Автомобильные двигатели

Найбільше поширення  одержало змішане регулювання, при  якому в області великих навантажень  потужність двигуна змінюється в результаті зміни якості пальної суміші, а в області малих навантажень регулювання здійснюється зміною кількості свіжого заряду постійного складу, що надходить у циліндри двигуна.

У двигунах із зовнішнім  сумішоутворенням без наддуву газ надходить до змішувальних пристроїв під тиском як можливо близьким до атмосферного. При надлишковому тиску відбувається витік газу, а при наявності вакууму в газопроводі утвориться вибухонебезпечна пальна суміш.

У двигунах із внутрішнім сумішоутворенням без наддуву, а також у двигунах з будь-яким сумішоутворенням і наддувом газ підводиться до газового клапана під тиском, що трохи перевищує тиск продувки чи наддуву.

 

ТЕМА 13 ПАЛИВНІ СИСТЕМИ ДИЗЕЛЬНИХ ДВИГУНІВ

13.1 Системи живлення дизельних  двигунів

Паливна система дизеля забезпечує збереження, підготовку і подачу палива у визначений період робочого циклу і його розподіл у камері згоряння. Система також здійснює дозування палива при його подачі в циліндри.

Для згоряння в циліндрі паливо распилюється на краплі розміром кілька десятків мікрон. Це виявляється можливим при упорскуванні палива через отвори форсунок діаметром до 0.15 мм зі швидкістю 200...400 м/с. Останнє вимагає подачі палива під тиском до 150 МПа, а іноді і вище.  

На початковому етапі  дизелебудування сумішоутворення в циліндрах здійснювалося пневматичним розпилюванням. При цьому способі у форсунку від насоса низького тиску подавалася відмірена циклова порція палива, а від поршневого компресора - стиснене повітря під тиском, на 1.5-3 МПа більше, ніж тиск наприкінці процесу стиску. Безсумнівна перевага цього способу – гарне перемішування палива з повітрям. Удосконалювання технології дозволило перейти на насосне вприскування палива.   

Паливні системи дизельних  двигунів розділяють на системи безпосереднього (насосного) вприскування й акумуляторні. Крім того, насосні системи розглядають як схеми розділеного і нерозділеного типів. Система розділеного типу включає наступні основні вузли й елементи:

1. Паливний бак з  покажчиком чи датчиком рівня  палива.

2. Фільтр грубого очищення  палива.

3. Паливний насос, що  підкачує.

4. Фільтр тонкого очищення  палива.

5. Паливний насос високого  тиску.

6. Паливопроводи низького  і високого тиску.

7. Форсунки.

Паливні фільтри охороняють паливну систему від забруднення  і по конструкції аналогічні фільтрам систем змащення і живлення карбюраторних двигунів. Трубопроводи високого тиску повинні забезпечувати надійну роботу системи при пульсуючих тисках до 250 МПа в умовах досить високої вібрації. Тому виготовляють їх звичайно з грузлої легованої сталі.

Характерною рисою паливних систем високого тиску є виникаючі  в них при роботі хвильові явища, обумовлені стискальністю рідкого  палива. Рух і відбиття хвиль тиску  можуть вносити істотні відхилення в роботу паливної системи при  зміні швидкості обертання двигуна і викликати, зокрема, вторинне вприскування палива через форсунку. З цієї причини прагнуть знизити довжини паливопроводів високого тиску до мінімальних значень (не більш 1.5м). Якщо це здійснити не вдається, то встановлюють окремі насоси для кожного циліндра чи групи циліндрів. 

Система нерозділеного  типу відрізняється тим, що в ній  застосовуються паливні насоси високого тиску і форсунки, об'єднані в  один агрегат. Такі системи застосовуються значно рідше, ніж розділені, хоча і є більш перспективними.

13.2 Будова і принцип дії паливних  насосів високого тиску золотникового  типу

Паливні насоси двигунів із запаленням від стиску (дизелів) виконують наступні функції:

а) дозування подаваного під високим тиском палива в циліндр  відповідно режиму роботи двигуна;

б) забезпечення подачі палива в камеру згоряння в необхідний момент (функція фазування), за визначений період часу і по заданій характеристиці вприскування (закону подачі).

Найбільш розповсюдженими  типами насосів є плунжерні. Їх розділяють на багатосекційні, у яких кожна секція подає паливо тільки в один циліндр, і розподільні. В останніх кожна секція подає паливо в декілька (до шести) циліндрів двигуна.  

Рядні паливні насоси звичайно поєднують в одному корпусі  кілька насосних елементів (секцій). Плунжер приводиться в рух кулачком вала  через роликовий штовхальник. Зворотний рух плунжер робить під дією пружини. Робота насосної секції відбувається в такий спосіб. Коли плунжер рухається вниз, паливо через канал і вікно заповнює надплунжерний простір. При русі вгору плунжер перекриває вікно в гільзі. З цього моменту паливо в надплунжерному просторі починає стискуватися і при тиску порядку 1 МПа піднімає нагнітальний клапан, переборюючи зусилля його пружини. Коли тиск досягає 12-16 МПа, форсунка робить вприскування палива в циліндр. У той момент, коли відсічна крайка виїмки на плунжері відкриє пропускне вікно, стиснуте паливо з великою швидкістю спрямовується в пропускну порожнину. Тиск над плунжером швидко знизиться і нагнітальний клапан під дією пружини і тиску палива почне опускатися вниз. З метою різкого відсічення подачі палива, нагнітальний клапан має розвантажувальний пасок. При вході циліндричного паска в направляючий канал сідла клапана відбувається роз'єднання трубопроводів високого тиску від нагнітаючої порожнини насоса. Розвантажувальний пасок, опускаючись нижче різко знижує тиск у трубопроводах, внаслідок збільшення об'єму нагнітальної порожнини на величину об'єму, який описує циліндрична частина притертого паска клапана.

Різке відсічення подачі палива і зниження залишкового тиску  в нагнітальному трубопроводі запобігають  підтіканню палива із сопів форсунки і повторне вприскування.

Після закінчення вприскування замикаючий конус нагнітального  клапана відокремлює об'єм трубопроводів від надплунжерного простору. Невеликий і майже постійний тиск у нагнітальних трубопроводах обумовлює ідентичну подачу палива на різних режимах роботи двигуна.

Регулювання кількості  палива, що впорскується, здійснюється поворотом плунжера навколо його подовжньої осі. Звичайно це здійснюється за допомогою зубцюватої рейки. При повороті плунжера, завдяки косою відсічній крайці змінюється момент відкриття пропускного вікна, тобто змінюється подача палива насосною секцією. Відповідним профілюванням крайки, що визначає момент закриття наповнювального вікна, можна змінювати момент початку вприскування.

Збільшення швидкості  руху плунжера приводить до росту  тиску в надплунжерному просторі, скороченню тривалості вприскування і  поліпшенню розпилювання. Однак збільшення швидкості плунжера веде до зростання інерційних сил і зносу деталей насоса. Тому прагнуть кулачку додати таку форму, при якій економічна робота виходила б при задовільній зносостійкості.

Тривалість процесу  вприскування в залежності від типу двигуна і режиму його роботи лежить у межах 15-30° повороту колінчастого вала. Закон подачі палива (характеристика вприскування) вибирається виходячи з тих міркувань, щоб за період запізнювання самозапалювання в циліндр була упорснута невелика частина всієї порції палива, і до кінця вприскування швидкість подачі наростала. Друга вимога задовольняється за рахунок росту до кінця вприскування тиску чи розпилювання збільшення перетину соплових отворів (штифтовий розпилювач).

Матеріали, які використовуються для плунжерних пар, повинні мати високу зносостійкість і твердістю, зберігати розміри і геометричну форму, мати малий коефіцієнт лінійного розширення. Для втулки і плунжера використовують леговані сталі ШХ15 і ХВГ, хромомолібденові стали типу 30ХН3ВА. Високі вимоги пред'являються до якості механічної обробки цих деталей. Відібрані плунжерні пари сортують на групи по гідрощільності. У насос установлюють пари однієї групи. Після притирання і перевірки плунжерну пару не розукомплектовують. За допомогою селективної зборки вдається забезпечити діаметральний зазор у них 1-3 мкм.

13.3 Розрахунок паливного насоса  високого тиску

Розрахунок системи  паливоподачи дизеля звичайно зводиться  до визначення параметрів її основних елементів: паливного насоса високого тиску і форсунок.

Паливний насос високого тиску є основним конструктивним елементом системи живлення дизелів. Він призначений для відмірювання необхідної кількості палива і подачі його під високим тиском у циліндри у встановлений момент відповідно до порядку роботи двигуна.

Для автомобільних і  тракторних дизелів у даний час  застосовують паливні насоси високого тиску золотникового типу з плунжерами, навантаженими пружинами і кулачками  вала, що обертається.

Розрахунок секції паливного  насоса полягає у визначенні діаметра і ходу плунжера. Ці основні конструктивні параметри насоса знаходяться в залежності від його циклової подачі на режимі номінальної потужності дизеля.

Циклова подача, тобто  витрата палива за цикл:

у масових одиницях (г/цикл)

g_ц = g_еN_et/(120ni);

в об'ємних одиницях (мм³/цикл)

V_ц = g_еN_et/(120nir_т).

Унаслідок стиску палива і витоків через нещільності, а також через деформацію трубопроводів  високого тиску продуктивність насоса повинна бути більше величини V_ц.

Вплив зазначених вище факторів на величину циклової подачі враховується коефіцієнтом подачі насоса, що представляє собою відношення об'єму циклової подачі до об'єму, який описан плунжером на геометричному активному ході:

h_н = V_ц / V_т,

де V_т = f_пS_акт - теоретична циклова подача насоса, мм³/цикл (f_п - площа поперечного переріза плунжера, мм²; S_акт - активний хід плунжера, мм).

Таким чином, теоретична подача секції паливного насоса

V_т = V_ц /h_н.

Величина h_н для автомобільних і тракторних дизелів при номінальному навантаженні змінюється в межах 0,70—0,90.

Повна продуктивність секції паливного насоса (мм³/цикл) з урахуванням перепуску палива, перевантаження дизеля і забезпечення надійного пуску при низьких температурах визначається за формулою

V = (2,5 -3,2)V_т.

Це кількість палива повинна дорівнювати об'єму, який відповідає повному ходу плунжера.

Основні розміри насоса визначаються з вираження

V_н = pd²_плS_пл/4,

де d_пл і S_пл - діаметр і повний хід плунжера, мм.

Діаметр плунжера

 Відношення S_пл / d_пл змінюється в межах 1,0—1,7. Діаметр плунжера насоса повинен бути не менш 6 мм. При менших діаметрах утрудняється обробка і пригін плунжера в гільзі.

По статистичним даним  для дизелів без наддуву діаметр  плунжера залежить головним чином від діаметра циліндра і не залежить від способу сумішоутворення і номінального швидкісного режиму двигуна. Відношення d_пл / D = 0,065 - 0,08 справедливо для дизелів без наддуву як з розділеними, так і з нерозділеними камерами, з V_h = 0,61-1,9л и n = 2000 - 4000 об/хв.

Повний хід плунжера (мм)

S_пл = (S_пл/d_пл) d_пл .

Основні конструктивні  параметри паливних насосів високого тиску повинні відповідати ГОСТ 10578-74.

Діаметр плунжера

d_пл , мм... 5; 5,5; 6; 6,5; 7; 7,5; 8; 8,5; 9; 10; 11; 12 і т.д.

Хід плунжера

S_пл ,мм.... 7; 8; 9; 10; 12; 16; 20.

Отримані в ході розрахунку значення діаметра і ходу плунжера повинні бути скоректовані за ГОСТом.

При обраному діаметрі плунжера його активний хід

S_акт = V_т / f_пл.

13.4 Будова і принцип дії форсунок дизелів

Форсунки призначені для розпилювання палива й утворення  факела палива, що забезпечує необхідне  сумішоутворення в камері згоряння. Розрізняють форсунки відкритого і  закритого типів. Відкриті форсунки представляють із себе одне чи кілька соплових отворів, розташованих на кінці нагнітального трубопроводу, тобто об'єм порожнини високого тиску завжди повідомляється з простором камери згоряння. Істотним недоліком форсунки є те, що в результаті розширення об'єму палива в нагнітальному трубопроводі після відсічення відбувається витікання палива через сопло при малих тисках розпилювання. Це приводить до погіршення, неповноті згоряння, закоксовуванню форсунок. Відкриті форсунки застосовують для паливних систем з невеликим об'ємом між плунжером і сопловим отвором. У закритих форсунках, завдяки запірному органу - голці, нагнітальна порожнина з'єднується з камерою згоряння тільки в процесі вприскування палива. Привід закритих форсунок може бути механічним чи гідравлічним. Паливо розпилюється розпилювачем, який складається з корпуса і голки. Голка притискається до корпуса пружиною. Принцип дії закритої форсунки з гідравлічним керуванням полягає в тому, що, коли зусилля, яке створюється стиснутим паливом, переборює силу пружини, голка розпилювача відходить від сідла і паливо з великою швидкістю проходить через соплові отвори розпилювача. При зниженні тиску в нагнітальному трубопроводі голка розпилювача під дією пружини сідає в сідло і закриває соплові отвори.

Розпилювачі бувають  однодірчасті і багатодірчасті. Останні мають від 4 до 10 отворів діаметром 0,15-0,25 мм. До їхніх недоліків відносять засмічення і закоксовування соплових отворів, що приводить до зміни форми і напрямку факелів і повному припиненню подачі палива. Однодірчасті розпилювачі звичайно застосовують у двигунах з розділеними камерами згоряння і поділяються на штифтові і безштифтові. Штифт сприяє кращому розпилюванню палива і додає необхідну форму факелу при підйомі голки. Застосовуються розпилювачі з конічним і циліндричним штифтами