Топливные системы ДВС

РЕФЕРАТ

«ТОПЛИВНАЯ СИСТМА ДВС»

1. Общие представления

Функции ТС:

. Хранение запаса топлива;

. Подготовка;

.Дозирование топлива в соответствии с режимом работы ДВС

. Подача топлива в цилиндр на определенном участке по заданному закону;

. Распределение топлива по камере сгорания в соответствии с принятым способом смесеобразования.

Требования к ТС:

1.   Минимальная стоимость и масса, высокая технологичность (в структуре стоимости автомобильного дизеля ТПА составляет 25…40%)

2.       Стабильность показателей подачи в течении срока эксплуатации

.        Удобство обслуживания, ремонта, регулирования

.        Обеспечение максимального ресурса в пределах ресурса двигателя

.        Обеспечение необходимой характеристики подачи топлива и ее регулирование, как для дизельных, так и для бензиновых ДВС

.        Минимальная неравномерность подачи топлива по цилиндрам

.        Возможность прокачки системы для удаления воздушных пробок.

Классификация ТС

2. Топливные системы бензиновых ДВС

.1 Карбюраторные системы

Карбюрация - процесс приготовления рабочей смеси под действием скоростного перемещения воздуха.

Характеристики: мощностная и экономическая.

Вспомогательные системы карбюратора: экономайзер, эконостат, система х.х., система пуска и прогрева, насос ускоритель. Данные системы изменяют характеристику элементарного карбюратора и приближают ее к идеальной.

Достоинства карбюраторной системы :

·    простота

·        низкая стоимость

·        надежность

Недостатки :

·    неравномерное распределение топливо-воздушной смеси по цилиндрам ДВС

·        слишком высокое качество приготовления смеси

2.2 Система распределенного впрыска

Топливо впрыскивается через электроуправляемые форсунки, непосредственно во впускной канал каждого цилиндра согласно порядку их работы. Подача топлива из бака к форсункам, как правило, осуществляется роликовым насосом с электрическим приводом. Впрыскивание производится под давлением в пределах от 200 до 630 кПа. В системе топливоподачи помещается предохранительный клапан, срабатывающий, когда давление превышает заданные параметры примерно на 50 кПа, и перепускающий топливо в бак.

Для современных бензиновых двигателей применяется три типа форсунок:

.Форсунки с механическим клапаном, отрегулированным на заданное давление топлива при непрерывной подаче бензина. При малых расходах топлива подача может быть пульсирующей, что улучшает его распыливание.

. Пусковые форсунки. Управление клапаном обычно осуществляется электромагнитом. Бензин может подаваться в ресивер или в специальный канал системы холостого хода. Небольшое сечение канала обеспечивает движение смеси с высокими скоростями и предотвращает конденсацию топлива.

В современных двигателях обогащение смеси при пуске и прогреве часто достигается при помощи программы управления основными форсунками - без пусковой.

. Электромагнитные форсунки с цикловой подачей топлива. Применяются на большинстве современных двигателей с распределенным впрыскиванием бензина, могут быть с нижним, боковым или верхним подводом топлива. При нижнем подводе осуществляется постоянный проток бензина через форсунку, что обеспечивает ее охлаждение и предотвращает образование пузырьков пара. При повышенном давлении впрыскивания (300...400 кПа) эта проблема решается и без протока топлива через форсунку.

В форсунке, как правило, устанавливается сменный резервный топливный фильтр с очень небольшой емкостью, предназначенный только для улавливания случайно попавших в магистраль частиц. Поэтому бензин предварительно должен быть тщательно очищен в основном фильтре.

Распределенный впрыск увеличивает мощность двигателя на 15%, а расход топлива при этом снижается на 10..18%. Экономический эффект достигается за счет возможности использования более высокой степени сжатия, что положительно влияет на общий КПД двигателя.

Вспомогательные системы.

·      Регулятор давления в топливной рейке нужен для обеспечения постоянного перепада давления между топливной рамкой и впускным ресивером

·        Топливный фильтр. В данной системе к качеству очистки более высокие требования. Тонкость отсева 10 мкм.

·        Датчик количества воздуха. Измеряет количество воздуха поступающего в двигатель

·        Датчик разряжения. Измеряет абсолютное давление во впускном коллекторе.

·        Датчик положения дроссельной заслонки (угол поворота).

·        Датчик частоты вращения и угла поворота коленчатого вала.

·        Лямба-зонд. Нужен для определения коэффициента избытка воздуха.

Достоинства:

·      Более точное распределение топлива по цилиндрам

·        Более точное дозирование топлива по режимам работы

·        Увеличенная степень сжатия

Недостатки:

·      Более сложная и дорогая

·        Более высокие требования к качеству топлива

·        Невозможность организации расслоения заряда

2.3 Система непосредственного впрыска

Все основные элементы схожи с системой распределенного впрыска, но есть отличия :

1.   Давление 50-70 атм.

2.       Форсунки имеют более сложную конструкцию и располагаются в крышке цилиндров.

.        Еще более высокие требования к качеству топлива.

Система позволяет использовать обедненные смеси, что повышает экологичность и экономичность двигателя. Позволяет еще больше поднять степень сжатия и использовать легкий наддув.

Основные проблемы этой системы связаны с усложнением конструкции крышки цилиндров и сложные температурные и механические условия работы для форсунки. Так же дороговизна двигателя с этой системой впрыска не позволяет ей стать массовой. Данное система находит применение в поршневой авиации.

топливо дизель бензиновый

3. Топливная система дизеля

Основные элементы топливной системы дизеля.

Фильтры.

Фильтрация дизельного топлива необходима для защиты от абразивных частиц и примесей, которые изнашивают высокоточные прецизионные соединения в ТНВД и форсунках. Вода в топливе приводит к коррозии. Согласно ГОСТ механических примесей не должно быть более 50 г на тонну топлива.

ФГО устанавливают на топливозаборных и входных устройствах. В линии высокого давления и на входе в форсунку устанавливают предохранительные ФГО. Обычно это сетчатый или щелевой фильтр. ФГО увеличивает ресурс ТПН и ФТО. ФГО обеспечивает отсев частиц размером 10..30 мкм по массе от 20..55% и воды 60..85%.

ФТО служит для гарантированного отсева опасного для прецизионных пар абразива и воды. Он отсеивает 96..99% механических примесей и воды.

Начальную тонкость отсева стараются не делать меньше 2..3 мкм. По мере засорения значение отсева снижается, но при этом увеличивается его сопротивление. ФТО имеет встроенную кассету на основе бумажного или картонного фильтрующего элемента. Пористый гидрофобный материал пропитан активным водоотталкивающим веществом. За счет спирального сворачивания площадь фильтра увеличивается в 10..100 раз.

Картонные фильтры имеют меньший размер, но они более надежны. Фильтр так же может снабжаться датчиком предельного уровня отсева. Фильтр часто устанавливают сдвоенным для упрощения монтажа, либо для обеспечения резерва.

Топливоподкачивающий насос.

Служат для преодоления гидравлического сопротивления фильтров, создания гидростатического напора и снабжением топлива ТНВД. Производительность ТПН подбирают в 3..10 раз большую, чем максимальный расход топлива. Напор ТПН от 1 до 5 атмосфер. В составе с распределительных ТНВД до 12 атм.

Трубопроводы низкого давления.

Трубопроводы высокого давления.

Толщина стенок больше внутреннего диаметра в несколько раз. Материал Сталь 20..40. Такие трубопроводы гнут согласно чертежам. Не допускают перегибов и многократных деформаций, скрепляют противовибрационными скобами. Не допускается использовать трубки длиной более 1 м.

4. Особенности топливных систем дизелей различного назначения

.1 Судовые топливные системы

Судовая топливная система является наиболее сложной. Это связано с использованием тяжелых сортов топлива, значительной его загрязненностью, большими расходами и долгой безостановочной работой. Линия подачи мазута дублируется аналогичной для дизельного топлива. Кроме того, многие элементы (насосы, фильтры, сепараторы, подогреватели) дублируются для повышения надежности или возможности обслуживания, а так же для повышения эффективности и расположены последовательно на разных участках ЛНД.

Все топливоперекачивающие насосы имеют не связанный с кинематикой дизеля привод и расположены вдали от него. Могут применять не только шестеренчатые насосы, но и лопаточные и винтовые.

Работа судовой топливной системы начинается на дизельном топливе (пуск, прогрев, выход из порта, установка курса), после происходит плавное переключение на мазут. При этом не допускается смена режима работы двигателя и сильных маневров. Остановка двигателя на мазуте приводит к выводу из строя ТПА.

В мазутах допускается до 1% примесей и до 2% асфальтосмолистых веществ и воды. Помимо отстоя в цистернах при повышенной температуре и привычной фильтрации вводится предварительное удаление примесей (кларификация) и воды (пурификация) в центробежных сепараторах. Во избежание нарушения разделения фракций перед пуском сепараторы заполняют водой. Широко используются самоочищающиеся фильтрационные установки, обеспечивающие тонкость отсева до 5 мкм.

Подогрев мазутов обычно ведется перегретым паром и часто начинается в ограниченном объеме танка, в противном случае прокачка мазута невозможна. Современные тяжелые топлива приходиться нагревать до 150^о С для их разжижения. Необходимые вязкости: для сепарирования - 12..25 мПа*с, для нагнетания и распыливания 8..15 мПа*с.

Степень подогрева изменяется регулятором вязкости. Интенсивность подогрева обычно не более 4^оС в минуту. Более быстрый нагрев приведет к температурной деформациями узлов ТПА.

Для оценки самовоспламеняемости дистиллятных топлив применяют цетановое число. Для судовых малооборотных двигателей цетановое число должно быть не менее 35 (СОД > 45, ВОД > 55). Для оценки самовоспламеняемости тяжелых остаточных топлив фирмой «ШЕЛЛ» разработан Расчетный углеродно-ароматический индекс (CCAI). Индекс отображает связь, с одной стороны, ароматических и парофиновых углеводородов, с другой их плотность и вязкость.

15 и v50 берутся из сертификата на топливо

4.2 Топливные системы тепловозов

Топливная система тепловозного двигателя включает аппаратуру, предназначенную для подачи топлива под высоким давлением непосредственно в цилиндры двигателя, и оборудование, которое служит для подачи топлива к этой аппаратуре, фильтрации и подогрева топлива на тепловозе. Несмотря на разнообразие конструкций, топливные системы тепловозных двигателей имеют много общего в принципах работы и схемах устройства.

Наибольшее распространение получили индивидуальные ТНВД и насос-форсунки на дизелях с большим количеством цилиндров. На небольших дизелях возможно применение распределительных ТНВД.

Основное регулирование производительности ТНВД - золотниковое. Данные насосы обладают возможностью регулирования УОВТ, и даже двухфазной подачи (обычно насос-форсунки).

Индивидуальные ТНВД:

+ Применяется на двигателях большой размерности

Большая масса ТА

Использование кулачков обеспечивает невысокую точность подачи от цикла к циклу

Высокая стоимость

Неудобство регулировки и испытания ТА

Разрозненное расположение ТНВД по двигателю, большой привод реек

Худшая стабильность поддержания работы двигателя.

Использование ТНВД распределительного типа позволяет сократить стоимость всей топливной аппаратуры, т.к. 25..40% стоимости ТПА составляет изготовление прецизионных деталей. В данных насосах одна плунжерная пара обеспечивает работу нескольких цилиндров.

Насос-форсунки:

+ простота конструкции

+ более высокое давление впрыскивание (отсутствие ЛВД)

+ отсутствие подвпрыскивания

+ резкая отсечка подачи топлива

+ меньшее закоксовывание

+ больший ресурс распылителя

+ меньший разброс УОВТ (отсутствие запаздывания нагнетания плунжера).

сложность компоновки крышки цилиндров.

4.3 Топливные системы автотракторных дизелей

Благодаря небольшим габаритным размерам используемых дизелей на них можно использовать ТНВД блочного и распределительного типа, а так же аккумуляторные системы.

ТНВД распределительного и блочного типа имеют меньшие размеры, массу, стоимость, обладают более стабильной подачей, легче поддаются регулированию.

Особого внимания требует рассмотрение аккумуляторной системы топливоподачи.

Привод ТНВД - любой, в том числе допускающий проскальзывание, не имеет острой импульсной нагрузки. К числу функциональных элементов относятся и нагнетательные трубопроводы от аккумулятора до форсунок: в отличие от бензиновых систем, без них не удается обойтись. Они имеют длину 150...240 мм, что в сочетании с длинными каналами современных форсунок обуславливает наличие сложных волновых процессов. Без их точного расчета нельзя спроектировать систему, а в эксплуатации нельзя допускать неравноценную замену трубопроводов.

К топливоподкачивающим насосам и фильтрам предъявляются требования, аналогичные для традиционной ТПА. Можно использовать шестеренчатые и роторные (роликовые) насосы с автономным электроприводом, в том числе погруженные в топливный бак.

Принципиален выбор объема аккумулятора. С одной стороны, он должен сглаживать колебания давления от ТНВД и форсунок. В любом случае необходимо задаться допустимой амплитудой колебания давления. С другой стороны, необходимый объем подбирается из условия обеспечения быстроты протекания переходных режимов.

Клапанный регулятор давления. Метод регулирования сливом из высоконапорного аккумулятора имеет очевидные недостатки: слишком неэкономичен, требует специального охладителя топлива и быстродействующего клапана. Поэтому лучшим решением является отказ от него. Однако ему отводится также роль второго канала регулирования давления аккумулятора (кроме регулирования ТНВД). Он осуществляет быструю стабилизацию давления при снятии нагрузки, т.к. выключения подачи ТНВД и расходования топлива форсунками недостаточно. В противном случае возможны трудности обеспечения малых подач при высоких давлениях (замедление сброса нагрузки или пропуски подач) и шумность работы дизеля. Если удается обойти эти трудности, то неоптимальностью давления впрыскивания с точки зрения требований рабочего процесса можно пренебречь. Клапан может устанавливаться и в ТНВД, и на аккумуляторе.

Предохранительный клапан предназначен для стравливания топлива из аккумулятора при превышении давления выше допустимого. Он может срабатывать при неисправном регуляторе давления. Давление срабатывания клапана регулируется поворотом винта.

Датчик давления топлива в аккумуляторе. Его особенность - стабильная нулевая точка. Мембрана приварена к корпусу и снабжена полупроводниковым первичным преобразователем. Она может прогибаться до 1 мм при давлении 150 МПа.

Аварийный ограничитель подачи предотвращает опорожнение аккумулятора через форсунку с зависшей иглой или клапаном управления, а также повреждение соответствующего цилиндра дизеля. В нем используется принцип возникновения разницы давлений по обе стороны от клапана при прохождении топлива через его жиклеры.

5. Перспективы развития топливных систем

Основным развитием топливных систем бензиновых двигателей является массовое внедрение систем непосредственного впрыска топлива в цилиндр. Проводятся исследования по подаче топлива с расслоение заряда в цилиндре. Данный способ смесеобразования улучшит экологические и экономические показатели бензиновых двигателей, а так же возможно позволит отказаться от принудительного воспламенения и перейти к более выгодному воспламенению от сжатия.

Для дизельных средне- и высокооборотных двигателей перспективным является внедрение топливных систем с регулируемым давлением впрыскивания. Регулирование давления позволяет оптимизировать смесеобразование в цилиндрах на всех режимах работы двигателя. Эти параметры так же влияют на топливную экономичность и содержание вредных компонентов в отработавших газах. К данным системам относится аккумуляторная система топливоподачи.

В малооборотных двигателях возможно использование пылеугольных водных или воздушных эмульсий. Для этого требуется измельчение каменного угля до частиц размером около 10 мкм. При этом уголь должен обладать малой зольностью и низким содержанием серы. Возможно использование дизельного топлива с 10..50 % содержанием угля. Основные проблемы использования угля - это плохое сгорание, большая зольность, попадание несгоревших частиц в масло и закупоривание отверстий системы смазки, повышенная дымность, высокая температура ОГ, трудность подвода твердого топлива к ТПА.

В связи с повышенными требованиями к экологии сегодня большой интерес представляют стационарные газовые двигатели, работающие на выработку электроэнергии. Использование газа в 1,5..2 раза уменьшает содержание вредных компонентов в ОГ. Для использования газообразного топлива необходимо использовать соответствующую аппаратуру. С современным распространением производства сжиженного газа, набирает обороты впрысковые газовые системы. Трудность транспортировки газообразных топлив (в т.ч. водорода и биогаза) затрудняет их использование на транспортных средствах.

Альтернативные виды топлива, такие как, водород, биодизель, биогаз, спирты и эфиры сегодня почти не используются, хотя и обладают более лучшими экологическими показателями. До сих пор нефтяные топлива остаются приоритетными по соотношению энергоемкость цена.