Система питания двигателей внутреннего сгорания
Введение
Автомобили и тракторы, являясь базовыми машинами для большинства строительных и дорожных машин (бульдозеров, кранов, погрузчиков и т.д.), широко используются для массовых перевозок сыпучих и вязких грузов, разнообразных строительных материалов, изделий и конструкций. Транспортные работы влияют на эффективность строительства. Стоимость транспортных работ составляет 12-20% от общей стоимости строительства.
Начало развития двигателей внутреннего сгорания относится к 60-м годам XIX в. В 1860 г. Появился газовый двигатель Ленуара, в 1870 г. - четырехтактный газовый двигатель Отто. В России первый бензиновый двигатель был создан в Петербурге в 1879 г. капитаном русского флота И.С. Костовичем. В 1897 г. в Германий по проекту инженера Р. Дизеля был построен двигатель с воспламенением топлива от сжатого до высокой температуры воздуха. В 1901 г. в России по проекту талантливого инженера Г.В. Тринклера был построен первый в мире бескомпрессорный двигатель с воспламенением от сжатия. В 1910 г. по проекту русского изобретателя Я.В. Мамина был построен бескомпрессорный двигатель с воспламенением от сжатия для колесного трактора.
После Великой Октябрьской социалистической революции в нашей стране стало быстро расти производство двигателей внутреннего сгорания для различных отраслей народного хозяйства, в том числе и для строительных машин. В развитии и совершенствовании двигателей внутреннего сгорания большую роль сыграли русские ученые В.И. Гриневецкий, Е.К. Мазинг, Н.Р. Бриллинг, А.С. Орлин, В.Н. Болтинский и др.
В настоящее время на моторных и автотракторных заводах уже не выпускаются карбюраторные (ЗИЛ-130, ГАЗ-53 и др.) и дизельные (ЯМЗ-236, ЯМЗ-238, ЯМЗ-740, СМД-14, В-30, Д-108, А-03, Д-130, Д-180 и др.) двигатели для автомобилей, тракторов, строительных и дорожных машин.
Начало развития советского автомобилестроения относится к 1924 г., когда Московский завод АМО выпустил первые грузовые автомобили АМО-Ф-15. В 1925 г. Ярославский автомобильный завод стал выпускать трехтонные грузовые автомобили. В 1932-1933 гг. автомобильные заводы в Москве и Горьком начали выпускать грузовые автомобили ЗИС-5 и ГАЗ-АА. В 1937 г. Советский Союз вышел на второе место в мире и первое в Европе по выпуску грузовых автомобилей.
В годы Великой Отечественной войны был построен Миасский автомобильный завод, выпускавший грузовые автомобили. После окончания войны построены автозаводы в Минске, Ульяновске, Кутаиси, Одессе, Мытищах, Львове, Павлове, Жодине, Кременчуге, Запорожье, Могилеве и других городах и реконструированы Московский, Горьковский автомобильные заводы и Ярославский моторостроительный завод.
В 1946-1948 гг. автомобильная промышленность перешла к выпуску автомобилей новых конструкций. Московский автозавод им. И.А. Лихачева в 1948 г. приступил к выпуску автомобилей ЗИС-150 и ЗИС-151, а с 1961 г. -грузовых автомобилей ЗИЛ-130 и ЗИЛ-131. Горьковский автозавод в 1946 г. начал выпуск грузовых автомобилей ГАЗ-51, в 1948 г. - грузовых автомобилей ГАЗ-63. С 1964 г. завод стал выпускать вместо автомобиля ГАЗ-63 автомобиль ГАЗ-66 и с 1965 г. - вместо автомобиля ГАЗ-51 автомобиль ГАЗ-53. Минский автозавод в 1947 г. приступил к выпуску грузовых автомобилей МАЗ и самосвалов повышенной проходимости, а с 1977 г. - к производству автомобилей нового семейства МАЗ-5335. Кутаисский и Кременчугский автозаводы выпускают самосвалы и тягачи (КрАЗ-256Б1, КрАЗ-258Б1 и др.). Белорусский автозавод с 1965 г. выпускает мощные высокопроизводительные автомобили-самосвалы БелАЗ-540А. Камский автомобильный завод выпускает транспортные автомобили КамАЗ-5320, самосвалы К.амАЗ-5511 и тягачи КамАЗ-5410.
Массовый выпуск тракторов начался в годы первой пятилетки на двух тракторных заводах - Волгоградском имени Ф.Э. Дзержинского в 1930 г. и Харьковском в 1932 г., рассчитанных на ежегодный выпуск 50 тыс. колесных тракторов. С 1937 г. эти заводы перешли на выпуск гусеничных тракторов СХТЗ-НАТИ. В 1933 г. был пущен Челябинский тракторный завод, предназначенный для выпуска гусеничных дизельных тракторов.
В годы Великой Отечественной войны были созданы Алтайский, Липецкий и Владимирский тракторные заводы и восстановлены Волгоградский имени Ф.Э. Дзержинского и Харьковский. После окончания войны построены новые тракторные заводы - Минский, Онежский и Харьковский тракторосборочный и др. В послевоенные годы тракторная промышленность полностью перешла на выпуск дизельных тракторов. В 1962 г. Советский Союз вышел на первое место в мире по выпуску тракторов.
1. Топливо для дизельных двигателей
В дизельных двигателях применяют дизельное топливо, являющееся продуктом переработки нефти. Топливо, используемое в дизельных двигателях, должно обладать следующими основными качествами: оптимальной вязкостью, низкой температурой застывания, высокой склонностью к воспламенению, высокой термоокислительной стабильностью, высокими антикоррозионными свойствами, отсутствием механических примесей и воды, хорошей стабильностью при хранении и транспортировке.
Вязкость дизельного топлива влияет на процессы топливоподачи и распыливания. При недостаточной вязкости топлива увеличивается утечка его через зазоры в распылителях форсунки и в прецизионных парах топливного насоса, а при высокой ухудшаются процессы топливоподачи, распыливания и смесеобразования в двигателе. Вязкость топлива зависит от температуры. Температура застывания топлива влияет на процесс подачи топлива из топливного бака в цилиндры двигателя. Поэтому топливо должно иметь низкую температуру застывания.
Склонность топлива к воспламенению влияет на протекание процесса сгорания. Дизельные топлива, обладающие высокой склонностью к воспламенению, обеспечивают плавное протекание процесса сгорания, без резкого повышения давления. Воспламеняемость топлива оценивают цетановым числом (ЦЧ), которое численно равно процентному содержанию по объему цетана в смеси цетана и альфаметилнафталина, равноценной по воспламеняемости данному топливу. Для дизельных топлив ЦЧ = 40ч60.
Термоокислительная стабильность дизельного топлива характеризует его стойкость против смоло- и нагарообразования. Повышенное нагаро- и смолообразование вызывает ухудшение отвода теплоты от стенок камеры сгорания и нарушение подачи топлива через форсунки в. двигатель, что приводит к снижению мощности и экономичности двигателя.
Дизельное топливо не должно содержать коррозирующих веществ, так как присутствие их приводит к коррозии деталей топливоподающей аппаратуры и двигателя. Дизельное топливо не должно содержать механических примесей и воды. Присутствие механических примесей вызывает засорение фильтров, топливопроводов, форсунок, каналов топливного насоса и увеличивает, износ деталей топливной аппаратуры и двигателя. Стабильность дизельного топлива характеризует его способность сохранять свои начальные физические и химические свойства при хранении и транспортировке.
Для автотракторных дизелей применяют выпускаемые промышленностью топлива: ДЛ - дизельное летнее (при температуре выше 0°С), ДЗ - дизельное зимнее (ори температуре до -30°С); ДА - дизельное арктическое (при температуре ниже -30°С) (ГОСТ 4749-73)
2. Смесеобразование в дизелях
Процесс приготовления горючей смеси внутри цилиндра двигателя называют смесеобразованием. Процесс смесеобразования в дизеле состоит в распыливании впрыскиваемого жидкого топлива форсункой на мельчайшие капли и в равномерном распределении их в объеме сжатого воздуха в камере сгорания. Смесеобразование в дизеле осуществляется в конце процесса сжатия и в начале процесса расширения и протекает за очень короткий промежуток времени, соответствующий 30-40° поворота коленчатого вала. В результате кратковременности процесса смесеобразования и низкой испаряемости дизельного топлива горючая смесь получается неоднородной, что вызывает необходимость увеличения избытка воздуха для обеспечения полного сгорания топлива. Поэтому дизели работают с коэффициентом избытка воздуха, большем единицы (а = 1,2ч1,8). Высокое значение коэффициента избытка воздуха способствует уменьшению среднего эффективного давления. Чтобы уменьшить коэффициент избытка воздуха при обеспечении полного и своевременного сгорания топлива, следует улучшать качество смесеобразования.
Для улучшения смесеобразования необходимо повышать тонкость, однородность и равномерность распыливания топлива. Гонкость и однородность распыливания характеризуется диаметром и числом капель, получающихся при распаде струи топлива. Тонкость и однородность распыливания улучшаются с повышением давления впрыска и противодавления в цилиндре, с уменьшением диаметра соплового отверстия форсунки и вязкости топлива.
Равномерное распределение капель в камере сгорания зависит от дальнобойности факела распыленного топлива. Дальнобойность (глубина проникновения частиц топлива в среду сжатого воздуха) факела увеличивается при повышении давления впрыска и при уменьшении противодавления в цилиндре. На равномерное распределение капель топлива в объёме сжатого воздуха, а следовательно, и на качество смесеобразования значительное влияние оказывает конструкция камеры сгорания.
В автотракторных дизелях применяют два типа камер сгорания: неразделенные и разделенные. Неразделенные камеры сгорания (рис. 1, а) представляют собой единый объем, заключенный между днищем поршня и поверхностью головки, в котором происходит процесс смесеобразования и сгорания топлива, впрыснутого через форсунку. Тонкость распыливания и необходимая дальнобойность факела обеспечиваются большим давлением впрыска, равным 20-60 МПа, и малым диаметром сопловых отверстий форсунки. Равномерное распределение частиц топлива в объеме сжатого воздуха достигают применением многодырчатых форсунок.
Дизели с неразделенными камерами характеризуются высокой экономичностью и хорошими пусковыми качествами, но обладают повышенной жесткостью (резкое нарастание давления в процессе сгорания) работы и высокими требованиями к изготовлению и эксплуатации топливной аппаратуры.
Разделенные камеры сгорания состоят из двух объемов, которые соединены между собой одним или несколькими каналами. Разделённые камеры бывают двух типов: вихревые камеры и предкамеры. Вихревая камера (рис. 1, б) состоит из основной 3 и вихревой 1 камер, соединенных между собой каналом 2, «который расположен под углом к днищу поршня и тангенциально по отношению к вихревой, камере. Вихревая камера обычно имеет шаровую форму и располагается в головке цилиндра. Объем вихревой камеры составляет 60-80% от всего объема камеры сгорания.
Рис. 1. Формы камер сгорания
Процесс смесеобразования и сгорания в дизелях с вихревой камерой осуществляется следующим образом. В процессе сжатия воздух из полости цилиндра поступает по тангенциальному каналу в вихревую камеру, где приобретает интенсивное вращательное движение. Благодаря этому топливо, впрыскиваемое форсункой, хорошо перемешивается с воздухом и самовоспламеняется. При сгорании топлива в вихревой камере давление в ней резко повышается и смесь несгоревшего топлива с продуктами сгорания перетекает через тангенциальный канал в основную камеру, где смешивается с еще неиспользованным воздухом, и полностью сгорает. Достоинство вихре-камерных дизелей: хорошее смесеобразование, возможность работы с пониженным коэффициентом избытка воздуха при бездымном сгорании, мягкая работа, возможность применения однодырчатых форсунок со сравнительно малым давлением впрыска топлива (10-15 МПа).
К недостаткам дизелей с вихревой камерой относятся меньшая экономичность по сравнению с дизелями с неразделенным камерами и затруднительный пуск.
В предкамерных дизелях камера сгорания состоит из основной камеры 3 и предкамеры 2 (рис. 1, в), соединенных между собой одним или несколькими каналами. Объем предкамеры составляет , 25-40% объема всей камеры сгорания. Процесс смесеобразования сгорания в предкамерных дизелях происходит следующим образом. В процессе сжатия часть воздуха из полости цилиндра перетекает в предкамеру с большой скоростью. Топливо, впрыскиваемое в предкамеру форсункой 1, перемешивается с движущимися с большой скоростью в ней воздухом и частично сгорает при малом коэффициенте избытка воздуха. При сгорании топлива давление в предкамере резко повышается и смесь несгоревшего топлива с продуктами сгорания перетекает в основную камеру, где смешивается с еще неиспользованным воздухом и полностью сгорает.
Предкамерные дизели обладают теми же достоинствами и недостатками, что и вихрекамерные дизели.
3. Система питания
Система питания предназначена: для подачи под давлением в каждый цилиндр одинаковой, точно отмеренной порции топлива, соответствующей режиму работы дизеля; для очистки подаваемого топлива от механических примесей и воды; для подачи и очистки воздуха и для отвода из цилиндров отработавших газов.
Система питания дизеля (рис. 2) состоит из топливного бака 11, фильтров грубой 15 и тонкой 5 очистки топлива, топливоподкачивающего насоса 12, насоса высокого давления с регулятором 17, форсунок 3, возду-хоочистителя 16, топливопровода высокого давления 6, трубок слива топ-лива 4 из форсунок, предпускового подогревателя 1 и топливопроводов низкого давления 2, 9, 10, 13 и 14.
Рис. 2. Схема системы питания дизеля
Топливо из бака 11 по топливопроводу 14 засасывается топливо-подкачивающим насосом 12 в фильтр грубой очистки 15, где обчищается от крупных механических примесей. Очищенное топливо подается топливо-подкачивающим насосом 12 под давлением по топливопроводу 13 к фильтру 5 тонкой очистки. В фильтре 8топливо очищается от оставшихся примесей и по топливопроводу 9 поступает в насос 17 высокого давления. Из насоса 17 топливо под большим давлением подается по топливопроводу высокого давления 6 к форсункам 3, из которых в распыленном виде впрыскивается в камеры 5 сгорания. Излишки топлива, поданного в насос отводятся из него через перепускной клапан 7 по топливопроводу 10 обратно в насос 12. Топливо, которое просачивается через зазоры сопрягаемых деталей форсунок, по трубкам 4 отводится в фильтр 8.