Узлы и механизмы для разборки и сборки системы питания дизельного двигателя
СОДЕРЖАНИЕ
- ВВЕДЕНИЕ 3
- ГЛАВА I. Аналитический обзор литературных источников. 4
- 1.1 История создания дизельного двигателя. Характеристики дизельного топлива. 4
- 1.2 Общее устройство и действие системы питания. 6
- 1.3 Развитие дизельного двигателестроения. 8
- 1.4 Экология - двигатель прогресса в моторостроении. 13
- 1.5 Насос - форсунки современных дизелей. 16
- 1.6 Регуляторы топливных систем. 18
- 1.7 COMMON RAIL - Аккумуляторные топливные системы. 19
- ГЛАВА II. Расчет эффективности конструкции и работы двигателя внутреннего сгорания. 24
- 2.1. Характеристики двигателей. 24
- 2.2. Классификация испытаний и оборудование для них. 31
- 2.3. Технология проведения испытаний и обработка их результатов. 34
- ГЛАВА III. Разработка набора «Система питания дизельного двигателя». 36
- 3.1. Требования к оборудованию. 36
- 3.2. Разработка конструкции набора. 36
- 3.3.Технология изготовления набора. 38
- ГЛАВА IV. Применение набора при изучении курса «Трактор». 40
- 4.1.Обучение школьников сельскохозяйственной технике. 40
- 4.2. Практические работы по разделу «Система питания дизельного двигателя». 41
- Заключение. 50
- Литература. 51
- ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Ввиду того, что Бирский государственный институт развивается, открываются новые специальности, и в перспективе институт должен получить статус университета необходимо активное расширение материальной базы учебного процесса.
В связи с тем, что на факультете «Технология и предпринимательство» изучают такие дисциплины как машиноведение, детали машин, сельскохозяйственную технику, передо мной была поставлена задача: подобрать и изготовить набор узлов и механизмов для разборки и сборки системы питания дизельного двигателя, а также разработать методическое пособие по изучению данного раздела.
Прорабатывая различную техническую литературу по теме, консультируясь с мастерами цеха топливной аппаратуры и преподавателями нашего института, а так же имея в виду материальную базу института и мои собственные возможности, я решил, что оптимальным вариантом будет набор узлов и механизмов системы питания дизельных двигателей А-41, Д-240.
Цели и задачи. Цель данной работы заключалась в создании набора узлов и механизмов системы питания дизельного двигателя, а также разработки методического пособия для изучения данного раздела. Сформулированная цель распалась на ряд задач:
- проанализировать литературные источники;
- спроектировать набор системы питания;
- подобрать необходимые узлы и механизмы;
- придать узлам эстетичный вид;
- собрать набор;
- разработать методическое пособие по использованию этого набора.
ГЛАВА I. Аналитический обзор литературных источников.1.1 История создания дизельного двигателя.Характеристики дизельного топлива.Двигатель внутреннего сгорания был изобретён в 1860 году французским механиком Э. Ленуаром. Своё название он получил из-за того, что топливо в нём сжигалось не снаружи, а внутри цилиндра двигателя. Аппарат Ленуара имел несовершенную конструкцию, низкий КПД (около 3%) и через несколько лет был вытеснен более совершенными двигателями.
Наибольшее распространение среди них получил четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания, сконструированный в 1878 году немецким изобретателем Николаусом Оттом.
Двигатели Ленуара и Отто работали на смеси воздуха со светильным газом. Бензиновый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1885 году немецким изобретателем Готлибом Даймлером. Примерно в то же время бензиновый двигатель был разработан и О.С.Костовичем в России. Горючая смесь (смесь бензина с воздухом) приготовлялась в этом двигателе с помощью специального устройства, называемого карбюратором.
В 1897 году немецкий инженер Рудольф Дизель сконструировал двигатель внутреннего сгорания, в котором сжималась не горючая смесь, а воздух. В процессе этого сжатия температура воздуха поднималась на столько, что при попадании в него топлива оно самовозгоралось. Специального устройства для воспламенения топлива в этом двигателе уже не требовалось; не нужен был и карбюратор. Новые двигатели стали называть дизелями.
Двигатели Дизеля являются наиболее экономичными тепловыми двигателями: они работают на дешёвых видах топлива и имеют КПД 31-44% (в то время как КПД карбюраторных двигателей составляет обычно 25-30%). В настоящее время дизельные двигатели работают на дизельном топливе. Его характеризуют высокая теплотворная способность, хорошая распыляемость, испаряемость в горячем воздухе и воспламеняемость, оно должно быть химически стабильным при хранении, не вызывать коррозии металлов, не содержать механических примесей и воды. В зависимости от условий работы, применяют дизельное топливо следующих марок: Л (летнее)- при температуре окружающего воздуха 00 С и выше, З (зимнее)- при температуре окружающего воздуха минус 200 С и выше ( температура застывания топлива не выше минус 350 С ) и более морозостойкое топливо, применяемое при температуре минус 300 С и выше (температура застывания топлива не выше минус 450 С ), А (арктическое)- при температуре окружающего воздуха минус 500 С и выше.
Присутствие серы в топливе уменьшает период задержки его самовоспламенения в цилиндре, что благоприятно сказывается на работе двигателя. Двигатель работает мягче, то есть с меньшими ударными нагрузками. Однако сера повышает образование нагара и способствует быстрому износу деталей поршневой группы. По содержанию серы дизельное топливо подразделяют на два вида: доля серы не более 0,2%; доля серы не более 0,5%.
В условное обозначение топлива марки Л - входят доля серы и температура вспышки, топлива марки З - доля серы и температура застывания, топлива марки А - доля серы. Например, дизельное топливо Л-0,2-40 (ГОСТ 305-82) означает: летнее топливо с долей серы до 0,2% и температурой вспышки 400 С; дизельное топливо З-0,2 минус 350 С (ГОСТ 305-82) означает: зимнее топливо с долей серы до 0,2% и температурой застывания минус 350 С; дизельное топливо А-0,4 (ГОСТ 305-82) означает: арктическое топливо с долей серы 0,4%.
Топливо определенных сортов необходимо применять соответственно сезону года. Повышенная вязкость топлива ухудшает его текучесть и распыл, а низкая - смазывающую способность.
Вязкость зимних сортов топлива меньше летних. При применении летнего сорта топлива зимой резко увеличивается его вязкость и оно начинает кристаллизоваться (застывает).
Применение арктических и зимних сортов топлива в летних условиях экономически нецелесообразно. На отдельных типах дизельных двигателей в силу особенности конструкции, например высокооборотности, наддува, для которых предусматривается только малосернистое дизельное топливо, не разрешается применять сернистые сорта топлива. При отсутствии в зимнее время дизельного топлива требуемой марки допускается применение летних сортов с добавлением 25% (по массе) керосина при температуре до -200 С и 50% - при температуре от -200 до -350 С.
1.2 Общее устройство и действие системы питания.Система питания дизеля состоит из устройств, механизмов и деталей, обеспечивающих необходимый запас топлива, очистку и подачу топлива и воздуха в цилиндры, удаление отработавших газов в атмосферу, а также изменение количества подаваемого топлива в зависимости от условий работы трактора. Дизельное топливо заливают в бак 14 через горловину, имеющую сетчатый фильтр для очистки топлива от крупных примесей. В нижней части бака установлено два крана: запорный 15 для перекрытия подвода топлива из бака к устройствам и механизмам системы питания и сливной для удаления отстоя или топлива из бака.
Когда открыт запорный кран, топливо из бака проходит по топливопроводу 16 к фильтру 17 грубой очистки, в котором оно очищается от крупных примесей и воды. Затем по топливопроводу 18 топливо поступает к подкачивающему насосу 19, который нагнетает его под давлением около 0,12МПа(1,2 кг-с/см2) по топливопроводу 13 к фильтру 12 тонкой очистки.
Отфильтрованное топливо подается по топливопроводу 9 к топливному насосу 21 высокого давления, которым оно по топливопроводам 7 и через форсунки 6 впрыскивается под давлением 17,5 МПа (175 кг-с/см2 ) в камеры сгорания в конце цикла сжатия воздуха в цилиндрах. Распыленное топливо хорошо смешивается с горячим воздухом и, самовоспламеняясь, сгорает. Продукты сгорания топлива после открытия впускного клапана отводятся из цилиндра в атмосферу через выпускной трубопровод и глушитель 1.
Количество топлива, подаваемого топливным насосом высокого давления в цилиндры, изменяется вручную или автоматически всережимным регулятором 23. Избыточное топливо, подаваемое подкачивающим насосом к топливному насосу высокого давления, отводится по топливопроводу 22 обратно к подкачивающему насосу.
Топливо, просочившееся через зазоры между деталями форсунок, стекает по трубопроводам 8 в фильтр тонкой очистки.
Воздух, необходимый для образования горючей смеси, засасывается двигателем из атмосферы, проходит через воздухоочиститель 2 и поступает через впускной коллектор в цилиндры двигателя. Дизельный двигатель потребляет большое количество воздуха. Для сгорания 1 килограмма топлива в дизеле необходимо 18-20 кг и более воздуха.
Таким образом, двигатели внутреннего сгорания на каждые 100 кг сгоревшего топлива, используют около 2 т атмосферного воздуха, а возвращают отработанные газы.
1.3 Развитие дизельного двигателестроения.Столкнувшись в 70-х годах с проблемой загрязнения воздуха, самая автомобильная нация - американцы - принялись искать выход из сложившейся ситуации. И нашла его, разработав нейтрализатор выхлопных газов, который, по крайней мере, снял остроту проблемы.Именно нейтрализаторам и обязаны глобальным распространением система впрыска топлива, первые образцы которых появились еще в 50-х годах, но до конца 80-х так и не составили конкуренции карбюраторам.С появлением двигателей, оборудованных впрыском топлива, у нас в стране за ними укрепился эпитет инжекторные, который ведет происхождение от английского глагола to inject - впрыскивать, вдувать. Существительное инжектор можно применять лишь к форсунке, но вряд ли к двигателю в целом.Система питания HPI разработанная шведскими специалистами совместно с американской фирмой «Камминс». Изюминка скрыта в оригинальном гидравлическом управлении насос-форсунками. В каждой - две секции: одна предназначена для «рабочего» топлива (далее оно направится в камеру сгорания), а от переменного объема другой зависит момент впрыска.Сколько подать топлива в одну и другую половинку форсунки, определяет электронный блок. Он открывает и закрывает электромагнитные клапаны, дозирующие топливо, - всего их четыре, по паре на каждые три цилиндра. Такова роль электроники, а непосредственно форсункой управляет гидравлика. Она достаточно «сильна», чтобы работать с давлением более 1000 атм, и способна сдвигать начало и окончание впрыска. Это выгодно отличает новинку от «электронных» аналогов. Разработчики достигли компромисса между экологией и мощностью: вредных веществ в отработанных газах не прибавилось, а дополнительные киловатты появились. На мощных двигателях нередко применяют системы наддува, которые подают в цилиндры воздух под давлением, тем самым, увеличивая его количество и в итоге - мощность мотора. Общие названия этих систем - компрессор, и чаще употребляемый синоним нагнетатель произошло от глаголов сжимать и наполнять. Сегодня большинство фирм используют два основных вида нагнетателей - механические и приводимые в действие отработавшими газами. У каждого свои преимущества и недостатки, определяющие область применения.«Мерседес», например, уже давно определился с выбором и устанавливает нагнетатели с механическим приводом на бензиновые двигатели, а турбокомпрессоры - на дизельные. Дело в том, что у приводных (жестко связанных с валом двигателя) нагнетателей давление наддува не зависит от оборотов, благодаря чему двигатель быстро реагирует на нажатие педали акселератора. Особенно ценно это качество при разгоне. Также в их активе простота конструкции. Но, естественно, есть и другая сторона медали: расход топлива у моторов, оборудованных нагнетателями с механическим приводом, выше, а КПД ниже, чем у двигателей с турбонаддувом.
Наиболее распространенный вид наддува, широко используемый сегодня в дизелях и в бензиновых моторах, - турбонаддув. Отработавшие газы вращают турбину, а та, в свою очередь, приводит компрессор, нагнетающий свежий воздух.
Выигрыш от турбокомпрессора - значительное улучшение характеристик двигателя за счет побочной энергии. А вот моментального отклика и уж тем более энергичной помощи на малых оборотах от турбокомпрессора ждать бесполезно; в самом общем случае он обеспечивает высокий крутящий момент лишь при оборотах выше средних - в характеристике появляется провал, называемый «турбоямой». (Впрочем, «турбояму» можно устранить; кроме известных методов, передовые фирмы пробуют…. подкрутку турбины специальным высокоскоростным электродвигателем.) Еще один минус - высокие требования к культуре производства и эксплуатации придирчивого турбокомпрессора.
В силу особенностей рабочего процесса дизельные двигатели лучше подходят для оснащения турбонаддувом, нежели бензиновые. Конечно, существуют и другие типы наддува, например с использованием волнового обмена, но сейчас они практически не используются.
Однако при сжатии воздух нагревается, его плотность падает, а значит, масса воздуха, доставленного в цилиндры, уменьшается. А что, если воздух после компрессора охлаждать? Для этого служит устройство, именуемое по-разному: промежуточным охладителем, охладителем наддувочного воздуха или, на импортный манер интеркулером. Это воздухо-воздушный радиатор, где нагретый в компрессоре воздух идет по трубкам и охлаждается потоком воздуха «забортного».
Кстати, охладитель позволяет не только увеличить массу свежего заряда в цилиндрах. Он еще и одно из средств борьбы с окислами азота. Эти вредные соединения образуются в процессе сгорания топлива при высокой температуре, а с помощью охладителя ее удается несколько снизить.
На современных дизельных двигателях улучшения характеристики крутящего момента при повышении экономичности и экологичности помогает достичь турбокомпаунд. Это устройство «подкручивает» коленвал энергией отработавших газов, передавая ее от турбины на маховик с помощью собственной гидротрансмиссии. Турбокомпаунд работает при больших нагрузках двигателя, обеспечивая прирост момента и мощности.
В настоящее время немецкая фирма «Мете» в сотрудничестве с «Сименсом» предложила наддув без насоса, турбины или резонансных камер, позволяющий в первую очередь улучшить тягу двигателя «на низах». Названа она электроимпульсной, ибо родилась благодаря современной электронике и компьютерам.
Во впускном трубопроводе перед каждым цилиндром установлен специальный электромагнитный клапан, управляемый собственным контроллером, который через шину передачи данных связан с основным электронным блоком двигателя. В начале такта впуска клапан плотно закрыт. Незадолго до нижней мертвой точки, когда разрежение в цилиндре максимально, клапан резко открывается. Воздух резко устремляется в цилиндр с огромной скоростью, создавая сверхзвуковую ударную волну. Если бы клапан остался открытым и дальше, часть воздуха вернулась бы во впускной коллектор, но быстродействующая электроника успевает закрыть коллектор. Кроме того ударная волна воздуха лучше перемешивает топливную смесь и снижает склонность мотора к детонации.
Прямой эффект - увеличившийся на 30% крутящий момент в самом неблагоприятном режиме, когда двигатель работает на низких оборотах, а водитель резко прибавляет газ. В новой конструкции нет недостаточно надёжной турбины и вообще никаких вращающихся деталей - только клапан да пара управляющих соленоидов.
Только на примере системы питания мы видим, что двигатели внутреннего сгорания постоянно совершенствуются, достигая все более высоких показателей по мощности, экономичности, увеличению ресурса и что особенно важно в экологичности выхлопных газов.
1.4 Экология - двигатель прогресса в моторостроении.За последние пять лет ушедшего столетия дизельные двигатели совершили рывок в своем развитии. Совершенствование топливной аппаратуры, одно из перспективных направлений для конструкторов дизельных моторов. Некогда маломощный, шумный мотор теперь конкурирует наравне с бензиновыми собратьями, по-прежнему опережая их в экономичности. Хорошим тоном ныне считается использование новейших открытых камер сгорания, регулирование фаз газораспределения и длины впускных каналов. Обязателен наддув с промежуточным охлаждением, причем регулируют его не простым перепуском газов мимо турбины, а поворотом направляющих лопаток компрессора или турбины, подкруткой турбокомпрессора электродвигателем. Намеренная черта современных дизелей - топливные системы нового поколения.Многие фирмы уже делают впускные трубопроводы с изменяемой геометрией. На минимальных оборотах воздух идёт к камере сгорания по длинному пути, на повышенных - открывается короткий трубопровод.
В ближайшей перспективе длину впускных каналов будут изменять не ступенчато, а плавно. Например, такая конструкция уже работает на моторах БМВ. Вращающийся барабан с электроприводом за секунду способен увеличить путь воздуха от 231 до 673 мм. До 3500 об/мин работает длинный канал, а с ростом оборотов он укорачивается.
Кроме того, баварские мотористы предлагают изменять высоту подъёма клапана в зависимости от режима работы мотора. «Вэлвтроник» уже прописался на серийных двигателях. Дополнительный эксцентриковый вал управляет рычагами, которые ограничивают ход впускных клапанов.
Ещё один способ управлять поступающим в цилиндры воздухом - смещать фазы газораспределения. Поворачивая распредвал, можно изменять момент открытия и закрытия клапанов. Тем самым улучшается наполнение цилиндров, а следовательно, растут мощность и момент, снижая расход топлива, улучшается количество вредных веществ в отработавших газах.
Многие фирмы предлагают варианты таких конструкций, некоторые уже прижились на серийных моторах. Кстати, оригинальная отечественная конструкция испытанная для моторов ВАЗ и, возможно, появится на перспективных моделях.
Качественный скачек дизелестроения простимулирован экологическими нормами. Например, в Европе выбросы окислов азота и твердых частиц дизелями снизились за 10 лет в 10 раз.
В борьбе за чистоту выхлопа конструкторы столкнулись с серьезной проблемой: большинство изменений рабочего процесса дизеля снижает выбросы лишь одного из двух компонентов. Например, увеличение опережения впрыска уменьшает эмиссию частиц, но увеличивает выбросы NO . Разрубить гордиев узел позволили высокое давление впрыска и электронное управление. Благодаря повышению давления улучшается распыление топлива, что способствует более высокому и полному сгоранию. Это поясняет, почему почти 60 лет (с 1927 по 1985) максимальное давление впрыска составляло 20-50 МПа, а в последние 10 лет выросло до 200 МПа.
