Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

Заочный факультет

Реферат по дисциплине

«Транспортная энергетика»

Системы топливоподачи дизельных двигателей

(классификация, особенности и примеры)

Выполнил: студент группы

Проверил: доцент, к.т.н. Яковенко А.Л.

Москва 2016

Оглавление

• Введение
• 1. Классификация систем топливоподачи дизельных двигателей
• 2. Дизельное топливо и смесеобразование
• 3. Классическая топливная система дизелей
• 4. Виды ТНВД
• 5. Форсунки и насос-форсунки
• 6. Система Common-Rail для дизельного двигателя
• Выводы
• Литература
• Введение
• Для работы двигателя необходимо топливо, которое должно в определенные моменты подаваться в цилиндры -- эту задачу решают топливные системы (или системы подачи топлива).
• Топливная система автомобиля (или система подачи топлива) -- система, предназначенная для подачи топлива из топливного бака в двигатель. Также эта система обеспечивает хранение топлива и его очистку перед подачей в двигатель.
• Самой важной частью дизельного двигателя, которая определяет эффективность и надежность его работы, выступает система топливоподачи. Основным ее предназначением является подача четко определенного количества горючего в заданный момент времени и с определенным давлением, которое тоже запрограммировано заранее. Именно это - требования к точности и высокое давление топлива, делают топливную систему дизельного двигателя сложной в конструктивном исполнении и дорогой на рынке. Элементами особой важности в топливной системе дизельного мотора автомобиля являются: топливный фильтр, топливный насос высокого давления, а также форсунки. ТНВД предназначается для подачи горючего к форсункам по четко заданной программе. Электронный блок управления, который выполняет функцию регулировки подачи топлива в дизельном двигателе, строго работает по программе, записанной в него, а на его работу (точнее, на результат, к которому приводит работа электроники двигателя согласно программе) влияют управляющие действия водителя и режим, в котором работает сам двигатель (холостой ход, высокие обороты, средняя нагрузка двигателя, слабая нагрузка и тому подобное).
• 1. Классификация систем топливоподачи дизельных двигателей
• По конструктивному исполнению основных элементов системы топливоподачи автомобильных дизелей выполняют двух типов: топливные системы разделенного типа и топливные системы неразделенного типа. Наибольшее применение получила система топливодачи разделенного типа, когда нагнетательная секция топливного насоса высокого давления и форсунка конструктивно выполнены отдельно и соединены нагнетательным топливопроводом. В топливной системе неразделенного типа используют насосыфорсунки, у которых нагнетательная секция насоса высокого давления и форсунка объединены в одном узле (например, двухтактные дизели ЯМЗ). Топливоподающая аппаратура любого типа имеет агрегаты и узлы низкого и высокого давления. двигатель дизельный топливоподача форсунка
• К агрегатам и узлам низкого давления относятся топливный бак, фильтры грубой и тонкой очистки, топливоподкачивающий насос, трубопроводы низкого давления. К агрегатам и узлам высокого давления относятся насос высокого давления, топливные форсунки и трубопроводы высокого давления.
• Топливный насос высокого давления предназначен для дозирования топлива в соответствии с режимом работы двигателя и подачи топлива к форсункам.
• В автомобильных двигателях наибольшее распространение получили плунжерные (золотниковые насосы). Эти насосы компактны, удобны в эксплуатации, имеют простую конструкцию, обеспечивают точную регулировку подачи топлива.
• В зависимости от кинематических схем плунжерные топливные насосы делятся на многосекционные и распределительные. В многосекционных насосах одна нагнетательная секция может подавать топливо только в один цилиндр дизеля (число нагнетательных секций соответствует числу цилиндров). Распределительные насосы бывают одно или двухсекционные, а также роторные. Каждая нагнетательная секция этих насосов подает топливо в несколько цилиндров двигателя (до шести цилиндров).
• Топливные насосы высокого давления различаются также по методам дозирования топлива. В дизелях изменение цикловой подачи осуществляется отсечкой или дросселированием на впуске. Наиболее широкое применение получили насосы с регулированием подаваемого топлива посредством отсечки топлива за счет плунжера. Основными элементами секции являются плунжер, гильза плунжера, поворотная втулка с зубчатым венцом, пружина, нагнетательный клапан с седлом и пружиной, нажимной штуцер и толкатель.
• Заполнение объема в гильзе топливом осуществляется при движении плунжера вниз вначале через отверстие, а затем через канал. Таким образом, плунжер подает топливо и управляет закрытием и открытием впускных и выпускных окон гильзы, т. е. выполняет роль золотника, поэтому топливные насосы с такой плунжерной парой называют золотниковыми. Начало и конец подачи соответствуют моментам полного перекрытия торцовой кромкой плунжера впускного отверстия и началу открытия отсечной кромкой впускного отверстия.
• На некоторых дизелях впускные и выпускные отверстия в гильзах нагнетательной секции топливного насоса выполнены на одном уровне. В этом случае наполнение надплунжерного пространства осуществляется одновременно через оба отверстия. Отсечка и перепуск топлива происходит через отсечную кромку плунжера и отверстие в гильзе со стороны стопорного винта.
• В настоящее время большое распространение стали получать системы с насосами распределительного типа. В этих насосах один насосный элемент (плунжер) обеспечивает подачу топлива в четыре-шесть цилиндров. Основными элементами данной системы являются насосный элемент и распределитель. В связи с обслуживанием нескольких цилиндров плунжер должен иметь соответственно повышенную частоту действия, что достигается применением для его привода шайбы с несколькими кулачками. Для раздачи топлива, подаваемого насосным элементом, используется распределитель с вращающимся золотникам.
• В некоторых конструкциях насосов рассматриваемого типа функция распределения топлива по цилиндрам выполняется плунжером насосного элемента. В этом случае плунжеру сообщается не только поступательное, но и вращательное движение. Особенностью данной схемы является регулирование подачи посредством специальной дозирующей втулки, установленной на плунжере. При осевом перемещении втулки изменяется момент выхода из нее отверстия плунжера, связанного с полостью нагнетания насоса, и, следовательно, изменяется момент отсечки подачи.
• Аккумуляторная система топливоподачи дизелей современных автомобилей была известна еще Р.Дизелю, который испытывал систему впрыска непосредственно из топливопровода при постоянном давлении. Современное воплощение этой идеи сопровождается использованием технических решений, апробированных и доказавших свою эффективность в конструкциях дизелей в последнее время. К ним относятся применение неразделенных камер сгорания (непосредственный впрыск), объемное смесеобразование при высоких давлениях впрыска (порядка 100 МПа и более), чаще всего, наличие четырех клапанов в цилиндре при центральном расположении форсунки, регулируемый турбонаддув и т.п. Основное преимущество аккумуляторной системы заключается в том, что процессы создания энергии впрыска и дозирования в ней топлива разделены во времени и в отличие от традиционных способов топливоподачи не оказывают неблагоприятного воздействия друг на друга. Аккумуляторная система позволяет управлять давлением впрыска и обеспечить оптимальное значение этой величины на всех режимах работы дизеля.

2. Дизельное топливо и смесеобразование

Время, отводимое на процесс смесеобразования в дизелях, очень мало. Да и топливо, поступающее в раскаленный сжатый воздух, воспламеняется не сразу. Между началом его подачи и моментом воспламенения проходит некоторый промежуток времени, называемый периодом задержки воспламенения. В течение этого периода топливо перемешивается с воздухом, испаряется и нагревается до самовоспламенения. Задержка воспламенения зависит от сорта топлива, его физико-химических свойств и от конструктивных особенностей двигателя. Чем значительнее период задержки воспламенения, тем больше количество топлива накапливается в камере сгорания. После воспламенения оно быстро сгорает, что приводит к резкому увеличению давления газов на поршневую группу. Двигатель работает жестко, со стуками, а его детали подвергаются интенсивному износу. Мелкое распыливание топлива в завихренный воздух приводит к уменьшению периода задержки воспламенения. С увеличением частоты вращения коленчатого вала повышаются давление и температура в конце сжатия, что уменьшает период задержки воспламенения топлива. Следовательно, для быстроходных дизелей необходимо использовать топливо с повышенным цетановым числом, так как такое топливо скорее воспламеняется и быстрее сгорает.

Смесеобразование в дизелях происходит непосредственно в камере сгорания. В сжатый горячий воздух впрыскивается определенная порция топлива. Задача смесеобразовательного процесса заключается в том, чтобы мелко распылить и хорошо перемешать определенную дозу топлива с воздухом. Смесеобразование происходит почти одновременно с процессом сгорания. Если в цилиндр подавать на одну часть топлива теоретически необходимое количество воздуха, достаточное для полного сгорания топлива, то двигатель будет работать с дымлением. Объясняется это тем, что равномерно распределить мелкие частицы топлива в воздухе по всей камере сгорания дизеля очень трудно. Чтобы топливо полностью сгорело, воздуха приходится подавать в цилиндры значительно больше, чем теоретически необходимо. Однако увеличение коэффициента избытка воздуха уменьшает экономические показатели дизеля. Лучше, если сгорание топлива происходит при меньшем значении коэффициента избытка воздуха, так как полнее будет использовано тепло сгоревшего топлива. Минимальное значение коэффициента избытка воздуха, соответствующее бездымной работе дизеля с неразделенной камерой сгорания, равно 1,6--1,7, а с вихревой камерой 1,3--1,4.

Другой особенностью дизеля является то, что в цилиндр фактически поступает почти одно и то же количество воздуха, независимо от нагрузки. При малой нагрузке в цилиндре всегда имеется много воздуха, и топливо сгорает полностью. Коэффициент избытка воздуха в этом случае имеет большую величину. При увеличении нагрузки возрастает подача топлива, уменьшается значение коэффициента избытка воздуха и ухудшается процесс сгорания топлива.

Для улучшения смесеобразования в дизелях применяют неразделенные камеры сгорания, разделенные (на два объема) камеры сгорания (вихревые и предкамеры). В неразделенные камеры сгорания (они расположены в днище поршня) топливо подают под большим давлением 50 000--100 000 кН/м² (500--1000 кгс/см²). Это позволяет получить тонкое распыливание топлива, хорошее перемешивание его с воздухом, достаточную полноту сгорания, а дизель будет развивать наибольшую мощность. В разделенных камерах сгорания создается интенсивное завихрение воздуха, что способствует лучшему смесеобразованию и позволяет подавать топливо через форсунки с меньшим давлением 12 500--18 500 кН/м² (125--185 кгс/см ).

3. Классическая топливная система дизелей

Топливная система дизеля обеспечивает подачу топлива в камеры сгорания цилиндров в соответствии с требованиями смесеобразования, а также выполняет вспомогательные функции по хранению запаса топлива, необходимого для работы ДВС в течение определенного времени, и очистку его от воды и механических примесей перед впрыскиванием в цилиндры.

Типовое устройство топливной системы дизеля показано на рис. 1. Из резервуара 1 топливо поступает в фильтр грубой очистки 3 под действием разрежения, создаваемого подкачивающим насосом 4, который приводится от вала насоса 9 высокого давления. В свою очередь вал насоса вращается от коленчатого вала дизеля и согласован с ним по фазе (по углу поворота).

Под избыточным давлением 50…70 кПа топливо подается в фильтр тонкой очистки 6, затем - в насос. Часть топлива под высоким давлением направляется по нагнетательному трубопроводу 11 к форсункам 13, посредством которых впрыскивается в камеры сгорания цилиндров. Избыточное топливо перепускается по трубопроводу 10 в резервуар, унося образовавшиеся пары и пузырьки воздуха, а также отводя выделившуюся при работе насоса теплоту. Таким образом, в подаче отмеренной дозы топлива в камеру сгорания непосредственно участвуют два компонента системы питания: топливный насос высокого давления и форсунки, расположенные раздельно и связанные гидравлическим нагнетательным трубопроводом 11. Такая конструкция топливоподающей аппаратуры называется разделенной. Она наиболее распространена в современных дизелях.

Рис. 1. Классическая топливная система дизеля

1 - топливный бак; 2, 5, 7, 8, 10, 12 - `рубопроводы низкого давления; 3 - фильтр грубой очистки; 4 - топливоподкачивающий насос; 6 - фильтр тонкой очистки; 9 - топливный насос высокого давления; 11 - нагнетательный трубопровод; 13 - форсунки

ТНВД - топливный насос высокого давления предназначен для подачи топлива к форсункам по строго определенной программе, в зависимости от режима работы двигателя и управляющих действий водителя. По своей сути современный всережимный ТНВД совмещает в себе функции сложной системы автоматического управления двигателем и главного исполнительного механизма, отрабатывающего команды шофера. Нажимая педаль газа, водитель не увеличивает непосредственно подачу топлива, а лишь меняет программу работы регуляторов, которые уже сами изменяют подачу по строго определенным зависимостям от числа оборотов, давления наддува, положения рычага регулятора и т.п. На современных внедорожниках обычно применяются ТНВД распределительного типа.

ТНВД распределительного типа. Насосы этого типа получили широкое распространение на легковых дизелях. Они компактны, отличаются высокой равномерностью подачи топлива по цилиндрам и отличной работой на высоких оборотах благодаря быстродействию регуляторов. В то же время эти насосы предъявляют очень высокие требования к чистоте и качеству дизтоплива: ведь все их детали смазываются топливом, а зазоры в прецизионных элементах очень малы.

Нагнетательные трубопроводы соединяют насосные секции с форсунками они изготавливаются из специальных толстостенных стальных трубок с внутренним диаметром 1,5…3,0 мм. Для обеспечения четкой работы топливной аппаратуры они должны иметь возможно меньший объём и длину при плавных закруглениях и переходах, обладать малым гидравлическим сопротивлением и достаточной механической прочностью и жесткостью, а так же обеспечивать надежные уплотнения в местах соединений.

Для предотвращений вибрации и поломок в процессе работы топливопроводы закрепляются на двигателе скобами или кляммерами. Особенно жесткие требования в топливопроводах высокого давления предъявляются к заделке их концов в местах соединений с насосом и форсунками.

Топливопроводы низкого давления, обеспечивающие подачу топлива из бака к насосу высокого давления, а так же слив избыточного топлива чаще всњего изготавливаются из стали или синтетических материалов.

Количество, размеры, расположение и конструкция топливных баков зависят от типа и назначения машины. При этом любой топливный бак должен обязательно иметь устройство для изменения уровня топлива, заливную горловину с топливным фильтром и герметично закрывающейся крышкой, Пробку или кран для слива отстоя, а также может иметь кран для отключения топливной системы от бака.

Баки изготавливаются из стального листа штамповкой и сваркой. П?? должны быть достаточно жестки и герметичны. Внутренняя полость больших баков разделяется на сообщающиеся части перегородками , которые повышают жесткость бака и уменьшают плескание топлива .Объем бака определяется из заданного запаса хода.

Топливоподкачивающие насосы служат для подачи топлива из топливных баков через фильтры грубой и тонкой очистки к впускной полости насосов высокого давления или к насос - форсункам.

В системах топливопитания современных автомобильных двигателей в качестве подкачивающих насосов применяются, главным образом, поршневые и шестеренчатые насосы.

Поршневой насос обычно устанавливается на корпусе насоса высокого давления и приводится в действие от специального эксцентрика кулачкового вала.

Для прокачки системы питания двигателя перед его запуском после длительной остановки подкачивающем насосе устанавливается дополнительный насос ручной прокачки, работающей вместе с всасывающим и нагнетательным клапанами подкачивающего насоса.

Топливоподкачивающие насосы шестеренчатого типа по принципу действия и конструкции совершенно аналогичны масляным шестеренчатым насосам. Более высокие требования здесь предъявляются только в отношении уплотнений и точности изготовления деталей в связи с меньшей вязкостью топлива по сравнению с маслом.

Механические примеси в топливе способствуют засорению системы и быстрому износу деталей топливоподающей аппаратуры, а так же заеданию плунжеров, игл распыливателей и нагнетательных клапанов. По этой причине к топливным фильтрам предъявляются жесткие требования по степени очистки топлива. Так к примеру, в бензиновых двигателях топлива, прошедшее очистку, не должно содержать механических примесей с размером частиц более 15…20 МК, а в дизелях 1…2 МК. Для обеспечения этих требований в системах подачи топлива автотракторных двигателей предусматривают последовательную очистку топлива в нескольких фильтрах.

Предварительная (грубая) очистка производится в фильтрах- отстойниках, устанавливаемых между топливным баком и топливоподкачивающим насосом. Фильтрах-отстойниках топливо от механических примесей очищается при прохождении его через специальные фильтрующие материалы или через узкие щели образованные медной проволочной сеткой или набором латунных пластин .

4. Виды ТНВД

Основным узлом топливной системы дизеля является топливный насос высокого давления. Его главные функции - нагнетание топлива в форсунки в строго дозированном количестве и обеспечение необходимого момента начала впрыскивания (он определяется углом опережения впрыска по аналогии с углом опережения зажигания у бензиновых двигателей).

На дизелях легковых автомобилей применяются три типа ТНВД, Рассмотрим их более подробно.

Плунжерные рядные насосы типа М или MW фирмы Bosch применяются сейчас, в основном, только фирмой Mercedes.

Эти насосы сложны по конструкции, но обладают, пожалуй, максимальными надежностью и долговечностью. Конструктивно плунжерные ТНВД имеют отдельные нагнетательные секции на форсунку каждого цилиндра с приводом от кулачкового вала насоса. Каждая секция состоит из двух прецизионных (т.е. сверхточно выполненных) элементов -- плунжера и нагнетательного клапана. Плунжер служит для нагнетания топлива в форсунку и установлен в корпусе, насоса с очень малым зазором -- менее 1 мкм. Кроме того, плунжер управляет количеством топлива, подаваемого к форсунке. Нагнетательный клапан необходим для быстрого запирания топливопровода, соединяющего насос и форсунку, и поддержания небольшого остаточного давления в топливопроводе между впрысками,

Кроме названных весьма распространены и насосы распределительного типа. Среди них различают плунжерные и роторные.

Привод плунжеров может осуществляться от кулачка на торце вала, с внешним или внутренним профилем. При поступательно-вращательном движении плунжера во втулке с несколькими отверстиями происходит подача топлива в каждый цилиндр.

Достоинство таких насосов - их сравнительная простота и компактность, недостаток - повышенный износ плунжерной пары. В распределительном насосе типа VE фирмы Bosch (подобные насосы производятся также японской фирмой Diesel KiKi no лицензии Bosch) система нагнетания имеет только один плунжер-распределитель, который совершает поступательные движения для нагнетания топлива и вращение для распределения топлива по форсункам.

Поступательно-вращательное движение плунжера обеспечивается за счет его контакта с шаговым диском через ролики, при этом плунжер выполняет за один оборот диска столько циклов нагнетания, сколько цилиндров у двигателя.

В распределительных насосах типа DPC французской фирмы Lucas Rotodiese! И DPA, DPS английской фирмы Lucas-CAV систему нагнетания составляет пара противолежащих поршней, выполняющих поступательные движения навстречу друг другу. Нагнетание топлива происходит здесь в результате действия на поршни роликовых толкателей, набегающих на кулачки обоймы подшипника ротора. Распределение топлива по форсункам выполняется за счет разделителя, вращающегося вместе с поршнем и соединяющего или разъединяющего в определенных положениях насос с форсунками.

Чтобы ТНВД создавал необходимое давление впрыскивания, топливо должно поступать к плунжерной паре под небольшим давлением. Для этого используют насосы предварительной подкачки (низкого давления). В рядных ТНВД такой насос вынесен наружу и приводится от кулачкового вала двигателя, в то время как в распределительных насосах он установлен внутри корпуса самого ТНВД.

5. Форсунки и насос-форсунки

Конечным элементом топливной системы дизеля является форсунка. Она обычно заворачивается в головку блока цилиндров, но в некоторых дизелях прижимается специальным зажимом. Поскольку со стороны распылителя на форсунку воздействуют горячие газы, между ней и головкой устанавливают противопригарную шайбу, уплотняющую соединение и способствующую отводу тепла от форсунки.

Распылитель является основной деталью форсунки. В дизелях легковых автомобилей обычно применяют многоструйные или штифтовые распылители. Первый тип применяется в дизелях с непосредственным впрыском, второй -- в дизелях с разделенной камерой сгорания.

Форсунка - узел прецизионный и очень ответственный.

Давление впрыска определяется усилием пружины распылителя. Под действием давления топлива в топливопроводе игла распылителя поднимается, и происходит впрыск. В момент, когда плунжер ТНВД прекращает нагнетание, давление резко падает, и игла распылителя садится на седло, отсекая подачу.

На двигателях с неразделенной камерой сгорания, в которых требуется особо высокое давление впрыска (до 120...160 МПа), часто применяются насосы-форсунки.

В этом случае плунжерная пара и собственно форсунка объединены в одном устройстве, что избавляет конструкцию от топливопроводов высокого давления. Соответственно не возникает и колебаний в них, нарушающих процесс впрыскивания. Однако при этом значительно усложняется дизельный двигатель и возникают серьезные трудности с его обслуживанием и регулировкой системы питания.

В последние годы все большее распространение получает электронное регулирование топливоподачи. Один из вариантов системы подобного рода содержит отдельный для каждого цилиндра модульный элемент, в который входит плунжерная пара, приводимая от основного распределительного вала, быстродействующий электромагнитный клапан, форсунки и сравнительно короткие топливопроводы высокого давления. Объем над плунжером заполняется при открытом клапане. Затем клапан закрывается, в системе возникает давление (до 160..180 МПа) и происходит впрыскивание.

Другим вариантом системы с электронным управлением является насос-форсунка с электромагнитным клапаном, перекрывающим канал слива топлива на время впрыска.