Міністерство освіти та науки України Вінницький національний технічний університет

Кафедра АТМ

ЗВІТ

з ОНДР

на тему:

«Підвищення ТЕП двигуна рекуперацією відпрацьованих газів»

Виконав: ст. гр. 1АТ-10

Хухлей Я.Т.

Керівник: д.т.н., проф.

Біліченко В.В.

Консультант з ОНДР: к.т.н.,доц.

Кашканов В.А.

Вінниця ВНТУ 2013

Реферат

Даний звіт містить 20 сторінку основного тексту та містить список використаних джерел.

Ключові слова: повторне використання відпрацьованих газів, система зчитування даних з датчика положення колінчастого вала (датчика Холла), датчик масового потоку повітря, чадний газ, оксид нітрогену або закис азоту, тверді частинки, вакуумний клапан протитиску, термовакуумний клапан.

В даній роботі досліджується застосування новітньої системи рециркуляції відпрацьованих газів EGR (exhaust gas recirculation) на шестициліндровому дизельному двигуні німецького виробництва сімейства JTD , доцільність використання даної системи, різновиди клапанів, будова клапанів та принцип їх дії, переваги та недоліки системи. Наведені пристрої та системи без яких EGR майже безсильна. Також наведено причини виникнення помилок при нестабільній роботі чи збої системи (підключення комп’ютера до блоку управління автомобілем).

Охарактеризована ефективність EGR на фоні зменшення шкідливих викидів СО та NO_х в навколишнє середовище, що на даний час дуже важливо для суспільства в якому ми з Вами проживаємо.

Перелік скорочень

BMEP (break mean effective pressure) – середній ефективний тиск

СА (crank angle) – кут кривошипа

СО (carbon monoxide) – чадний газ\

ЕСМ (engine control module) – модуль машинного контролю

EGR (exhaust gas recirculation) – повторне використання відпрацьованих газів

MAF (mass air flow sensor) – датчик масового потоку повітря

HCCI (homogeneous charge compression ignition) – гомогенна зарядка стисненого запалення

NOX (oxides of nitrogen) – оксид нітрогену або закис азоту

PM (particulate matter) – тверді частинки

SI (spark ignition) - іскра запалення

TDC (top dead center) – верхня мертва точка

VGT (variable geometry turbine) – турбінна змінної геометрії

χ (molar concentration) – молярна концентрація

λ (air excess ratio) – додаткове повітряне співвідношення

ṁ (mass flow rate) – норма масового потоку

СЕ (combustion engine) - двигун внутрішнього згорання

BPT – вакуумний клапан протитиску

TVV – термовакуумний клапан

ECCS (Electronic Concentrated Control System) - система зчитування даних з датчика положення колінчастого вала (датчика Холла)

MIL - контрольна лампа індикації несправності

ЗМІСТ	Ст.
ВСТУП………………………………………………………………………...............	5
1 Система рециркуляції відпрацьованих газів EGR на двигунові 2.0JTD………………………………………………………………………………..	6
1.1 Що являє собою система EGR (exhaust gas recirculation)………………….	6
1.2 Призначення системи рециркуляції та принцип дії………………………	8
1.3 Вплив неправильної роботи системи EGR на двигун автомобіля…………	9
2 Зниження токсичності із використанням системи відпрацьованих газів……...	10
2.1 Моделі молекулярних теплоємностей………………………………………..	10
2.2 Комплексне зниження токсичності відпрацьованих газів…………………	12
Висновки………………………………………………………………………………	17
Список використаних джерел……………………………………………………….	18

ВСТУП

На сьогоднішній час постає перед суспільством питання: « А чи не досить нам завдавати шкоди навколишньому середовищі ?» Замислюючись над цим я прийшов до висновку, що дійсно ми занедбали нашу з Вами природу! Мені здається, що потрібно дещо змінювати пріоритети нашого світобачення в різних галузях промисловості та народного господарства. Тому заради нашого з Вами блага я вирішив, не випадкового, зайнятися дослідженням цікавої, на мою думку, системи, що уже почала звертати до себе увагу, як гігантів автомобільної промисловості так і численну кількість різних організацій та установ, які працюють над удосконаленням системи та над зменшенням викидів відпрацьованих газів у навколишнє середовище.

Найперспективнішою системою по зменшенню викидів СО та NOx є система EGR (exhaust gas recirculation), що в перекладі означає – рециркуляція відпрацьованих газів. Дана система працює за принципом повернення відпрацьованого газу автомобіля назад у впускний колектор, а звідти знову у циліндри двигуна. Звичайно перед цим численна кількість датчиків, каталізаторів, сенсорів працюють над тим, щоб визначити, яка кількість палива повернулася, тобто не згоріла під час попередньої реакції в циліндрах двигуна, і визначають потім, яку порцію палива подати в циліндри, щоб при цьому не втрачалася потужність та була стабільна робота двигуна.

До того ж, датчик EGR вимірює, яка кількість повітря залишилася в складі відпрацьованого газу, що повернувся назад у колектор, і визначає, яку кількість повітря потрібно додати до складу, щоб в результаті получити потрібну паливну суміш та при цьому не забуваючи, що в першу чергу система призначення для очищення відпрацьованого газу від хімічних домішок СО та NOx.

СИСТЕМА РЕЦИРКУЛЯЦІЇ ВІДПРАЦЬОВАНИХ ГАЗІВ EGR

НА ДВИГУНОВІ 2.0 JTD

1.1 Що являє собою система EGR (exhaust gas recirculation)

Почнемо з того, що повітря яке ми спалюємо в ДВЗ складається не тільки з кисню. Найбільше в атмосфері азоту, який на Землі перебуває здебільшого у вільному стані. В атмосфері його зміст за обсягом 78%, за масою 75,5%. Зважаючи на свою значимість інертності азот при звичайних умовах реагує тільки з літієм. Так як ДВЗ це окремий випадок теплового двигуна, то для того щоб мати максимальний ККД, температуру і тиск, при яких згорають вуглеводні (2.0JTD у нашому випадку), намагаються зробити якомога вищі, єдиним обмеженням є тільки "теплова" міцність. Але тут виникає проблема - азот. Як було сказано вище азот - це інертний газ, але при високій температурі (більше ніж 2300 К^о) і тиску він окислюється, причому чим вище концентрація кисню, тим більше виробляється оксидів азоту.[1]

Рисунок 1.1 - Система рециркуляції відпрацьованих газів

Система рециркуляції відпрацьованих газів EGR (рисунок 1) була введена на початку 70-х для фільтрації викидів вихлопних газів, а саме для очищення відпрацьованих газів від будь-яких хімічних елементів.

З незначними змінами система EGR використовується у ніссанівських двигунах з 1980 року. З огляду на те, що система впливає на роботу двигуна, дуже важливо розуміти принцип її роботи для діагностики та усунення несправностей, пов'язаних з його працездатністю. Основні несправності двигуна, пов'язані з роботою EGR системи: нестійка робота двигуна на холостих обертах і при невеликому відкритті дросельної заслінки, зупинка двигуна внаслідок збідніння горючої суміші на холостих обертах.[2]

Перші системи EGR (1980р.) складалися з EGR клапана, BPT клапана (протитиску) та TVV клапана (термовакуумного). У версії California у вакуумній магістралі між BPT і TVV клапанами був встановлений клапан затримки. Основну роль у системі виконує EGR клапан, що контролює потік вихлопних газів, що надходять у впускний колектор. У нормальному стані EGR клапан закритий та заважає проходженню відпрацьованих газів. Біметалічного типу BPT і TVV клапана об'єднані в системі для управління відкриттям EGR клапана в суворо зазначений час. TVV клапан розташований у вакуумній магістралі між інжектором і EGR клапаном і призначений для відключення вакууму, якщо температура двигуна менше 50 градусів за Цельсієм. BPT клапан розташований у вакуумній магістралі після TVV клапана і призначений для підтримки в системі атмосферного тиску в той час, коли вона не працює. BPT клапан також з'єднаний з EGR клапаном і відкритий до тих пір, поки не з'явиться достатній тиск у випускній системі. Як тільки це відбувається, BPT клапан закриває подачу повітря в систему і в ній створюється розрідження, що відкриває EGR клапан.[1]

Починаючи з 1987 року на чотирициліндрових і з 1986 року на V6 двигунах, EGR система знаходиться під управлінням Electronic Concentrated Control System (ECCS) і використовує дані датчика положення колінвала (датчика Холла), датчика температури двигуна і датчика положення дросельної заслінки. ECU переводить ці дані в керуючі сигнали на електроклапан EGR, який безпосередньо керує відкриттям EGR клапана. Під час запуску холодного двигуна, на холостому ходу, коли оберти двигуна менші 900 об/хв. і при підвищених обертах понад 3200 об/хв. електроклапан EGR включений і система не працює. В інших випадках електроклапан вимкнений і EGR працює. Оксиди азоту NOx утворюються, коли температура в камері згоряння дуже висока. При температурі 2500 градусів за Фаренгейтом або вище, азот і кисень в камері згоряння можуть хімічно об'єднуватися в окиси азоту, які, у поєднанні з вуглеводнями (ВВ) та при наявності сонячного світла, виробляють потворні клубки диму, що для нас широко відомі, як чадний газ. Рециркуляції відпрацьованих газів знижує вміст NОх за рахунок зниження в ній температури шляхом додавання малих кількостей відпрацьованих газів в камеру згоряння.[3]

2. Призначення системи рециркуляції та принцип дії

Система рециркуляції відпрацьованих газів EGR призначена для зниження у відпрацьованих газах окисів азоту за рахунок штучного повернення частини відпрацьованих газів у впускний колектор. Повернення частини відпрацьованих газів у впускний колектор дозволяє знизити кількість кисню у паливо-повітряній суміші і, тим самим, зменшити утворення оксидів азоту. Це досягається або регулюванням фаз газорозподілу, або за рахунок з'єднання впускного і випускного

колекторів рециркуляційним.

У рециркуляційному трубопроводі встановлюється орган регулювання - заслінка 4. У впускний колектор можуть повертатися як неохолоджувані відпрацьовані гази, так і охолоджені ("гаряча" і "холодна" рециркуляції). Однак, це викликає падіння ефективної потужності двигуна.

Відпрацьовані гази, що йдуть на рециркуляцію скорочують процентний вміст кисню в камері згорання, внаслідок чого знижуються швидкість згорання і температура в локальних зонах . Крім того у газі, що рециркулює, міститься багато води, а такі забруднювачі, як сажа і смола, до того ж швидше окислюють моторне масло, що негативно позначається на ресурсі двигуна.

Рециркуляція ВГ збільшує об'єм залишкових газів, в горючій суміші циліндра, знижуючи температуру горіння суміші і зменшуючи часовий інтервал дії в локальных зонах високої температури (понад 2200 К^о).

1 - впускний трубопровід; 2 - випускний трубопровід; 3 - рециркуляційний

трубопровід; 4 - заслінка; 5 - ресівер; 6 - привід; 7 - охолоджувач

Рисунок 1.2 - Схема системи рециркуляції відпрацьованих газів

Тиск кисню в горючої суміші циліндра падає, але об'єм палива, необхідного для його згоряння залишається постійним. При тому ж об'ємі доданого тепла і приблизно при тій же тривалості горіння із-за наявності більшої кількості залишкових газів в зоні горіння в результаті виходить нижча температура. Питома теплоємність ВГ, що рециркулюють більша, ніж у повітря, оскільки в ВГ знаходяться пари води і двуокис вуглецю з вищими питомими теплоємностями, чим у азоту і кисню повітря. Тому наявність трьохатомних газів і веде до зменшення температури полум'я усередині камери згорання і до зниження NOx. [2]

Застосування 10% -вої рециркуляції ВГ може понизити NOx приблизно на 30% без суттєвого підвищення витрати палива. При частці рециркуляції 20% зменшення викиду оксидів азоту може досягати 60%. Проте вже при частці рециркуляції більше 10-15% спостерігається погіршення паливної економічності на 4-7%.

1.3 Вплив неправильної роботи системи EGR на двигун автомобіля

У першу чергу неправильна робота системи EGR впливає на стійку роботу двигуна на холостому ходу. Це пояснюється тим, що на показання датчика витрати повітря (MAF-sensor) або датчика абсолютного тиску (MAP-sensor) чинить негативний вплив неврахована порція відпрацьованих газів. Якщо її мало, то блок керування (ECU) напевно, зможе відрегулювати холостий хід на підставі показань кисневого датчика. Але якщо ж обсяг газів, що проходять через клапан буде досить високий, то блок керування з цим вже не впорається.

Для прикладу можна навести випадок ремонту AUDI з двигуном 2.0JTD. Система досить складна для знаходження несправностей так і для їх усунення. Тому будь-яка несправність це, так би мовити, "плаваюча" несправність. А такі несправності шукати - справа і важка, а у деяких випадках безнадійна. Довелося докласти чимало зусиль для пошуку причини несправності. Проте в якийсь момент ми "вперлися в глухий кут". Ну самі поміркуйте: начебто все перевірено і перевірені ще раз і все працює нормально і правильно. Машина заводиться відмінно, працює чудово - тихо, рівно, "як годинник". Однак минає хвилин п'ятнадцять і двигун починає давати збої. Цей збій триває кілька хвилин, а потім все знову приходить в норму і знову двигун працює дивовижно. І ось так упродовж години - кілька разів.

Шляхом нескладних перевірок ми вирахували, що картину нормальної роботи двигуна "змащує" перший циліндр. Почали придивлятися до того, що на нього "зав'язано". Так і вийшли на порт системи EGR, за яким вихлопні гази через клапан EGR вільно проходили у впускний колектор і там, в силу певних фізичних законів для конкретного впускного колектора давали «збій» саме на першому циліндрі. Крім того, неправильна робота системи EGR може впливати на роботу двигуна в режимі прискорення (машина смикається), і в режимі уповільнення (хлопки в глушнику при скиданні газу).[1]