Мощность, развиваемая двигателем, зависит от внешней нагрузки и изменяется с помощью регулятора.
Стационарные двигатели, работающие при постоянной частоте вращения, т. е. в одном скоростном режиме, снабжаются однорежимным регулятором (рис. 8-27), изменяющим количество топлива, поступающего в цилиндр.
Валик 1 регулятора соединен шестеренчатой передачей с коленчатым валом двигателя. Вместе с валиком вращаются корпус 8 регулятора и грузы 5. Положение грузов фиксируется пружиной 9, опирающейся на муфту 7. При изменении частоты вращения вала грузы, преодолевая усилие пружины, перемещаются по дуге относительно осей 2 и передвигают муфту вдоль оси валика до упора 4.
Одновременно перемещается тяга 8, соединенная с рейкой топливного насоса. Сила сжатия пружины устанавливается винтом 10.
При уменьшении внешней нагрузки появляется избыточная мощность двигателя. В результате повышается частота вращения вала, и расходящиеся грузы под действием центробежной силы поднимают муфту, передвигающую тягу влево. При этом подача топлива в цилиндр уменьшается, соответственно снижается мощность двигателя и частота вращения возвращается к номинальной. Когда грузы достигают упоров 11, подача топлива в цилиндр прекращается.
При увеличении нагрузки замедляющаяся частота вращения вала уменьшает центробежную силу грузов и под действием пружины они сближаются. Тяга 8 перемещается вправо, подача топлива увеличивается и становится максимальной, когда грузы достигают упоров 6.
Частота вращения п2 при работе на холостом ходу наибольшая, наименьшая п1 при номинальной мощности, средняя псp. Величина
называется степенью неравномерности регулирования, лежащей в пределах 0,03—0,06.
Регуляторы, в которых рейка топливного насоса переставляется центробежной силой грузов, называются прямодействующими.
С увеличением мощности двигателя возрастают усилия, требующиеся для передвижения деталей регулятора. Для этого используется сервомотор, работающий по команде, поступающей от регулятора.
На рис. 8-28 показана схема центробежного регулятора с сервомотором. Положение деталей по схеме соответствует режиму работы двигателя при установившейся частоте вращения и нагрузке, равной примерно половине номинальной.
При увеличении нагрузки, но не изменяющейся дозе топлива, сжигаемого в цилиндре, частота вращения вала будет уменьшаться и, наоборот, увеличиваться, если нагрузка уменьшается. Изменение частоты вращения вала вызывает перемещение элементов системы регулирования в такое положение, при котором в цилиндр начинает поступать количество топлива, соответствующее новой нагрузке. Частота вращения вала стабилизируется при этой величине нагрузки и система регулирования приходит в состояние равновесия до следующего изменения нагрузки.
Импульсом, приводящим в действие систему регулирования, является центробежная сила вращающихся масс грузов. Однако механизм вращающихся грузов непосредственной (прямой) связи с приводом реек топливных насосов не имеет.
Рис. 8-27. Схема однорежимного регулятора 8В»
Рис. 8-28. Схема регулятора с упругой обратной связью
Чтобы использовать сравнительно небольшую по величине энергию вращающихся масс для перемещения реек топливных насосов, в конструкцию регулятора включается дополнительный источник энергии и ряд промежуточных деталей, образующих упругую систему соединения механизма вращающихся грузов с приводом реек топливных насосов. В эту систему входит узел, поддерживающий постоянную частоту вращения на всех нагрузках и получивший название изодрома. Поэтому регулятор, имеющий указанные узлы и детали, называется изодромным, или регулятором с упругой обратной связью.
Вертикальный вал 7 через конические шестерни 8 получает вращательное движение от коленчатого вала двигателя. На верхнем конце вала 7 укреплена планка 1, вращающаяся вместе с валом. Планка 1 шарнирно соединена с двумя рычагами 2, на конце которых укреплены грузы 4. Рычаги 2 связаны тягами 6 с муфтой 3, не вращающейся, но свободно перемещающейся вдоль оси вала 7. К нижней части муфты 3 присоединен неравноплечий рычаг 5.
Левый конец рычага 5 соединен со штоком поршня изодрома 14, а цилиндр изодрома, заполненный маслом, присоединяется к штоку поршня силового цилиндра 13 сервомотора.
Поршень изодрома имеет несколько калиброванных отверстий, поэтому его вертикальное перемещение происходит плавно со скоростью, зависящей от количества масла, проходящего через отверстия в поршне.
Правый, более короткий конец рычага 5 шарнирно соединен со штоком золотника 9, управляющего подачей масла в полости силового цилиндра 13.
Процесс регулирования протекает следующим образом. При увеличении частоты вращения вращающиеся грузы 4 под действием центробежных сил расходятся, перемещаясь по дуге вверх. При этом муфта 3, движущаяся вверх, сжимает пружину 16 и приподнимает рычаг 5, правый конец которого передвигает вверх поршень золотника, открывающего выход масла по трубе 11 из верхней полости цилиндра 13 в масляный резервуар. По трубе 10 масло поступает в нижнюю полость цилиндра 13 под давлением, создаваемым насосом.
Поршень силового цилиндра, перемещаясь вверх, поднимает цилиндр изодрома и левый конец рычага 5. Пружина 15 при этом сжимается; правый конец рычага 5, опускаясь, ставит поршни золотника в положение, прекращающее вход масла в нижнюю полость и выход из верхней полости силового цилиндра. В результате поршень силового цилиндра останавливается. К этому моменту топливные насосы уменьшают подачу топлива соответственно понизившейся нагрузке. (В этом случае указатель 12 передвигается вверх.) Окончание движения силового поршня совпадает с началом перемещения вниз поршня изодрома под действием разжимающейся пружины 16. При этом левый конец рычага 5 и муфта 3 опускаются, грузы 4 сближаются. В момент прекращения опускания муфты 3 вся система возвращается в первоначальное положение и находится в равновесии, при котором двигатель работает при постоянных оборотах. С возрастанием нагрузки на двигатель частота вращения вала убывает, грузы сближаются, муфта 3 и золотник
9 передвигаются вниз, при этом нижний поршень золотника открывает отверстие трубы 10, по которой масло из нижней полости цилиндра 13 сливается в резервуар. Одновременно верхний поршень золотника открывает отверстие трубы 11, поэтому масло, нагнетаемое насосом, направляется в верхнюю полость цилиндра 13 и своим давлением перемещает поршень вниз. При этом плунжеры насосов поворачиваются в сторону увеличивающейся подачи топлива до величины, соответствующей новой нагрузке.
Из описанного действия системы регулирования следует, что центробежная сила вращающихся грузов используется только для перемещения золотника. Для передвижения реек топливных насосов применяется дополнительный источник энергии — насос, нагнетающий масло в одну из полостей силового цилиндра 13. Изодром, пружина 15 и рычаг 5, передающие движение силового поршня золотнику, являются обратной упругой связью.
Центробежные силы грузов 4 уравновешиваются силой затяжки пружины 16. Увеличение затяжки пружины требует увеличения центробежных сил, что при постоянной массе грузов может быть достигнуто повышением скорости их вращения, т. е. увеличением частоты вращения коленчатого вала и вала 7. Следовательно, грузы могут занимать одно и то же положение относительно горизонтальной плоскости при разной частоте вращения коленчатого вала, если соответственно меняется сила затяжки пружины. Это позволяет использовать систему регулирования для изменения частоты вращения двигателя. При повышенной затяжке пружины двигатель работает с увеличенной частотой вращения и развивает повышенную мощность. Минимальная частота вращения вала холостого хода достигается соответствующим ослаблением затяжки пружины 16. Частота вращения холостого хода равна 1/2-4-1/3 максимальной. Устанавливается несколько промежуточных значений частоты вращения, при которых двигатель может развивать мощности, соответствующие частичным нагрузкам. Например, у двигателя Д50 частота вращения изменяется от 270 об/мин (холостой ход) до 740 об/мин, а у 2Д100—от 400 до 850 об/мин. Для первого двигателя установлены 6, а для второго 14 промежуточных значений постоянной частоты вращения, которые фиксируются позицией рукоятки контроллера. Поэтому на тепловозах с двигателем Д50 контроллер имеет восемь, с двигателем 2Д100 — шестнадцать позиций.
Передвижение рукоятки контроллера на высшую позицию увеличивает силу затяжки пружины 16, в результате грузы 4 сближаются, муфта 3 и рычаг 5 переставляют золотник в положение, при котором поршень сервомотора опускается, вызывая увеличение подачи топлива в цилиндры. Вследствие этого частота вращения коленчатого вала возрастает до момента уравновешивания силы затяжки пружины 16 центробежной силой грузов 4.
Регулятор, действующий по описанной схеме и обеспечивающий работу двигателя с несколькими строго фиксированными частотами вращения, называется многорежимным. Некоторые тепловозные и тракторные двигатели не имеют фиксированных позиций контроллера/ Машинист может ставить рукоятку контроллера в любое положение, при котором двигатель развивает мощность, требующуюся в данный момент. Регуляторы, применяемые в этом случае, называются всережимными.
Воздействие на пружину регулятора с поста управления осуществляется с помощью электрического или электропневматического привода.
Для предотвращения чрезмерного увеличения частоты вращения в случае порчи регулятора на тепловозном двигателе устанавливается регулятор безопасности, выключающий подачу топлива в цилиндры, когда частота вращения увеличится на 10% против номинальной.