Топливные системы с механическими регуляторами постепенно снимают с производства. Переход на новый уровень давления и электронное управление потребовал пересмотра традиционных конструкций. Отказались от рядных насосов высокого давления (ТНВД) с регулировочным люком, ведущих родословную от насоса серии А фирмы «Бош» 1927 года. Ближайшие его родственники имеют жёсткий глухой корпус, толстый вал с вогнутыми кулачками, высокие моновтулки плунжеров, могут снабжаться второй рейкой, управляющей опережением впрыска.
В ряду распределительных насосов высокого давления самая популярная в мире модель «Бош-VE», ведущая историю с 1976 года, вытесняется более современными электроуправляемыми ТНВД фирмы «Бош», «Лукас», «Зксель», «Станадайн».
1.5 Насос - форсунки современных дизелей.Чуть подробнее - о двух наиболее современных и перспективных конструкциях. Первая - насос-форсунка с быстродействующим электроуправляемым клапаном (Рис.6) работает таким образом: при движении плунжера 3 электромагнит 1 закрывает клапан 2 и топливо устремляется не на слив, а в распылитель 5. При отключении электромагнита клапан открывается и через канал 4 отсекается подача. Момент включения электромагнита обуславливает опережение впрыска, момент включения - величину подачи. Именно с насос - форсунки «Детройт Дизель» началось их шествие по миру. Такие системы прижились на двигателях грузовых и легковых автомобилей.Они перешагнули уровень давления впрыска 200 МПа, позволяя осуществить двухфазный впрыск, снизив шумность работы и выбросы NO .При всей простоте система на сегодня наиболее эффективна и пока только она позволяет выполнить перспективные требования Евро 4.Из-за особенностей компоновки сложно расположить насос-фарсунку соосно цилиндру, ее обслуживание затруднено. Однако высокое качество впрыска (тонкий распыл) и возможности электронного управления обеспечивают, помимо высоких экологических свойств, очень низкий расход топлива.Фирмами «Бош» и «Лукас» освоены ТНВД с быстродействующим клапаном управление сливом.Индивидуальные насосы, пришли на смену блочным, позволили сделать короткий нагнетательный трубопровод. Это приблизило их по свойствам к насос-форсункам например, по давлению впрыска (150 МПа и выше). Насосы приводятся распределительным валом, располагаются вблизи «своего» цилиндра и работают с обычными форсунками. Сохраняются привычная красота головки цилиндров, удобства обслуживания, применимость имеющихся топливных стендов, а необходимость в механической регулировке насоса отпадает.В таких ТНВД отсутствуют выточки на плунжерах, механизмы поворота плунжеров, автоматические регуляторы. Их появления на рынке - приговор «двухреечным» насосам и, по всей видимости, традиционным рядным ТНВД. Единственный сложный элемент-клапан управления. Он должен срабатывать за 0,1мс, не испытывать влияния гидравлических сил при огромных давлениях, иметь лёгкий и мощный электропривод.
1.6 Регуляторы топливных систем.Уже сейчас ведущие производители заменили механические регуляторы Уатта электронными. Их характеризует гибкость управления, самодиагностика, использование резервных программ. Появились и собственные опции: питание каждого цилиндра в соответствии с его техническим состоянием и особенностями изготовления, отключения цилиндров, управление параметрами впрыска и др.Крупнейшие мировые производители выпускают весь спектр топливных систем. Какие из ныне распространенных не приживутся, а какие станут популярными? Рядные насосы уже покинули класс легковых автомобилей и вытесняются с грузовиков. Распределительные ТНВД пока остаются наиболее массовыми, но из-за большей сложности и дороговизны их роль и тем более перспективы стремительно сужаются. Самых новых и современных насосов это коснулось даже в большей степени. Фирма «Бош» планирует уже к 2006 году сократить долю распределительных насосов до 15%; ранее не выпускавшиеся электроуправляемые насос-форсунки и индивидуальные ТНВД завоюют 19% всего объёма, а 62% объёма выпуска будет приходится на «коммон рейл».Будущее отечественных дизелей не столь предсказуемо. На дизель ГАЗ-560 взамен «механической» чешский насос-форсунки просится новая, с электронным управлением: она даст возможность изменить опережение впрыска. Для всех транспортных дизелей применима и желательна «коммон рейл». На опытном ЗМЗ-514 она уже работает. Но зарубежные комплектующие сильно поднимут цену отечественных двигателей, а собственных готовых изделий и технологической базы нет. К сожалению, слишком медленно внедряются самые подходящие для России ТНВД с быстродействующими клапанами слива. Одно из объяснений этого в том, что потребитель не заинтересован в современных двигателях. С учетом стоимости он однозначно выбирает устаревшие.
1.7 COMMON RAIL - Аккумуляторные топливные системы.Аккумуляторные топливные системы с успехом применялись в 50-е годы на двигателях морских судов. На новом техническом уровне, с применением электронного управления они появились на серийных двигателях в 1997 году. О таких системах, названных «коммон рейл» (в осмысленном переводе - «общий аккумулятор»).Именно они, помимо регулирования величины и опережения подачи, умеют управлять характеристикой и давлением впрыска. На рис.8 - схема системы «коммон рейл». Наиболее сложные, дорогие и нетрадиционные её элементы - ТНВД и электрогидравлическая форсунка. Радиально-плунжерный насос с помощью эксцентрикового вала приводит в движение три плунжера. В нем размещают также регулятор производительности и подкачивающий шестеренчатый насос. Принцип действия электрогидравлической форсунки сложнее. В отличие от бензиновых электромеханических форсунок, здесь электромагнит при давлении 135 МПа не в состоянии поднять запорную иглу, поэтому используется принцип гидроусиления.Сегодня «коммон рейл» реализует не только двухфазный впрыск для снижения шумности или выбросов NO, но и трех-пятифазный. Готовятся системы с 15 короткими импульсами впрыска - так формируется наиболее желательная для каждого режима дизеля характеристика впрыска.При подаче на электромагнит 1 напряжения открывается миниатюрный сливной шариковый клапан 2. Давление в камере управления 3 падает, и запорная игла 6 под действием высокого давления в кармане распылителя 7 открывается. Чем дольше она открыта, тем больше подача и мощность дизеля. При отключении электромагнита клапан 2 закрывается, давление в камере управления восстанавливается через жиклер 4. Мультипликатор 5 увеличенного диаметра быстро закрывает иглу.На протяжении последних десятилетий дизельные и карбюраторные двигатели конструктивно постепенно сближались: степень сжатия бензиновых моторов росла, форсунка переместилась из впускного коллектора в камеру сгорания. А степень сжатия дизелей, напротив, несколько снизили.В конце 2002 года французский НИИ бензина собрал двигателистов на международный конгресс, посвященный новым процессам внутреннего сгорания. Оказывается, ряд крупных фирм (среди них «Тойота», ФИАТ, «Форд», «Фольксваген», АВЛ) уже вовсю ведет исследования, результатом которых должен стать гибридный двигатель.
Создание гибрида - вполне логичный шаг. Ведь, с одной стороны, приверженцы бензиновых моторов предлагают в некоторых режимах работы воспламенять смесь от сжатия (контролируемое воспламенение), с другой - дизелисты согласились поставить в цилиндры искровые свечи, чтобы поджечь равномерно распределенное по камере сгорания топливо(HCCI - поджигание гомогенного заряда под давлением). Цель одна: в течение ближайшей пятилетки снизить содержание вредных веществ в выхлопе до … почти нулевого уровня. Реальным считают 100-кратное уменьшение выбросов окислов азота и 10 - 50-кратное - частиц сажи. И это не прожектерство: экспериментальный мотор «Форда» на базе «Зетек-1,7 16V» с системой воспламенения уже показал снижение уровня NHx на 99%, а потребления бензина - на 30%.
Разработчики давно поняли: сжечь топливо без остатка, а значит, без вредных выбросов в выхлопную трубу можно, лишь распределив заряд по камере сгорания равномерно (гомогенно) и также равномерно следует поджечь его сразу во всем объеме. В бензиновых моторах сложно как раз второе, потому-то и пошли на воспламенение от сжатия.
В дизелях трудно равномерно перемешать заряд - на это нужно время. Поэтому топливо стали впрыскивать значительно раньше ВМТ, разбавляя его воздухом еще до форсунки. В результате потребовалась искровая свеча. Так, по сути, породнились изобретения Отто и Дизеля. Преимущества моторов сложили, недостатки уменьшили.
Исследователи установили: оптимальная степень сжатия - 15:1. Запустить мотор помогают искровые свечи, а смесь готовят в зависимости от режима работы. При малой нагрузке, когда среднее давление в цилиндре не превышает 4 бар, используют гомогенный заряд, наполовину разбавленный выхлопными газами. В интервале от 4 до 7-8 бар следует дополнительный короткий впрыск топлива после ВМТ и в цилиндр возвращается еще больше отработавших газов. Наконец, при большой нагрузке процесс становится типичным для традиционного дизельного двигателя - свечи не работают.
Если верить публичным заявлениям, ближе всех к цели «Фольксваген» со своим методом CCS (комбинированная система сгорания). Оказалось, правда, что для стабильного образования гомогенного облака горючей смеси, которое бы не воспламенилось раньше времени, нужно новое топливо. Не бензин и не солярка, а нечто среднее, синтетическое. Топливо должно по возможности лучше испаряться, но не вспыхивать слишком легко. Таким может стать испытанный недавно «Синфьюэл», получаемый из природного газа, или «Санфьюэл» - из биомассы. Они не содержат серы и ароматических углеводородов - дополнительный плюс для экологии.
Если на автомобилях лет через пять действительно появятся гибридные моторы, стоит ожидать падения цен на нефть и рост - газ. Не случайно уже сегодня гигант «Шелл» вкладывает миллиарды в строительство «газоперегонных» заводов: ведь получаемое там синтетическое топливо в любом случае не пропадет, а без вреда для атмосферы сгорит в дизельных моторах.
ГЛАВА II. Расчет эффективности конструкции и работы двигателя внутреннего сгорания.
2.1. Характеристики двигателей.Энергетические и экономические показатели двигателя при различных режимах работы (частое вращение коленчатого вала и нагрузке) оценивают по его характеристикам: регулировочным, скоростной и нагрузочной.
Характеристики - это графические выражения зависимости какого-либо основного показателя работы двигателя от другого показателя, построенные по опытным данным, которые были получены в результате испытаний двигателя на специальных тормозных установках (стендах). Методы поведения стендовых испытаний двигателей стандартизованы (ГОСТ 18509-80 для тракторных и комбайновых дизелей, ГОСТ 14846-81 для автомобильных двигателей).
Регулировочные характеристики отражают зависимость основных показателей двигателя от принятых регулировок его механизмов, влияющих на протекание рабочего процесса. Те значения регулируемых параметров двигателя, которые обеспечивают получение заданной мощности и наибольшей экономичности, называют оптимальными. Их определяют по регулировочным характеристикам.
В качестве примера на рисунке 10, приведена регулировочная характеристика по установочному углу начала подачи топлива насосом дизеля СМД-14. Она показывает зависимость мощности и удельного расхода топлива от угла Qн начала подачи топлива насосом. Снимают такую характеристику при работе дизеля с постоянной частотой вращения коленчатого вала, принятом часовом расходе топлива и других оптимальных показателях. Для снятия характеристики рейку топливного насоса закрепляют в положении полной подачи топлива (начало включения корректирующего устройства). Последовательно изменяя специально установленной муфтой угол опережения подачи топлива, определяют эффективную мощность дизеля. На характеристике видно что максимальную эффективную мощность 55 кВт и минимальный удельный расход топлива 268 г/кВт ч дизель имеет, если начинать топливо подавать, когда кривощип коленчатого вала не доходит до верхней мёртвой точки на и=19о. Это и есть оптимальный угол опережения подачи топлива.
Рис.10. Регулировочная характеристика по углу опережения подачи топлива насосом дизеля А-41.
К числу регулировочных относятся характеристики, показывающие изменение мощности и удельного расхода топлива в зависимости от ряда факторов: давления на впуске и выпуске и др.
Скоростная характеристика показывает зависимость энергетических и экономических показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала при постоянном положении дроссельной заслонки или рейки топливного насоса, то есть представляет собой графическое изображение (рис.11, 12) зависимостей Ne=f(n), Mk=f(n), GT=f(n), ge=f(n).
Скоростная характеристика, снятая при полностью открытой дроссельной заслонке или полной подаче топлива и при углах опережения зажигания или начала подачи топлива, указанных в технических условиях на двигатель, называется внешней.
Скоростные характеристики, полученные при неполных, но постоянных для каждой характеристике степенях открытия дроссельной заслонки при положениях рейки топливного насоса, называются частичными.
Скоростные характеристики снимают, постепенно увеличивая нагрузку (тормозя двигатель). Частота вращения коленчатого вала снижается до значения nmin (см. рис.11), при котором ещё возможна устойчивая работа двигателя. Для каждого скоростного режима (опыта), если это предусмотрено конструкцией двигателя, автоматически устанавливается наивыгоднейший угол опережения зажигания и начала подачи топлива. На внешней скоростной характеристике карбюраторного двигателя отметим следующие точки: А - максимальная мощность двигателя Nemax, при этом частота вращения коленчатого вала n2; Б - мощность, при которой крутящий момент максимален Мкmax, а частота вращения коленчатого вала n2; В - мощность, соответствующая минимальному удельному расходу топлива gemin; а - крутящий момент МкN на режиме максимальной мощности; Г - номинальная мощность Neн; б - крутящий момент на режиме номинальной мощности; nн - частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности.
Рис.11. Внешняя скоростная характеристика карбюраторного двигателя.
На внешней скоростной характеристике дизеля (см. рис.12) отметим две точки: А - мощность при номинальном удельном расходе топлива и Б - мощность, соответствующая началу работы дизеля с дымлением. Длительная работа дизеля с дымлением недопустима, поскольку вызывает его перегрев и интенсивное нагарообразование.
Рис.12. Внешняя скоростная характеристика дизеля.
Скоростную характеристику с регуляторной ветвью (регуляторную характеристику) снимают при положении органов управления регулятором скорости, соответствующим полной подаче топлива. Она показывает зависимость расхода топлива, крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала от мощности двигателя.
Регуляторную характеристику (рис.13), то есть зависимости
n=f(Ne), Mk=f(Ne), GT=f(Ne), ge=f(Ne),
строят в результате проведения ряда опытов с постепенной загрузкой двигателя, начиная от нулевой, соответствующей частоте вращения коленчатого вала на холостом ходу, до номинальной нагрузки. При этом работой двигателя управляет регулятор. Чтобы более полно выявить показатели двигателя, его продолжают загружать и после получения номинальной мощности, когда регулятор уже не управляет работой двигателя, то есть при работе с перегрузкой. Полученные участки кривых - части внешней скоростной характеристики.
Рис.13. Регуляторная характеристика дизеля Д-240.
На регуляторной характеристике отметим точки: а - Номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя nн, при которой мощность номинальная Ne н; б - крутящий момент Мк н при номинальной мощности; в - часовой расход топлива GT H при номинальной мощности; г - удельный расход топлива ge н при номинальной мощности.
На скоростной (безрегуляторной) части характеристики интерес представляют точки: д - максимальный крутящий момент Мк max; e - частота вращения коленчатого вала двигателя при максимальном крутящем моменте.
Энергетические и экономические показатели нового, отремонтированного или находящегося в эксплуатации двигателя могут быть проверены по его скоростной или регуляторной характеристике.
У дизелей кривая зависимость Мк=f(n) (см. рис.12) более пологая, чем у карбюраторных двигателей, что объясняется конструктивными особенностями топливных насосов. Для устранения некоторых этого недостатка регуляторы топливных насосов имеют корректоры, которые увеличивают подачу топлива за цикл на режимах перегрузки, улучшая характеристику крутящего момента.
Способность двигателя преодолевать кратковременные увеличения внешних сил сопротивлений трактора или автомобиля без перехода на низшую передачу характеризуется корректорным коэффициентом запаса крутящего момента в процессах:
м= | Mk max - Mk N | 100. | |
Mk N |
Для тракторных двигателей и двигателей грузовых автомобилей, работающих, как правило, с полным использованием мощности, корректорный коэффициент запаса крутящего момента, обеспечивающей хорошие динамические качества, должен составлять 15…20%.
В условиях эксплуатации важно знать (хотя бы приблизительно), насколько полно загружен двигатель при работе трактора с данным агрегатом. Для этого в процессе работы трактора измеряют массу топлива, израсходованного за контрольную смену. Определяют расход топлива, разделив его массу в граммах на время смены в секунду. Полученное значение расхода топлива переносят на регуляторную характеристику данного двигателя и находят среднее значение мощности, характеризующее загрузку двигателя в течении смены.
Нагрузочная характеристика показывает зависимость экономических показателей двигателя от нагрузки при постоянной частоте вращения коленчатого вала, то есть отражает зависимость:
GT=f(Ne), ge=f(Ne) или GT=f(MK), ge=f(MK).
При анализе нагрузочных характеристик можно выразить экономичность работы двигателя на различных частотах вращения коленчатого вала в условиях неполного использования мощности двигателя. Каждую характеристику снимают при постоянной частоте вращения коленчатого вала последовательным увеличением подачи топлива, начиная с режима холостого хода до нагрузок, соответствующих полной подаче топлива.
2.2. Классификация испытаний и оборудование для них.Основные энергетические, экономические и конструктивные показатели двигателя выявляют в результате его испытаний. В зависимости от цели и назначения различают испытания: приёмо-сдаточные и исследовательские.Приёмо-сдаточные испытания поводят с целью контроля качества изготовления или ремонта двигателя, а в процессе эксплуатации - для проверки стабильности принятых регулировок, энергетических и экономических показателей двигателя и сравнения их с данными технической документации предприятия - изготовителя.
