit cu precadere la motoare de puteri mici alimentate cu motorina MA, functionarea instalatiei fiind identica. O atentie deosebita trebuie acordata insa mentinerii uniformitatii injectiei in toti cilindrii motorului, prin corelarea lungimii si formei tubulaturii de inalta presiune, astfel incat sa se obtina conditii de injectie asemanatoare pentru toti cilindrii, indiferent de distanta pana la pompa de injectie, pozitionata de regula la una din extremitatile motorului. Metoda prezinta si avantaje: un arbore de distributie scurt si o constructie compacta, dar, datorita lungimii mari a motoarelor navale, ea are o aplicabilitate limitata.

Datorita faptului ca sistemul functioneaza la presiuni ridicate si in regim nestationar, viteza de deplasare a pistonului pompei fiind variabila, in subsistem apar fenomenul de cavitatie si fenomene dinamice materializate in mod deosebit sub forma de unde de presiune, care se propaga prin conducte cu viteza sunetului. Propagarea undelor de presiune directe si reflectate in conductele subsistemului de injectie are urmatoarele consecinte:

creste intarzierea la injectie;

modifica legea de injectie a combustibilului;

provoaca aparitia fenomenului de picurare, in mod deosebit dupa terminarea injectiei.

Modul de formare si propagare al undelor de presiune este ilustrat in figura 3. Fenomenele dinamice generate in conductele de inalta presiune au efecte negative asupra procesului de injectie, iar dintre acestea picurarea dupa terminarea injectiei este cel mai defavorabil. Aceasta provoaca o ardere prelungita si incompleta si duce la cresterea consumului de combustibil, a temperaturii camasii, a temperaturii gazelor de evacuare, spalarea filmului de lubrifiant si aparitia depunerilor de calamina pe camasa, duza si supape. Cauzele care contribuie la formarea si propagarea undelor de presiune sunt:

comportarea elastica a componentelor sistemului de injectie, in mod deosebit a tubulaturii de inalta presiune, datorita presiunilor foarte mari;

compresibilitatea combustibilului (acesta, desi este fluid, se comprima);

variatiile de presiune ce iau nastere in coloana de fluid datorita vitezei variabile de deplasare a pistonului pompei de injectie;

lungimea tubulaturii de inalta presiune.

Aparitia cavitatiei in sistemele de injectie provoaca uzura prematura a componentelor hidraulice din subsistem, conducand la decalibrarea si distrugerea acestora, avand cauzele:

undele de presiune din tubulaturi;

aerul si vaporii de combustibil prezenti in sistem;

temperatura ridicata, in mod deosebit in cazul combustibilului greu.

Pentru reducerea efectelor undelor de presiune si in mod deosebit a fenomenului de picurare, este necesar ca injectia sa se termine brusc si presiunea in tubulatura de inalta presiune sa scada rapid cat mai mult posibil. Acest lucru se realizeaza folosind pompe de injectie cu supape de refulare de o constructie speciala si reducand lungimea tubulaturii de inalta presiune. Se poate merge pana la suprimarea tubulaturii si utilizarea pompelor injector, dar acestea sunt mai putin raspandite in domeniul naval.

Parametrii de baza care caracterizeaza un sistem de injectie naval sunt:

Caracteristica sistemului de injectie, care reprezinta dependenta dintre cantitatea de combustibil injectata pe ciclu intr-un cilindru , in functie de turatia motorului, pentru o pozitie a organului de reglare. In figura 4 sunt redate tipurile de caracteristici de injectie utilizate in domeniul naval. Ele depind de tipul de pompa de injectie utilizat si se aleg in functie de regimul de exploatare astfel:

solutia I este recomandabila motoarelor care dezvolta cuplu mare la turatii reduse (motoarele remorcherelor) si este caracteristica pompelor de injectie cu supape;

solutia II este preferata pentru motoarele la care cuplul dezvoltat creste cu turatia (motoarele de propulsie) si este caracteristica pompelor cu piston sertar;

solutia III este caracteristica motoarelor care trebuie sa functioneze la diverse turatii, dar cu cuplu relativ constant si este caracteristica pompelor cu corector de debit.

Neuniformitatea dozei de combustibil, caracterizeaza diferenta dintre cantitatile de combustibil injectate in cilindri diferiti ai motorului si este dat de relatia:

(1)

Fig. 7

unde sunt cantitatile maxime (minime) de combustibil injectate intr-un ciclu. Acest grad de neuniformitate variaza cu turatia dupa cum se ilustreaza in figura 5 si este foarte important ca pentru turatiile de exploatare el sa fie minim 2 3%. Scaderea sa se poate obtine printr-o reglare corespunzatoare a sistemului de injectie.

Coeficientul de debit al pompei de injectie este raportul dintre volumul de combustibil refulat de pompa de injectie la un ciclu si , volumul corespunzator cursei utile. Este dat de formula:

	Fig. 5

, (2)

unde reprezinta cresterea volumului datorita efectului de laminare, scaderea volumului datorita comprimarii combustibilului si dilatarii tubulaturii de inalta presiune, iar reducerea volumului datorita scaparilor prin neetanseitati. Uzual ia valori intre 0.85 1.1 si variaza in functie de sarcina, turatie (fig. 6), tipul de pompa (indicatiile I, II, III corespund cu cele de la caracteristica de debit, iar cu s-au notat pozitiile extreme ale organelor de comanda ale pompei de injectie, dependente de sarcina) si lungimea tubulaturii.

Durata injectiei este perioada cat dureaza injectia si poate fi exprimata in unitati de timp sau unghiulare [°RAC]. Este cuprinsa intre 15 40°RAC si este ilustrata in figura 7, prin modificarea ei realizandu-se dozarea cantitatii de combustibil injectat.

Avansul la injectie reprezinta unghiul de rotatie exprimat in °RAC din momentul declansarii injectiei si pana in punctul mort interior p.m.i. (fig. 11) si ia valori intre 2 35°RAC, valorile mici fiind specifice motoarelor lente, iar celelalte motoarelor semirapide si rapide. Exista un avans optim specific fiecarui tip de motor, stabilit pe standul de probe si care se regleaza initial, cand se pune sistemul de injectie la punct. Avansul la injectie stabilit pe stand nu este cel optim pentru toate regimurile, motiv din care la unele motoare se prevad dispozitive speciale, ce permit reglarea automata a avansului in functie de turatie si sarcina.

Presiunea de inceput a injectiei este presiunea minima la care incepe injectia combustibilului.