7.8. Экологичность автомобильных двигателей

Тепловые двигатели выбрасывают в окружающую среду большое количество вредных веществ. Источниками вредных выбросов двигателя являются отработавшие газы, картерные газы, испарения из системы питания и утечки топлива, масла и другие эксплуатационные жидкости. Все выбрасываемые двигателем вредные вещества делятся на три группы:

  • экологически нейтральные, не нарушающие физических свойств окружающей среды, например азот;
  • неядовитые, но экологически активные, не оказывающие непосредственного негативного воздействия, но способствующие образованию фотохимического смога, «парникового эффекта» и др.
  • ядовитые (токсичные и канцерогенные) вещества, оказывающие прямое негативное влияние на организм человека и окружающую среду. Это оксиды углерода и азота, углеводороды, в том числе ароматического ряда, различные кислоты, соединения свинца, серы и дисперсные частицы. Дизели работают на более обедненных, чем бензиновые двигатели, горючих смесях. На частичных нагрузках коэффициент избытка воздуха у них примерно в три раза, а на полных в полтора раза превышает теоретически необходимый. Естественно, это уменьшает содержание оксида углерода и оксидов азота в отработавших газах. Для улучшения экологичности на дизелях устанавливают нейтрализаторы и сажевые фильтры. Нейтрализаторы дожигают до 40 % тяжелых углеводородов, адсорбированных на частицах сажи.

В настоящее время законодательными актами большинства стран введены нормы выбросов вредных веществ с отработавшими газами.


parkers | 20.04.2009

7.7. Система подачи и очистки воздуха

Воздухоочиститель. На двигателях марки «КамАЗ» (рис 70) установлен двухступенчатый воздухоочиститель с автоматическим отсосом пыли и сменным фильтрующим элементом. Воздухоочиститель состоит из воздушной трубы, корпуса воздухоочистителя с фильтрующим элементом, выходной трубы, патрубка отсоса пыли. В качестве фильтрующего элемента используется гофрированный картон. При работе двигателя воздух через сетку в колпаке проходит по трубам в воздухоочиститель. По входному патрубку корпуса воздух попадает в первую ступень очистки с инерционной решеткой и резко изменяет направление. Крупные частицы отсасываются отработавшими газами и выводятся в окружающую среду. Для этого в выпускной трубе двигателя установлен эжектор. Воздух проходит через микропоры картона второй ступени и очищенный по выходной трубе поступает во впускной трубопровод. Система выпуска отработавших газов автомобилей марки «КамАЗ» состоит из выпускных трубопроводов, приемных труб, которые соединены в тройнике, гибкого металлического рукава, по которому газы поступают в глушитель. Глушитель состоит из корпуса с днищами. Внутри имеются двеперегородки, которые образуют три резонаторные камеры, где газы расширяются, их давление и скорость уменьшаются и далее они выводятся в окружающую среду.


parkers | 19.04.2009

7.6. Регулятор частоты вращения коленчатого вала

Регулятор частоты вращения коленчатого вала изменяет подачу топлива в зависимости от нагрузки двигателя, поддерживая заданную водителем частоту вращения коленчатого вала. Регулятор называется всережимным, так как он может поддерживать любую заданную водителем частоту вращения коленчатого вала и ограничивать максимальную. Ограничение максимальной частоты вращения коленчатого вала вызвано необходимостью предохранить детали дизеля от быстрого изнашивания и чрезмерных нагрузок, а ограничение малой частоты вращения — ухудшением подачи топлива и смесеобразования. Регулятор крепится к задней части корпуса ТНВД и приводится во вращение от кулачкового вала ТНВД через ускоряющие зубчатые колеса, поэтому вал регулятора вращается с большей частотой вращения, чем кулачковый вал. Это позволяет повысить чувствительность регулятора к изменению нагрузки. Регулятор (рис. 69) состоит из корпуса с крышкой, смотрового люка, зубчатого колеса привода, вала регулятора с ведомым зубчатым колесом и державкой грузов (ролики грузов упираются в подвижную муфту с шарикоподшипником и пятой), рычага управления рейкой топливного насоса, который крепится на одной оси с пятой (рычаг тягой соединен одним концом с рейкой, а другим концом посредством пальца с кулисой). Скобауправления кулисой может занимать два положения: «Работа» и «Стоп». В состав регулятора также входят силовой и двуплечий рычаги управления регулятором, болты ограничения максимальной и минимальной частоты вращения коленчатого вала. При неработающем двигателе скоба управления кулисой находится в положении «Стоп». После пуска двигателя грузы под действием центробежных сил расходятся и перемещают подвижную муфту от себя. Силовой и двуплечий рычаги поворачиваются против часовой стрелки, преодолевая усилие силовой пружины, одновременно рычаг управления рейкой перемещает рейку в сторону уменьшения подачи топлива. Перемещение рычажной системы продолжается до тех пор, пока центробежные силы грузов не уравновесятся силовой пружиной регулятора. Необходимую частоту вращения коленчатого вала устанавливает водитель, нажимая на педаль подачи топлива. Установившаяся частота вращения коленчатого вала автоматически поддерживается регулятором следующим образом. При уменьшении нагрузки на двигатель частота вращения коленчатого вала возрастает, так как в цилиндры поступает то же количество топлива. Грузы регулятора, расходясь на некоторый угол, перемещают рычажную систему в сторону, соответствующую уменьшению подачи топлива и восстанавливают величину частоты вращения коленчатого вала до ±30 мин -1 При увеличении нагрузки на двигатель частота вращения коленчатого вала снижается. Центробежные силы грузов уменьшаются, грузы сходятся, рычажная система под действием силовой пружины регулятора перемещает рейку топливного насоса в сторону увеличения подачи топлива до восстановления заданного скоростного режима (перемещению рейки в сторону увеличения подачи топлива также способствует и стартовая пружина рычага рейки). Топливопроводы. В топливной системе дизеля используются топливопроводы низкого и высокого давления. Топливопроводы низкого давления предназначены для подвода топлива из бака через фильтры к насосу высокого давления и отвода излишков топлива в бак. Изготовляются они из латунных или стальных трубок и присоединяются к приборам пустотелыми болтами, контактные поверхности уплотняются медными шайбами толщиной 1,5 мм. Топливопроводы высокого давления соединяют топливный насос высокого давления с форсунками. Все они имеют одинаковую длину и изготовляются из стальных трубок (внешний диаметр 7 мм, внутренний 2 мм). Их концы, полученные высадкой в форме конуса, привернуты накидными гайками с шайбами к конусным гнездам штуцеров топливного насоса высокого давления и форсунок. Во избежание поломок от вибрации топливопроводы закреплены специальными скобами и кронштейнами.


parkers | 18.04.2009

7.5. Форсунки

Форсунка служит для подачи топлива в камеру сгорания под большим давлением в мелко распыленном виде и обеспечивает четкую отсечку подачи топлива в конце впрыска. На дизелях применяют форсунки нескольких типов: открытые или закрытые, с распылителем, имеющим одно отверстие (сопло) или несколько. Закрытые форсунки могут быть штифтовые или бесштифтовые. На дизелях марок «ЯМЗ» (рис. 67, а), «КамАЗ», «ЗИЛ» (рис. 67, б) применяют закрытые бесштифтовые форсунки. Форсунка называется закрытой, так как сопла в распылителе закрыты иглой и только в момент впрыска топлива сообщаются с камерой сгорания. Для выхода топлива распылитель имеет четыре сопла диаметром 0,34 мм. Форсунка дизелей марки «ЯМЗ» состоит из корпуса, в котором имеется центральное отверстие под штангу и наклонный топливный канал; распылителя с тщательно обработанным осевым отверстием под иглу и топливных каналов. В нижней части распылителя имеются четыре сопла, кольцевая проточка и два глухих отверстия под штифты. Игла распылителя имеет цилиндрическую направляющую часть, конусные пояски в средней и нижней частях. Распылитель с иглой крепится к корпусу накидной гайкой. В верхней боковой части находится прилив с резьбовым отверстием под топливный штуцер с фильтрующей сеткой. В центральной верхней части имеется резьба под резьбовую втулку, в центральной части которой находится резьбовое отверстие под регулировочный винт с контргайкой. Нижняя часть винта является верхней опорной тарелкой под возвратную пружину иглы распылителя. На штанге в верхней части крепится нижняя опорная тарелка пружины, в нижней части запрессован шарик для плотной посадки иглы на седло. Резьбовая втулка в верхней части закрыта колпачковой гайкой с резьбовым отверстием под дренажный трубопровод. Топливо подводится к форсунке через штуцер с сетчатым фильтром и поступает по наклонному каналу корпуса в кольцевую проточку распылителя. Затем топливо по трем каналам проходит в кольцевую полость (средней части распылителя), расположенную под утолщенной (с конусным пояском) частью иглы. Под действием топлива, поступающего в полость, игла поднимается, сжимая возвратную пружину. Сопла распылителя открываются, и топливо впрыскивается в камеру сгорания. После окончания впрыска давление топлива падает и под действием возвратной пружины игла плотно садится на седло в распылителе. Давление впрыска топлива регулируется регулировочным винтом с контргайкой в резьбовой втулке затяжкой возвратной пружины иглы распылителя. Топливо, просочившееся между иглой и распылителем, отводится дренажным трубопроводом в бак. Автоматическая муфта опережения впрыска топлива позволяет изменять угол опережения впрыска топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, что повышает экономичность дизеля при различных режимах работы и улучшает его пуск. Муфта устанавливается на переднем конце кулачкового вала ТНВД. А

7.5. Форсунки


Рис. 68. Автоматическая муфта опережения впрыска топлива: а — конструкция; б — детали; 1 — ведомая полумуфта; 2 — ось груза; 3 — уплотнительное кольцо; 4 — пружина; 5 — ведущая полумуфта; 6 — винт; 7 — втулка ведущей полумуфты; 8 и 12 — самоподжимные манжеты; 9 — гайка крепления муфты; 10 — ступица ведомой полумуфты; 11 — шип; 13 — корпус; 14 — палец ведущей полумуфты; 15 — груз; 16 — пружинная шайба; 17 — шпонка; 18 — кулачковый вал топливного насоса; 19 — проставка

parkers | 15.04.2009

7.4. Топливный насос высокого давления

Топливный насос высокого давления (ТНВД) (18—20 МПа) подает через форсунки в камеру сгорания топливо в строго определенные моменты и в определенном количестве в зависимости от режима работы двигателя. На автомобильных двигателях применяют ТНВД золотникового типа с постоянным ходом плунжера и регулировкой окончания подачи топлива. Число секций топливного насоса соответствует числу цилиндров двигателя. Каждая секция обслуживает один цилиндр. Привод топливных насосов осуществляется от зубчатых колес распределительного вала. На двигателях марки «ЯМЗ» применяются рядные топливные насосы (рис. 64), которые располагаются между рядами цилиндров. На двигателях марки «КамАЗ» (рис. 65) — двухрядные V -образные топливные насосы. ТНВД двигателей марки «ЯМЗ» состоит из корпуса с крышками, внутри корпуса имеется горизонтальная перегородка, в которой выполнены гладкие отверстия с пазами под роликовые толкатели. В верхней части корпуса имеются резьбовые отверстия крепления насосных секций, топливные каналы, отверстие крепления рейки поворота плунжеров. В нижней части корпуса расположен кулачковый вал привода насосных секций. Роликовый толкатель в верхней части имеет регулировочный болт с контргайкой. Насосная секция (рис. 66) включает в себя плунжер и гильзу, соединенные вместе, которые образуют плунжерную пару. Плунжер диаметром 9 мм имеет ход 10 мм. Для создания высокого давления зазор между плунжером и гильзой составляет 0,00015—0,002 мм. Положение гильзы в насосе 4 относительно топливных каналов фиксировано стопорным винтом. В верхней части гильзы имеется впускное и перепускное отверстия. Плунжер в верхней части имеет осевое и радиальное отверстия. От радиального отверстия плунжера выполнены две спиральные канавки. На нижнем конце плунжера имеется два выступа, входящих в пазы поворотной втулки, которая поворачивает плунжер, также имеется кольцевая проточка для опорной тарелки возвратной пружины плунжера. Другой конец пружины упирается в верхнюю тарелку, установленную в кольцевой выточке корпуса. На поворотной втулке крепится зубчатый хомутик, находящийся в зацеплении с рейкой поворота плунжеров. Над гильзой плунжера располагается нагнетательный клапан с седлом, упором и возвратной пружиной. Насосная секция в корпусе насоса крепится штуцером. От штуцера через ниппель топливо поступает по топливопроводу высокого давления к форсунке. Работа насосной секции. При вращении кулачкового вала насоса (рис. 66) кулачок набегает на ролик толкателя, который передает усилие на плунжер. Плунжер движется вверх, сжимая возвратную пружину и вытесняя топливо через впускное отверстие в канал насоса. При перекрытии этого отверстия давление топлива постепенно растет, и при давлении 1 МПа начинает открываться нагнетательный клапан. Клапан полностью открыт при давлении 1,8 МПа, Плунжер продолжает двигаться вверх, давление топлива в надплунжерном пространстве растет. При достижении требуемого для впрыска топлива давления (17—20 МПа) игла распылителя форсунки поднимается и происходит впрыск топлива в цилиндр. Плунжер движется вверх, поддерживая давление впрыска топлива. Как только отсечная кромка спиральной канавки совместится с перепускным отверстием давление топлива резко падает, игла распылителя форсунки под действием возвратной пружины садится в седло. Впрыск топлива прекращается. Одновременно нагнетательный клапан под действием возвратной пружины садится в седло, объем пространства за клапаном увеличивается и происходит отсечка подачи топлива. Конусный поясок нагнетательного клапана притерт к седлу и надежно изолирует надплунжерное пространство от топливопровода высокого давления, поддерживая в нем избыточное давление топлива, что обеспечивает стабильность при малой подаче топлива. Плунжер какое-то время еще продолжает двигаться вверх, обеспечивая гарантированный впрыск топлива. Кулачок сбегает с ролика толкателя и под действием возвратной пружины плунжер начинает двигаться вниз, надплунжерное пространство заполняется топливом. Режим работы дизеля зависит от количества топлива, подаваемого в цилиндры секциями насоса за один ход плунжера. При повороте плунжеров во втулках на некоторый угол изменяется количество подаваемого топлива. На многоцилиндровых двигателях из-за применения рядного насоса реличивается длина кулачкового вала. Применение V -образных насосов позволяет уменьшить длину кулачкового вала, повысить его жесткость и увеличить давление вп

parkers | 15.04.2009

7.3. Приборы системы питания дизеля

Фильтр грубой очистки топлива предназначен для очистки топлива от грубых механических примесей и воды и работает как отстойник. Фильтр грубой очистки топлива двигателя ЯМЗ-236М (рис. 61, а) состоит из корпуса с крышкой и сменного фильтрующего элемента из хлопковой нити, намотанной на металлический трубчатый перфорированный каркас. Плотное соединение фильтрующего элемента с корпусом и крышкой достигается тем, что трехгранные кольцевые ребра крышки и днища корпуса вдавливаются в мягкие торцевые поверхности фильтра. Топливо по трубопроводу поступает в полость между стенками корпуса и фильтрующим элементом. Пройдя через фильтр, очищенное топливо поступает внутрь каркасной трубки и далее к топливоподкачивающему насосу. На внешней поверхности фильтрующего элемента и на днище корпуса осаждаются механические примеси. Для удаления воздуха при замене фильтра в верхней части крышки имеется резьбовое отверстие, закрытое пробкой. На двигателях КамАЗ-740.10 и ЗИЛ-645 фильтр грубой очистки (рис. 61, б) состоит из корпуса, крышки, распылителя, отражателя, фильтрующей сетки и успокоителя. Топливо подается к распылителю и стекает по отражателю в корпус. Крупные механические примеси и вода осаждаются на дне корпуса, а топливо, прошедшее фильтрующую сетку, поступает по трубопроводу низкого давления к топливоподкачивающему насосу. Фильтр тонкой очистки топлива предназначен для очистки топлива от более мелких примесей. Фильтр двигателей ЯМЗ-236М (рис 62, а) состоит из корпуса, крышки и фильтрующего элемента, представляющего собой перфорированный металлический трубчатый каркас, обмотанный тканью, на котором сформирована фильтрующая масса из древесной муки, пропитанной пульвербакелитом. Фильтрующий элемент прижат к крышке пружиной. Топливо, подаваемое топливоподкачивающим насосом, заполняет полость корпуса и проходит через фильтрующий элемент, далее поднимается вдоль стержня крепления и поступает к насосу высокого давления. В крышке ввернут штуцер с калиброванным отверстием, через которое топливо сливается в бак. На двигателях КамАЗ-740.10 и ЗИЛ-645 фильтр тонкой очистки топлива (рис. 62, б) состоит из крышки, двух корпусов со стержнями и фильтрующих элементов, прижатых к крышке пружинами. Фильтрующие элементы, изготовленные из специальной бумаги, работают параллельно. Топливоподкачивающий насос. В системах топливоподачи дизелей применяют поршневые насосы, которые служат для подачи топлива через фильтры к топливному насосу высокого давления (ТНВД). Топливоподкачивающий насос крепится к корпусу ТНВД с приводом от эксцентрика его кулачкового вала и имеет ручной привод для заполнения топливом фильтров и удаления воздуха из топливной системы. Топливоподкачивающий насос (рис. 63) состоит из корпуса, в котором имеются топливные каналы, в средней части находится отверстие под поршень и роликовый толкатель; возвратных пружин поршня и толкателя; нагнетательного клапана; впускного клапана. Над впускным клапаном ввернут цилиндр с поршнем и штоком ручного привода. При работе двигателя эксцентрик набегает на ролик толкателя, который через шток передает усилие на поршень. Последний перемещается, сжимая возвратную пружину. В надпоршневом пространстве давление топлива повышается, впускной клапан закрывается, а нагнетательный открывается, и топливо по каналу перетекает в подпоршневое пространство. Когда эксцентрик сбегает с ролика толкателя, пружина поршня перемещает поршень в обратную сторону. В надпоршневом пространстве создается разрежение, открывается впускной клапан и топливо заполняет надпоршневое пространство. Одновременно в подпоршневом пространстве создается давление топлива, и оно поступает по трубопроводу к фильтру тонкой очистки. Производительность топливоподкачиваюшего насоса выше, чем расход топлива при работе двигателя. При уменьшении расхода топлива двигателем давление в подпоршневой полости повышается, и усилия сжатой пружины поршня недостаточно для преодоления давления топлива, ход поршня уменьшается, и, соответственно, снижается подача топлива насосом. Толкатель при этом свободно перемещается в обе стороны. По мере увеличения расхода топлива двигателем давление в подпоршневой полости уменьшается, активный ход поршня увеличивается и подача топлива насосом возрастает.

parkers | 14.04.2009

7.2. Период задержки самовоспламенения топлива

Продолжительность периода задержки самовоспламенения топлива относительно момента начала впрыска топлива определяет характер протекания всего процесса сгорания. При длительном периоде задержки воспламенения в камере сгорания испаряется большое количество впрыснутого топлива, и в дальнейшем, вследствие вовлечения этого топлива в процесс сгорания, давление повышается и увеличивается «жесткость» работы дизеля. Поэтому стремятся уменьшить до определенного предела период задержки воспламенения топлива. В зависимости от условий протекания процесса сгорания продолжительность периода задержки воспламенения топлива составляет 0,0005—0,0002 с. На продолжительность периода задержки воспламенения топлива и на характер процесса сгорания влияют следующие факторы:

  1. физические и химические свойства топлива;
  2. температура и давление воздуха в период впрыска топлива;
  3. характер и интенсивность вихревого движения воздуха в камере сгорания;
  4. работа топливоподающей аппаратуры;
  5. конструкция камеры сгорания;
  6. угол опережения начала впрыска топлива;
  7. нагрузка и частота вращения коленчатого вала.
Для наиболее эффективного протекания процесса сгорания необходимо, чтобы его продолжительность была как можно меньше, а давление в камере сгорания повышалось плавно. Очень резкое повышение давления приводит к «жесткой» работе двигателя.

parkers | 14.04.2009

7.1. Смесеобразование в дизелях

Система питания дизеля обеспечивает раздельную подачу в цилиндры двигателя воздуха и топлива и выпуск отработавших газов. По экономичности дизели значительно превосходят карбюраторные двигатели. Удельный расход топлива карбюраторного бензинового двигателя 154—182 г/(кВт ч), дизеля — 112—140 г/(кВт ч). Система питания дизеля (рис. 60) топливом состоит из топливного бака, фильтра грубой очистки топлива, топливоподкачивающего насоса, фильтра тонкой очистки, топливного насоса высокого давления, автоматической муфты опережения впрыска топлива, всережимного регулятора, форсунки, топливопроводов (высокого давления, низкого давления и сливного). Система питания дизеля воздухом состоит из воздухоочистителя, впускного трубопровода, турбокомпрессора. Система выпуска отработавших газов включает в себя выпускной трубопровод, приемные трубы, глушитель. Работа системы питания. Топливо из бака через фильтр грубой очистки по топливопроводу поступает к топливоподкачивающему насосу, далее подается по топливопроводу к фильтру тонкой очистки, затем — к насосу высокого давления. Насос по топливопроводам высокого давления подает топливо в форсунки. При такте впуска в цилиндр поступает очищенный в воздухоочистителе воздух. В конце такта сжатия в цилиндр под высоким давлением через форсунку впрыска в мелко распыленном виде подается определенная порция топлива, которая самовоспламеняется вследствие высокой температуры. Отработавшие газы поступают в выпускной трубопровод и через приемные трубы и глушитель в окружающую среду. Дизельное топливо. Фракции продуктов переработки нефти, выкипающие до 390 °С, служат основой для производства дизельного топлива, получившего название от типа двигателя, в котором оно используется. Этот вид топлива предназначен для высокооборотных дизелей. Смесь дизельного топлива с остаточными продуктами (до 80 %) прямой перегонки или крекинга нефти называют тяжелым дизельным топливом. Тяжелое дизельное топливо предназначено для малооборотных и среднеоборотных дизелей. В зависимости от климатических условий и времени года применяется дизельное топливо различных марок: Л (летнее), 3 (зимнее), А (арктическое). В дизеле воспламенение топлива происходит самопроизвольно без внешнего искрового устройства и с минимальной задержкой с момента его впрыска в горячую камеру сгорания. Важнейшим показателем дизельного топлива является воспламеняемость. Топливо, обладающее большей способностью к воспламенению, обеспечивает более мягкое протекание процесса сгорания без резкого повышения давления и стуков в цилиндре двигателя. Таким топливом является цетан, воспламеняемость которого принята за 100 единиц. Воспламеняемость альфаметилнафталина принята за 0. Воспламеняемость дизельных топлив оценивают цетановым числом, которое равно объемному содержанию цетана в такой его смеси с альфаметил-нафталином, которая при стандартных условиях испытания имеет одинаковую воспламеняемость с данным топливом. В современных дизелях применяют топливо с цетановым числом 40—55.




Процесс смесеобразования происходит в течение короткого промежутка времени внутри цилиндра, когда поршень находится вблизи ВМТ. К началу подачи топлива — в конце такта сжатия давление в цилиндре составляет примерно 3,5—4,5 МПа, а температура — 800—900 К. Смесеобразование представляет собой процесс испарения мелко распыленного топлива и перемешивание его паров с воздухом. Каждая частица топлива должна войти в соприкосновение с воздухом как можно скорее, чтобы выделение теплоты произошло в начале хода расширения. Для улучшения смесеобразования и повышения однородности смеси коэффициент избытка воздуха составляет от 1,4 до 1,7. Равномерное распределение топлива по объему камеры сгорания осуществляется за счет кинематических энергий распыленного топлива и движущегося воздуха, определяемых формой камеры сгорания и скоростью движения поршня. В современных дизелях находит применение объемное, объемно-пленочное, пленочное, вихрекамерное и предкамерное смесеобразование. Способ смесеобразования обусловлен формой камеры сгорания, которая в сочетании с топливоподаюшей аппаратурой определяет условия процессов смесеобразования и сгорания. Двигатель с непосредственным впрыском топлива обеспечивает наиболее экономичный рабочий цикл и хорошие пусковые свойства двигателя.

parkers | 14.04.2009