8.3. Турбонаддув в дизелях

Наддув используют для повышения мощности дизеля путем подачи заряда воздуха в цилиндр под дав­лением.

Дизель оборудован турбокомпрессором, использующим энергию отработавших газов. Турбокомпрессор уве­личивает наполнение цилиндров воз­духом, что повышает эффективность сгорания одновременно увеличенной дозы впрыскивае­мого топлива и тем самым повышает эффективную мощ­ность дизеля на 20…30%. Однако наддув увеличивает тепловую и меха­ническую напряженность деталей кривошипно-шатунного и газорас­пределительного механизмов.

Оба агрегата имеют один об­щий роторный вал, установленный в бронзовых подшипниках. Во время такта впуска дизеля сжатый комп­рессором воздух подается в его цилиндры под давлением 0,15…0,20 МПа.

Турбокомпрессор дизелей ЯМЗ-238НБ, -240Н, -240П состо­ит из газовой турбины 5 и центро­бежного компрессора 3 (рис.8.3). На роторном валу 6 с одной стороны закреплено рабочее колесо 8 турбины 5, а с другой - рабочее колесо 4 компрес­сора.

Рис.8.3. Схема турбокомпрессора

Движущиеся по выпускному трубопроводу 1 отработавшие газы вращают рабочее колесо 8 турбины с большой частотой (35…40 тыс.об/мин), а затем они отводятся по газопроводу 2 в трубу глушителя. Одновременно с колесом 8 турбины вращается рабочее колесо 4 компрес­сора, которое через воздухоочисти­тель засасывает воздух, сжимает его и под давлением нагнетает через впускной газопровод 9 в цилиндры 7 дизеля.

В зависимости от степени повышения давления наддув может быть низким с давле­нием воздуха на впуске до 0,15 МПа, средним - до 0,2 МПа и высоким - при давлении свыше 0,2 МПа.

8.4. Расчет элементов топливной системы дизеля

Топливный насос высокого давления предназначен для отмеривания необходимого количества топлива и подачи его под высоким давлением в цилиндры в установленный момент в со­ответствии с порядком работы двигателя. Топлив­ные насосы высокого давления золотникового типа с плунжерами, нагруженными пружинами и приводимыми в движение кулачками вращающегося вала применяют для автомобильных и тракторных дизелей.

Расчет секции топливного насоса заключается в определении диаметра и хода плунжера, которые зависят от цикловой подачи насоса на режиме номинальной мощности дизеля.

Цикловая подача, т.е. расход топлива за цикл:

в массовых единицах (г/цикл)

g_ц = g_e · N_e ·  /(120 n· i);

в объемных единицах (мм³/цикл)

V_ц = g_e · N_e ·  /(10 n · i · _т).

Производите­льность насоса должна быть больше величины V_ц, чтобы перекрыть потери из-за деформации трубопроводов и утечек через неплотности, а также из-за сжатия топлива.

Влияние указанных выше факторов на величину цикловой пода­чи учитывается коэффициентом подачи насоса, представляющим отношение объема цикловой подачи к объему, описанному плун­жером на геометрическом активном ходе:

_н = V_ц/V_т,

где V_т = f_п · S_акт - теоретическая цикловая подача насоса, мм³/цикл (f_п - площадь поперечного сечения плунжера, мм²; S_акт - актив­ный ход плунжера, мм).

Таким образом, теоретическая подача секции топливного на­соса

V_т = V_ц/_н.

Величина _н для автомобильных и тракторных дизелей при номинальной нагрузке изменяется в пределах 0,70…0,90.

Полная производительность секции топливного насоса (мм³/цикл) с учетом перепуска топлива, перегрузки дизеля и обес­печения надежного пуска при низких температурах определяется по формуле

V_н = (2,5 … 3,2)V_т.

Это количество топлива должно быть равно объему, соответст­вующему полному ходу плунжера.

Основные размеры насоса определяются из выражения

V_н =  d²_пл · S_пл /4,

где d_пл и S_пл - диаметр и полный ход плунжера, мм.

Диаметр плунжера

d_пл = [4V_н /( · S_пл / d_пл)]^1/3.

Отношение S_пл /d_пл изменяется в пределах 1,0 … 1,7. Диаметр плунжера насоса должен быть не менее 6 мм, так как при меньших диамет­рах затрудняется обработка и пригонка плунжера в гильзе.

Полный ход плунжера (мм)

S_пл = (S_пл / d_пл) d_пл.

При выбранном диаметре плунжера его активный ход

S_акт = V_т / f_пл,

где V_T - теоретическая подача секции топливного насоса, мм³/цикл.

Форсунки служат для распыливания и равномерного распре­деления топлива по объему камеры сгорания дизеля. Форсунки бывают открытыми и закрытыми. В закрытых форсунках распыливающие отверстия сообщаются с трубопроводом высокого давления только в период подачи топлива. В открытых форсунках эта связь по­стоянна.

Расчет форсунки сводится к определению диаметра сопловых отверстий.

Объем топлива (мм³/цикл), впрыскиваемого форсункой за один рабочий ход четырехтактного дизеля (цикловая подача):

V_ц = g_e · N_e · 10³ /(30 n · i · _т).

Время истечения топлива (с)

t = /(6n),

где  - угол поворота коленчатого вала, град.

Продолжительность подачи  задают в зависимости от типа смесеобразования дизеля. При пленочном смесеобразовании  = 15…25° поворота коленчатого вала, а при объемном, где требует­ся более высокая скорость впрыска,  = 10 … 20°.

Средняя скорость истечения топлива (м/с) через сопловые отвер­стия распылителя определяется по формуле

_ф = [(2/_т)(р_ф - р_ц)],

где р_ф - среднее давление впрыска топлива, Па; р_ц = (р_с + р_z)/2 - среднее давление газа в цилиндре в период впрыска, Па; р_с и р_z - давление в конце сжатия и сгорания, определяемые по данным теплового расчета дизеля, Па.

Величина средней скорости истечения топлива изменяется в ши­роких пределах: от 150 до 300 м/с.

В дизелях без наддува р_ц = 3 … 6 МПа, а в двигателях с над­дувом может быть значительно выше.

Среднее давление впрыска р_ф зависит от вели­чины затяжки пружины форсунки, гидравлического сопротивления сопел, диаметра и скорости движения плунжера и др. Чем выше давление впрыска, тем больше скорость истечения топлива и луч­ше его распыливание. В дизелях автомобильного и тракторного типов р_ф должно быть в пределах 15…40 МПа.

Суммарная площадь (мм²) сопловых отверстий форсунки находится из выражения

f_с = V_ц /(10³ _ф · _ф · t),

где _ф - коэффициент расхода топлива, равный 0,65 … 0,85.

Диаметр соплового отверстия форсунки

d_с = [4f_с/( m)]^0,5,

где m - число сопловых отверстий.

При выборе числа и расположения сопловых отверстий исходят из формы камеры сгорания и способа смесеобразования.

Одно-и двухдырчатые распылители с диаметром отверстия 0,4…0,6 мм применяют в дизелях с пленочным смесеобразованием, а многодырчатые рас­пылители с диаметром отверстий 0,2 мм и более - в дизелях с объемным смесеобразованием.

9. СИСТЕМА ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ АВТОМОБИЛЯ

С ГАЗОБАЛЛОННОЙ УСТАНОВКОЙ

Горючие газы применяют в качестве топлива для двигателей автомобилей с газо­баллонными установками. Газы бывают:

сжатые (природные) газы — главным образом это ме­тан, хранящийся при давлении до 20 МПа;

сжиженные (нефтяные) газы — как правило, бутано-пропановые смеси;

сжижающиеся при давлении 1,6 МПа.

К достоинствам газовоздушных смесей можно отнести более высокие, чем бензиновоздушные, антидетонационные свойства, незначительную токсичность отработавших газов. Из-за отсутствия конденсации паров исключается смывание пленки масла со стенок гильз и поршней двигателя. Уменьшается степень нагарообразования на стенках камер сгорания цилиндров. В резуль­тате срок службы двигателя увеличивается в 1,5…2 раза.

К недостаткам газобаллонных установок можно отнес­ти:

повышенные требования пожаро- и взрывоопасности;

уменьшение мощности двигателя из-за более низкой, чем у бензина, скорости горения газовоздушной сме­си;

потерю грузоподъемности автомобиля вследствие мас­сивности газобаллонных установок. Двигатели, работающие на газообразном топливе, созда­ются на базе карбюраторных, обо­рудованных специальной газобаллонной установкой, но сохра­няющих способность работать и на бензине.

Газобаллонная установка на сжатом газе (рис.9.1) со­держит баллоны для хранения газа, расходные вентили, наполнительные вентили, подогреватель, редуктор высокого давления, электромагнитный клапан с фильтром, редуктор низкого давления, карбюратор-смеситель.

На базовом автомобиле модели ЗИЛ-138 под платформой кузова установлены две группы баллонов для хранения сжатого газа, по четыре в каждой. Баллоны изготовлены из цельнотянутых стальных труб с толщиной стенок до 7 мм.

В систе­му питания газ через расходные вентили может поступать как от одной из групп, так и от обеих сразу. Баллоны заряжаются газом через наполнительный вентиль. Через расходные вентили газ поступа­ет в подогреватель, который предохраняет систему от замер­зания за счет расширения газа в редукторе высокого давления. Для подогрева используется теплота отработавших газов.

Рис.9.1. Схема газобаллонной установки на сжатом газе: 1 – редуктор низкого давления; 2 – клапан; 3 – смеситель; 4 – топливный насос; 5 – карбюратор; 6 – редуктор; 7 – подогреватель газа; 8 – фильтр; 9 – манометр; 10 – расходный вентиль; 11 – наполнительный вентиль

Газ из редуктора высокого давления поступает посредством электромагнитного клапана, который открывает­ся при пуске двигателя, в редуктор низкого давления.

Редуктор низкого давления имеет две ступени, и давление газа в нем понижается с небольшим превышением атмосферного давления. Далее газ поступает в карбюратор-смеситель, а на режиме холостого хода - непосредственно в дроссельное пространство.

Редуктор низкого давления имеет большое значение для системы питания. Он понижает давление газа, поступающего в карбюратор-смеситель, дозирует газ для приготовления газовоздушной смеси необходимого состава и отключает газовую магистраль при остановке двигателя. Давление газа в нем имеет небольшое превышение по сравнению с атмосферным.

Двигатель работает по стандар­тной схеме питания бензином, система автономно подклю­чена к карбюратору-смесителю.

Газобаллонная установка на сжиженном газе (рис.9.2) включает баллон с газовой арматурой, наполнительный, магистральный и расходный венти­ли, испаритель, редуктор, смеситель.

Баллоны, в которых содержится сжиженный газ в жидком и парообразном состоянии, свариваются из листовой стали. На бал­лоне имеются расходные вентили паровой и жидкостной фаз газа. При пуске и прогреве двигателя пользуются газом от паровой фазы, а после прогрева - от жидкостной.

Газ от расходных вентилей поступает к магистральному вентилю и далее по шлангам высокого давления в испаритель, где под действием тепла охлаждающей жидко­сти двигателя испаряется. Далее в парообразном состоянии газ через фильтры (улавливаются механические примеси и смолистые вещества) попадает в газовый редуктор. Здесь происходит двухступенчатое снижение давления газа до уров­ня несколько выше атмосферного. Далее газ через дозирующе-экономай-зерное устройство по газопроводу поступает к обратному клапану входного патрубка смесителя и через форсунки - к дроссельным заслонкам газового смесителя. Из смесителя газовоздушная смесь поступает в цилиндры двигателя, где и сгорает.

Рис.9.2. Схема газобаллонной установки на сжиженном газе: 1 – дозирующее устройство; 2 – газовый фильтр; 3 – испаритель; 4 – панель контрольных приборов; 5 – редуктор; 6 – смеситель; 7 – магистральный вентиль; 8 – бензонасос; 9 – вентиль контроля наполнения; 10 – расходный вентиль; 11 – предохранительный клапан; 12 – датчик уровня; 13 – баллон; 14 – расходный вентиль жидкого газа; 15 – наполнительный вентиль; 16 – бензобак; 17 – фильтр очистки бензина; 18 – карбюратор-смеситель

На автобусах, в отличие от рассмотренной схемы, предусмотрена установка на крыше салона автобуса или по левому борту двух баллонов сжиженного газа и установка вместо магист­рального вентиля электромагнитного клапана и двух мано­метров, показывающих давление газа в баллоне на первой ступени редуктора.

В легковом автомобиле ГАЗ-2407 «Волга» элементы га­зобаллонной установки объединены в узлы: двухступенчатый редуктор-испаритель, фильтр сжиженного газа с электромагнитным клапаном, расходный вентиль жидкостной фазы с расходным вен­тилем паровой фазы, наполнительный вентиль с вентилем максимального заполнения баллона и предохранительным клапаном.

Приборы, по которым контролируют работу газобаллонной установки на сжиженном газе:

манометр, показывающий давление газа в полости первой ступени редуктора;

указатель уровня сжиженного газа в баллоне.

На двигателе установлены совместно газовый смеситель и карбюратор, что позволяет работать как на бутанопропановой смеси так и на бензине. Такая возможность используется для маневрирования в га­раже и передвижения на короткое расстояние. При работе двигателя запрещается переводить его с одного вида топлива на дру­гое, так как это приводит к повреждению диа­фрагмы газового редуктора.