Исследование процессов впрыска топлива, распыливания топлива и смесеобразования в ДВС

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА

Контрольная работа

По дисциплине: «Основы научных исследований и испытаний двигателей»

На тему: «Исследование процессов впрыска топлива, распыливания топлива и смесеобразования в ДВС»

Выполнил студент гр.9241

Терин Е.С.

Проверил:

Крашенинников С.В.

Самара 2014

Содержание

Введение

1. Обзор систем впрыска

2. Распыливания топлива и смесеобразования в ДВС

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Системы впрыска топлива изобретены практически одновременно с созданием автомобильного двигателя. Еще в 1881 году, когда большинство автомобилестроителей совершенствовали карбюратор, француз по имени Этив получил патент на систему измерения массы сжатого воздуха. В1883 году немецкий инженер Штиль получил патент на метод впрыска топлива в камеру сгорания цилиндра двигателя. Примерно в то же время в Англии Эдвардом Буглером был создан двигатель, оборудованный системой впрыска топлива под давлением через впускной клапан с полым стержнем.

Первый двигатель с системой впрыска топлива, запушенный в серийное производство, был разработан Компанией Стерлинга (штат Иллинойс, США) в 1887 году. В основном, этот двигатель работал в стационарном режиме. Топливо попадало в форсунку через клапан из топливного бака самотеком. автомобильный двигатель топливо моторный

В Европе Дейтцем был разработан аналогичный стационарный одноцилиндровый двигатель с системой впрыска топлива под низким давлением, работавший на керосине. В период с 1898 по 1901 год было продано более трехсот таких двигателей.

Срвилл Райт также заинтересовался этими системами и 1903 году построил самолет с двигателем, имеющим такую систему.

Оборудованные такими двигателями самолеты меньше страдали от обледенения карбюратора и пожаров в карбюраторах, что резко повысило их надежность. Именно по этим причинам системы впрыска топлива наиболее быстро стали развиваться в авиастроении. В1906 году Пеоном Левавассором был создан насос высокого давления и введен принцип калиброванной форсунки. В 1912 году фирмой Bosch был создан двухтактный двигатель, а котором масляный насос был приспособлен для впрыска топлива.

Первая Мировая война привела к быстрому развитию и совершенствованию карбюраторов. Их надежность в двигателях самолетов повысилась настолько, что идея впрыска топлива была забыта на много лет. В течение 30-х годов немецкий авиационный испытательный центр, фирмы Bosch, БМВ и Мерседес-Бенц вели разработку авиационных двигателей с системой впрыска топлива под высоким давлением. Когда в 1937 году фирма Мерседес-Бенц представила авиационный двигатель DB-601V-12 мощностью 1200 л.с., системы впрыска получили всеобщее признание. Однако большинство технических решений сводились к созданию дизельного двигателя с прямым впрыском топлива в камеру сгорания. В течение последних лет Второй Мировой войны английская фирма в Бирмингеме, специализирующаяся на карбюраторах, разрабатывала системы с впрыском топлива для авиационных двигателей фирмы Роллс-Ройс Мерлин. В период с 1950 по 1986 год было разработано и забыто множество систем впрыска топлива, изготовленных небольшими фирмами. В настоящее время системы впрыска топлива изготовляются, наоборот, крупными фирмами, а все меньшие изгнаны с рынка сбыта.

В 1984 году была разработана электронная система впрыска топлива серии «КЕ» Jetronic с усовершенствованной системой пуска двигателя и системой контроля выхлопных газов. Эта частично механическая и частично электронная система исправно служит и в настоящее время.

Однако остальные механические системы впрыска топлива не выдержали конкуренции с электронными системами и постепенно вышли из употребления.

Далее в работе речь пойдёт о электронных системах впрыска топлива и о главной составляющей этой системе - о форсунке.

1. Обзор систем впрыска топлива

Задача впрысковых или карбюраторных систем подачи топлива состоит в дозировании рабочей смеси, наиболее оптимальной для каждого режима работы двигателя.

Системы впрыска топлива, особенно с электронным управлением, значительно более, чем карбюраторы, подходят для соблюдения жестких требований к подготовке смеси. Дополнительно они создают преимущества в отношении расхода топлива, динамических свойств и выходной мощности двигателя. Требования все более строгих нормативов привели к тому, что на автомобилях впрыск окончательно вытеснил карбюраторы.

До сих пор почти исключительно применялись системы, в которых образование смеси происходило за пределами камеры сгорания (впрыск во впускной трубоипровод). Системы с внутренним смесеобразованием, т. е. с впрыском непосредственно в камеру сгорания (непосредственный впрыск) в лучшей мере обеспечивают дальнейшее снижение расхода топлива, а потому преобретают все большее значение.

За многие годы развития автомобилестроения много узлов и систем автомобиля было испытано и отвергнуто из-за отсутствия доступной технологии изготовления. Электронные системы управления двигателем являются одним из примеров: хотя первые попытки применения этих систем были предприняты в 1930-50 годах, по-настоящему, жизнеспособная электронная система была запущена в производство только в 1966 году.

Первое зарегистрированное применение электронного клапана подачи топлива произошло в 1932 году, когда инженер по имени Кеннеди усовершенствовал 6-цилиндровый судовой двигатель с искровым зажиганием. В системе отсутствовали транзисторы (они были изобретены только спустя 16 лет) и другие компоненты современной электронной системы. В 1934 году Кеннеди установил 6-цилиндровый двигатель, оборудованный этой системой, на грузовик и успешно проехал на нем от Лос-Анджелеса до Нью-Йорка и обратно. После того, как компания, в которой работал Кеннеди обанкротилась, эта система была забыта.

4 февраля 1957 года Корпорация Bendix зарегистрировала патент на электронную систему впрыска топлива. В патенте было оговорено 39 пунктов, что дало фирме Bendix права на все формы электронных систем впрыска топлива. Срок действия патента заканчивался 18 апреля 1961 года.

Существует несколько способов впрыска топлива: прямой, при мкотором топливо впрыскивается непосредственно в каждый цилиндр, а также непрямой, при котором топливо смешивается с воздухом перед впускным клапаном цилиндра.

Прямой способ впрыска топлива не используется из-за ряда чисто технических трудностей его реализации. Во-первых, топливо необходимо впрыскивать в цилиндр под большим давлением что требует мощного насоса и вызывает повышенную шумность, во-вторых, моменты впрыска топлива должны быть синхронизированы с вращением коленчатого вала двигателя.

При непрямом впрыске топлива топливо распыляется под небольшим давлением во впускной тракт, причем впрыск производится одновременно всеми форсунками, независимо от тактов в цилиндрах.

При непрямом впрыске существует два способа подачи топлива:

1) Непрерывный впрыск. При работе двигателя топливо непрерывно распыляется форсунками, а регулирование состава рабочей смеси осуществляется изменением давления впрыска. Однако отношение потребления топлива на холостом ходу и при работе с полной нагрузкой достигает 1:60, причем регулировка должна осуществляться с высокой точностью. Это приводит к неоправданному усложнению конструкции топливной системы.

2) Дробный впрыск. Топливо распыляется через равномерные интервалы времени при постоянном давлении (подробнее см. ниже). Эти интервалы времени могут быть как синхронизированы, так и не синхронизированы с открытием впускных клапанов двигателя.

Так же в двигателе может быть установлена одна форсунка (одноточечный или дроссельный впрыск) или для каждого цилиндра устанавливается своя форсунка (многоточечный или разделенный впрыск).

Форсунка для одноточечного впрыска устанавливается над дроссельной заслонкой, поэтому такая система иногда называется системой с дроссельным впрыском топлива. Она является относительно дешевой. В большинстве систем используется установка форсунок для каждого цилиндра, поскольку, несмотря на дополнительную стоимость, эти системы обладают рядом преимуществ. Независимо от типа системы, их общие принципы работы поясняются.

Механическая система впрыска топлива

В механической системе впрыска топлива К-Jetronic масса впрыскиваемого топлива определяется дозирующим топливораспределительным устройством, от которого топливо направляется к форсунке, открывающейся при определенном давлении и после этого постоянно (без перерывов) впрыскивающей топливо.

Комбинированная электронно-механическая система впрыска топлива

Такая система КЕ-Jetronic базируется на механической системе K-Jetronic, которая дополнена электронным блоком, управляющим режимом работы насоса и форсунок с дозирующим топливораспределительным устройством. Благодаря этому осуществляется более точное управление впрыскиванием топлива в соответствии с меняющимися рабочими режимами двигателя.

Электронные системы впрыска топлива

Электронноуправляемые системы впрыска обеспечивают впрыскивание топлива в прерывистом режиме через форсунки с электромагнитным управлением. Масса впрыскиваемого топлива определяется временем работы (открытия) форсунки (для заданного падения давления в форсунке).

Примеры: системы L-Jetronic, LH-Jetronic и Motronic как интегрированная система управления двигателем (М-Моtгоniс, МЕ-Моtronie).

Электронная система разделенного впрыска топлива.

Принцип действия системы разделенного впрыска топлива рассмотрен на примере системы впрыска топлива Bosch L Jetrcnic.

Система LH Jetronic отличается от системы L Jetronic только установкой датчика массового расхода воздуха с нагретым проводом.

Работа системы L Jetronic заключается в обеспечении оптимального соотношения воздуха и топлива в рабочей смеси для всех режимов работы двигателя, а также в определении времени и длительности впрысков топлива для каждой из форсунок.

Для обеспечения разделенного впрыска топлива требуется установка форсунок позади впускных клапанов для каждого цилиндра. При открывании клапана облако топлива втягивается вместе с воздухом в цилиндр двигателя, где и образуется рабочая смесь.

Процесс впрыска топлива и параметры, характеризующие этот процесс. Рассмотрим процесс впрыска топлива топливоподающей системой разделенного типа, воспользовавшись схемой, данной на рис.1. Плунжер 1, перемещаясь во втулке 3 в направлении, показанном [ штуцера насоса, во входном конце нагнетательного топливопровода 6 возникает волна давления. Волна давления, двигаясь по нагнетательному топливопроводу со скоростью, равной скорости распространения возмущений в топливе, а (1200 ч- 1400 м/с) проходит расстояние L от штуцера насоса до корпуса 7 распылителя форсунки за время

под действием которого начинает подниматься игла 10, преодолев усилие предварительной затяжки пружины 11. При движении иглы от седла в направлении, показанном сплошной стрелкой, между запорным конусом иглы и седлом образуется щель, через которую топливо поступает в центральный канал 8 в распылителе и далее через распыливающие отверстия 9 в камеру сгорания дизеля.

в распылителе. Усилие пружины форсунки станет больше давления топлива, и игла опустится на седло.

При достижении волны давления форсунки возникает обратная волна давления, движущаяся от форсунки к насосу. У штуцера насоса обратная волна также частично отразится и возникает вторая прямая волна подачи. Она суммируется с волной, создаваемой плунжером, если подача топлива нагнетательной секцией еще не прекратилась. В случае, когда к моменту прихода отраженной волны произошла отсечка и нагнетательный клапан опустился на седло, вторая прямая волна будет двигаться к форсунке в виде второй волны подачи. Достигнув форсунки, она может вторично открыть иглу и произойдет дополнительный впрыск топлива, если амплитуда волны давления будет достаточной для преодоления усилия пружины.

Прямые и отраженные волны давления в нагнетательной магистрали постепенно затухают из-за необратимых потерь энергии на трение о стенки топливопровода, трение в жидкости и других и к началу следующего впрыска практически прекращаются. В полости нагнетания, которая включает объемы штуцера насоса, нагнетательного топливопровода и распылителя, устанавливается давление рто, называемое остаточным.

Давление впрыска и проходные (дросселирующие) сечения в распылителе изменяются в процессе подачи, в результате меняются также скорости истечения топлива из распыливающих отверстий и его подача.

Протекание процесса впрыска обычно характеризуется следующими параметрами: началом и продолжительностью подачи, изменениями давления распиливания и количества топлива, поступающего из распылителя во времени или по углу поворота кулачкового вала топливного насоса. Наиболее общей является последняя зависимость, которую можно представить в виде дифференциальной или интегральной характеристик впрыска.

Дифференциальная характеристика впрыска зависимость объемного или массового расхода топлива, подаваемого из распылителя форсунки, от времени или угла поворота кулачкового вала фк топливного насоса высокого давления:

объем топлива, поданного от начала впрыска). Заменяя время на угол поворота кулачкового вала, получим

моменты начала и конца подачи топлива.

io любого ее момента:

представляет собой заштрихованную площадь под кривой дифференциальной характеристики впрыска.

2. Распыливания топлива и смесеобразования в ДВС

Проблема образования горючей смеси появилась еще во времена, когда разрабатывались первые ДВС. В частности, от ее решения, а также от работоспособности механизма зажигания зависела вообще возможность работы такого двигателя.

В общих чертах карбюратор был создан еще в XVIII веке. Тогда проводились опыты с целью получить такие испарения жидких материалов, которые бы позволили улучшить работу отопительных и осветительных устройств.

Идею испарять жидкость для работы двигателя впервые предложил в 1795 г. Роберт Стрит. Для этого он использовал скипидар или дегтярное масло. Сэмюэль Морей и Эскин Азар в 1825 г. создали двухцилиндровый двигатель, сконструировав для него первый корбюратор, который был запатентован в Великобритании под номером 5402. До того времени подробные системы смесеобразования работали по преимуществу на скипидаре или керосине.

Все изменилось в 1833 г., когда профессору химии Эйлхарду Мичерлиху из берлина удалось с помощью термокресинга расщепить бензойную кислоту, В результате реакции он получил так называемый «этилен Фарадея», который назвал бензолом, ставшим предшественником современного бензина.

Первый бензиновый карбюратор был сконструирован Уильямом Барнеттом, получившим в 1838 г. за это изобретение патент под номером 7615.

Такие разработки в те годы представляли собой фитильный либо испарительный карбюраторы. Первый корбюратор, примененный в автомобиле, был фитильным. Фитиль впитывал топливо примерно так же, как в керосиновой лампе. Этот фитиль находился в потоке всасываемого воздуха, благодаря чему происходило смешивание воздуха и топлива. В испарительном карбюраторе топливо подогревалось ОГ двигателя, в результате чего на поверхности топлива образовывался слой топливных паров, которые, попадая в воздушный поток, смешивались с воздухом до образования необходимой рабочей смеси.

В двигателях внутреннего сгорания используются различные: газообразные, жидкие и даже твердые топлива, хотя практическое значение имеют только некоторые из них. Непосредственное сжигание, например, пылевидного твердого топлива в цилиндрах двигателя технически вполне осуществимо, и такие попытки имели место. Однако золообразование в цилиндрах, чрезмерно высокий износ двигателя и другие связанные с этим трудности до сих пор не преодолены. Поэтому твердые топлива предварительно газифицируются в специальных установках -- газогенераторах или же используются как сырье для получения жидких топлив, например бензола. Таким образом, для приготовления рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания используются, как правило, жидкие или газообразные топлива.

Смесеобразование в поршневых двигателях во многом зависит от вида применяемого топлива.

Газообразное топливо смешивается с воздухом на входе в двигатель в специальном смесителе, поэтому в его цилиндры поступает уже готовая горючая смесь.

Топливовоздушную смесь из жидкого топлива и воздуха готовят Двумя способами:

1) чистый воздух и жидкое топливо подаются в цилиндры двигателя раздельно и перемешиваются непосредственно в цилиндрах, образуя с остаточными газами рабочую смесь;

2) жидкое топливо перемешивается с воздухом перед поступлением в цилиндры, куда поступает готовая горючая смесь.

Следовательно, возможны два способа приготовления топливо-воздушной смеси: вне цилиндров и непосредственно в цилиндрах. В зависимости от этого двигатели внутреннего сгорания принято разделять на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.

В двигателях с внешним смесеобразованием и зажиганием рабочей смеси от электрической искры, работающих на жидком топливе, горючая смесь чаще всего подготавливается в карбюраторах. Такие двигатели принято называть карбюраторными. Внутреннее смесеобразование преимущественно используется в двигателях с воспламенением рабочей смеси от тепла, накапливаемого в процессе сжатия. Такие двигатели называются двигателями с воспламенением от сжатия, или дизелями (по имени изобретателя Рудольфа Дизеля).

В практике применяются и другие сочетания методов приготовления и воспламенения рабочей смеси в поршневых двигателях, но они не изменяют основу рассмотренных методов смесеобразования.

Моторные топлива независимо от того, из какого исходного сырья и каким методом они получены, должны обладать определенными физико-химическими свойствами, обеспечивающими надежную работу двигателей, хорошую их топливную экономичность и возможно меньшие износы деталей. Экономичность двигателей, а следовательно, и общий расход горючего в известной мере зависят от теплоты сгорания топлива. Особенно большое значение это имеет для транспортных двигателей, так как радиус действия транспортных средств зависит от запаса топлива, а емкости их баков ограничены.

Газообразные и жидкие топлива нефтяного происхождения представляют собой смеси различных углеводородов широкого фракционного состава. В практике используются топлива с фракционным составом от легких газообразных до тяжелых, трудно испаряемых.

Физико-химические свойства моторных топлив, как правило, регламентируются государственными стандартами, которые обязательно учитываются при проектировании новых двигателей.

Твердые топлива -- антрацит, различные угли, древесина, торф, горючие сланцы и другие -- используются для получения таких газообразных топлив, как светильный, коксовый, доменный и газогенераторный газы, а также жидких топлив в виде сланцевых, угольных и других бензинов и бензолов, пригодных для сжигания в двигателях внутреннего сгорания.

Жидкие моторные топлива по роду исходного сырья подразделяются на две группы: нефтяные и ненефтяные, получаемые, например, при соответствующей переработке твердого топлива. В двигателях внутреннего сгорания в основном применяются жидкие топлива, получаемые в больших количествах путем переработки нефти. Это бензин, керосин, газойлевые и соляровые фракции и даже мазут, который используется иногда в качестве тяжелого нефтяного топлива.

Бензин представляет собой наиболее летучую жидкую часть нефти, состоящую в основном из группы индивидуальных углеводородных соединений от пентана С₅Н₁₂до октана C8H18. Температура кипения бензиновых компонентов нефти не превышает 185-205°С.

Керосин состоит из более тяжелых углеводородов, выкипающих при температуре 290-300°С. Еще более тяжелыми фракциями являются газойль и соляровое масло. Температура выкипания углеводородов газойлевой фракции достигает 380°С, а солярового масла -- 500°С.

Для карбюраторных двигателей основным топливом служит бензин, а в двигателях с воспламенением от сжатия используется дизельное топливо, основанное на смеси фракций нефти, температура кипения которых не выходит за пределы 350°С. В крупных стационарных дизелях находят применение тяжелые моторные топлива, состоящие из смеси солярового масла и мазута. Газотурбинные двигатели работают на керосине.

Нефтяное топливо в основном состоит из химических элементов: углерода С и водорода Н. Содержание углерода колеблется в пределах 85 ч 87%, а водорода -- 13 ч 15%. В небольших количествах они содержат кислород О, азот N, серу S и следы воды. Эти элементы входят в нефтепродукты в виде химических соединений, главными из которых являются углеводороды, составляющие следующие группы (ряды): алканы, цикланы и ароматические углеводороды бензольного ряда.

Перечисленные группы углеводородных соединений различаются структурой молекул. Молекулы алканов, например, имеют цепное строение (незамкнутые цепи), в молекулы цикланов входят замкнутые кольца (циклы) атомов углерода с простой валентной связью, а молекулы ароматического ряда характеризуются наличием шести -членного циклического ядра с более сложной валентной связью между атомами углерода.

Групповой состав углеводородных соединений оказывает большое влияние на физико-химические свойства топлив, предопределяя возможности их использования в определенных типах двигателей.

Для топлив карбюраторных двигателей важнейшим качеством является, например, детонационная стойкость. Если детонационная стойкость топлива не соответствует выбранной (завышенной) степени сжатия, то нормальное протекание процесса сгорания нарушается. Сгорание приобретает взрывной характер, порождающий ударную волну давления, которая распространяется в цилиндре со сверхзвуковой скоростью. Удары детонационной волны о стенки цилиндра и поршень при многократном отражении вызывают вибрацию стенок, воспринимаемую как характерный резкий детонационный стук. Работа двигателя с детонационным сгоранием недопустима, так как ухудшает его показатели и приводит к разрушению некоторых ответственных деталей кривошипно-шатунного механизма.

Детонационная стойкость топлив зависит от группового состава углеводородных соединений. Чем больше в топливе ароматических соединений, тем выше его детонационная стойкость.

Антидетонационные свойства топлив оцениваются октановым числом путем сравнения топлив с эталонами. В качестве эталонов приняты изооктан (и--C8H18), обладающий хорошими антидетонационными свойствами, и нормальный гептан (н -- С₇Н₁₆) с низкими антидетонационными свойствами. Октановое число топлива принимается численно равным процентному содержанию изооктана в такой смеси с нормальным гептаном, которая оказывается равноценной данному топливу по детонационной стойкости при испытаниях в стандартных условиях. Октановые числа (о. ч.) современных бензинов находятся в пределах 70 ч 100 единиц.

Для топлив, применяемых в дизелях, важнейшим качеством является самовоспламеняемость, определяющая степень жесткости работы двигателя, о которой можно судить, например, по резкости характерного стука, возникающего при работе дизеля. Самовоспламеняемость дизельных топлив оценивается цетановым числом, которое определяют путем сравнения работы стандартного двигателя на испытуемом топливе и па смеси эталонных топлив. В качестве эталонов используются цетан (С₁₆Н₃₄) из группы алканов с хорошей воспламеняемостью и альфа-метилнафталин (С₁₀Н₇СН₃), являющийся ароматическим углеводородом, стойким против самовоспламенения. Цетановое число топлива принимается численно равным процентному содержанию цетана в такой смеси с альфа-метил нафталином, которая по самовоспламеняемости оказывается равноценной испытуемому топливу.

Чем выше содержание алканов в дизельном топливе, тем выше его склонность к самовоспламенению и тем мягче, без сильных стуков работают дизели.

Заключение

В заключение краткого обзора истории разработки систем смесеобразования следует упомянуть, что различные типы карбюраторов устанавливались на автомобилях вплоть до 90-х годов прошлого века. Карбюратор из-за своей невысокой стоимости особенно долго применялся на малолитражных автомобилях. Однако автомобилестроители все же отказались от карбюратора в связи с введением все более строгих норм, регламентирующих снижение токсичности ОГ. Хотя в начале 90-х годов и появилась успешная разработка фирм Bosch и Pierburg -- карбюратор Ecotronic, представляющий собой модицифицированный карбюратор, с набженный электрониыми исполнительными устройствами. Он позволил экономить топливо при соблюдении действующих в те годы норм по ограничению токсичности О Г.

Список используемой литературы

1. И.Я.Райков - Испытание двигателей внутреннего сгорания. Изд. Москва «Высшая школа» 1975г.

2. Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Двигатели внутреннего сгорания, 1971 г.

3. http://ga-avto.ru/ «процесс впрыска топлива»

Размещено на Allbest.ru