Влияние качества дизельного топлива на технико-экономические показатели работы дизельного двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

10

Содержание

топливо двигатель дизельный сгорание

Введение

1. Топливо и химические реакции при его сгорании

1.1 Общие сведения о смесеобразовании топливовоздушной смеси

1.2 Структура и состав дизельного топлива

1.3 Сведения о свойствах дизельного топлива

1.4 Нормативы качества дизельных топлив и тенденции их изменения

1.5 Химические реакции при сгорании топлива

1.6 Описание производственных услуг

1.7 Технические характеристики двигателя ЗМЗ 5143

2. Особенности конструкции

2.1 Конструкция основных элементов системы питания дизельного двигателя

2.2 Оценка системы питания и влияние ее на мощность двигателя

2.3 Влияние состояния ЦПГ и ГРМ на мощность двигателя

2.4 Газораспределительный механизм (ГРМ)

3. Методика проведения экспериментальных исследований по оценке состава ОГ при различных видах топлива

3.1 Анализ испытания дизельных топлив

3.2 Выбор оборудования для исследований

3.3 Методика проведения эксплуатационных испытаний

3.4 Методика построения экспериментальных зависимостей

4. Результаты экспериментальных исследований

4.1 Влияние дизельного топлива марки Л-0,5-62 на мощностные показатели двигателя

4.2 Влияние качества дизельного топлива марки З-0,2-35 на мощностные показатели двигателя

5. Конструкторская разработка прибора для проверки герметичности топливной системы

5.1 Обоснование целесообразности разработки прибора для проверки герметичности топливной системы низкого давления

5.2 Описание конструкции и принцип действия прибора для проверки герметичности топливной системы

5.3 Прочностные расчеты

6. Охрана труда

6.1 Общее положение по охране труда

6.2 Инструкции по технике безопасности при работе с прибором для проверки герметичности топливопровода низкого давления дизельного двигателя

6.3 Пожарная безопасность

7. Охрана окружающей среды

7.1 Воздействие отработавших газов на окружающую среду

7.2 Мероприятия по снижению вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду

8. Экономическая эффективность конструкторской разработки

8.1 Затраты на изготовление прибора для проверки герметичности топливной магистрали низкого давления

8.2 Годовой экономический эффект от применения прибора для проверки герметичности топливной магистрали низкого давления

8.3 Экономическая эффективность основных показателей исследовательской работы

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В соответствии с аграрной политикой нашего государства в сельскохозяйственное производство поставляется высокопроизводительная техника. Практически все мощноскоростные тракторы, самоходные уборочные машины и автомобили оснащают дизельными двигателями.

Долговечность, надежность и экономичность работы сельскохозяйственных машин во многом зависит от правильной работы топливоподающей аппаратуры автотракторных дизелей. Дизельная топливная аппаратура должна обеспечить равномерную по цилиндрам двигателя подачу топлива, величина которой зависит от загрузки двигателя. Топливо поступает в цилиндр двигателя в строго определенное время и под необходимым давлением.

Промышленность выпускает в настоящее время несколько типов топливоподающей аппаратуры. Широко применяются рядные топливные насосы, разновидностью которых являются малогабаритные унифицированные насосы распределительного типа для двух-, четырехцилиндровых дизельных двигателей, а так же многорядные насосы для двух-, четырех-, шести-, восьмицилиндровых дизельных двигателей. Одноплунжерные насосы распределительного типа по габаритам и весомым показателям значительно лучше рядных.

Практика показывает, что далеко не все предприятия и ТОО расходуют топливо и смазочные материалы в соответствии с технически обоснованными нормами. Основной причиной является технически неграмотная эксплуатация топливоподающей аппаратуры. Эксплуатационники часто не знают назначение отдельных элементов топливной аппаратуры, изменение их параметров в работе и влияние их на показатели работы дизелей. Подбор деталей в комплект и регулировку аппаратуры часто проводят не квалифицированно, в результате чего расход топлива на единицу работы возрастает на 15-30%.

Составной частью дизельной топливной аппаратуры являются прецизионные детали, которые отличаются высокой точностью изготовления. Зазоры в прецизионных парах очень малы (от 0,006 до 0,0006 мм), поэтому дизельное топливо должно очень тщательно очищаться от воды и механических примесей.

С целью повышения безотказности и более эффективного использования дизелей, снижения затрат труда и средств на техническое обслуживание и ремонт предъявляются высокие требования к качеству и своевременности диагностирования технического состояния, а так же проведения регулировок топливной аппаратуры.

1. Топливо и химические реакции при его сгорании

1.1 Общие сведения о смесеобразовании топливовоздушной смеси

В двигателях внутреннего сгорания тепловая энергия, необходимая для совершения механической работы, получается в результате химических реакций между вводимым в цилиндр топливом и кислородом воздуха. Время, в течение которого протекают эти реакции в современных быстроходных двигателях, весьма ограниченно и составляет сотые и даже тысячные доли секунды. Длительность процесса подготовки смеси топлива с воздухом к химической реакции зависит от типа смесеобразования и тактности двигателя.

Способы образования топливовоздушной смеси, и протекание химических реакций обуславливают ряд требований, предъявляемых к топливам, применяемых в двигателях внутреннего сгорания. В двигателях с внутренним смесеобразованием (дизели) топливо подается непосредственно в цилиндр. Начало подачи топлива происходит в конце такта сжатия и незначительно опережает момент воспламенения, а часть топлива вводиться в процессе сгорания. В этих условиях нужно обеспечить хорошее распыливание топлива, при котором образующиеся мельчайшие капли смешиваются с находящимся в цилиндре воздухом.

Необходимо, чтобы период процесса сгорания топлива в цилиндре был небольшим.

Кроме указанных основных требований необходимо, чтобы применяемое топливо:

1 Обеспечивало быстрый и надежный запуск двигателя независимо от температуры окружающей среды;

2 Позволяло осуществить процесс сгорания без образования нагара и кокса на поверхностях камеры сгорания;

3 Способствовало уменьшению износов и коррозии зеркала цилиндра, поршневых колец и поршня;

4 Обеспечивало условия полного и своевременного сгорания и снижения количества токсических составляющих в продуктах сгорания.

Смесеобразование в дизелях осуществляется в конце такта сжатия и начале такта расширения. Процесс занимает короткий промежуток времени, соответствующий 20-60° поворота коленчатого вала. Процесс смесеобразования в дизеле имеет следующие особенности:

Смесеобразование протекает внутри цилиндра и в основном осуществляется в процессе впрыскивания топлива;

По сравнению с карбюраторным двигателем продолжительность смесеобразования в несколько раз меньше;

Горючая смесь, приготовленная в условиях ограниченного времени, характеризуется большой неоднородностью, т.е. неравномерным распределением топлива по объему камеры сгорания.

Смесеобразование, начинающееся с момента поступления топлива в цилиндр, состоит из процессов распыления топлива на мельчайшие частицы, заполнения распыленными частицами пространства камеры сгорания, испарения частиц и смешивания образующихся паров с воздухом.

В современных автомобильных и тракторных двигателях находит применение объемное, объемно-пленочное, пленочное, вихрекамерное и предкамерное смесеобразование.

1.2 Структура и состав дизельного топлива

В двигателях внутреннего сгорания применяют жидкие и газообразные топлива. Главным источником для получения жидкого топлива является природная нефть. В результате ее прямой перегонки и специальной вторичной переработки получают бензин, лигроин, дизельное топливо и т.д. Жидкое топливо состоит в основном из смеси углеводородов, которые отличаются по групповому составу, определяющему содержание в нем отдельных элементов. Групповой состав характеризует содержание в топливе углеводородов различных гомологических рядов. Он определяет основные физико-химические свойства топлива и влияет на процессы испарения, воспламенения и горения топлива.

Основным составляющим нефти являются углеводороды: парафины (алканы) вида СпН2п+2, нафтены (цикланы) вида СпН2п и ароматические углеводороды вида СпН2п б и СпН2п 12. В среднем в нефти содержится 84-85% углерода и 12-14% водорода, остальное составляют азот, кислород и сера. Углеводороды, входящие в состав жидких топлив, имеют в одной молекуле 5-30 атомов углерода (в бензине 5-12, в керосине и дизельном топливе - до 30). В дизельном топливе более ценными компонентами являются Н-алканы, обладающие более низкой температурой самовоспламенения, которая, кроме того, снижается с укрупнением молекулы. Поэтому в качестве дизельного топлива применяют более тяжелые фракции нефти.

1.3 Сведения о свойствах дизельного топлива

Дизельное топливо предназначено для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением рабочей смеси от сжатия (дизелей). Представляет смесь углеводородов керосиновой, газойлевой и соляровой фракций, получаемых в результате перегонки нефти, с температурой кипения 180-360°С и плотностью 0,79-0,86 г/см³.

Качество дизельного топлива.

Важнейшими эксплуатационными показателями качества дизельных топлив являются воспламеняемость, фракционный состав, температуры помутнения и застывания, коксуемость и т.п.

Воспламеняемость. Воспламеняемость - важнейшее свойство дизельного топлива. Определяется периодом задержки самовоспламенения (ПЗС), который складывается из времени, затрачиваемого на распад топливной струи на капли, частичное их испарение и смешение паров топлива с воздухом (физическая составляющая), и времени, необходимого для завершения химических реакций и формирования очагов самовоспламенения (химическая составляющая).

Температура самовоспламенения - наименьшая температура, при которой топливо самовоспламеняется без открытого источника огня. Чем ниже температура самовоспламенения дизельного топлива, тем меньше период задержки воспламенения (ПЗВ), тем равномернее процесс сгорания и мягче работа двигателя. Процессу самовоспламенения горючей смеси в дизеле предшествует интервал времени - период задержки воспламенения, который продолжается от начала подачи топлива в камеру сгорания (КС) до момента его воспламенения. За время ПЗВ происходит целый ряд физико-химических процессов: распыление топлива, перемешивание его с воздухом, нагревание до температуры сжатого воздуха и испарение. Одновременно с этими процессами протекают сложные химические реакции многостадийного окисления углеводородов. В горючей смеси образуются неустойчивые кислородосодержащие соединения, альдегиды и т.п., которые затем распадаются. Распад сопровождается выделением части (10-15%) тепла и слабым холодным голубым свечением. В результате предпламенных реакций выделяется теплота, повышается температура горючей смеси, увеличивается скорость химических реакций, холоднопламенный процесс переходит в горючепламенный, происходят самовоспламенение и горение топлива. Дизельное топливо состоит в основном из парафиновых (П), нафтеновых (Н) и ароматических (А) углеводородов. Наиболее склонны к окислению и самовоспламенению парафиновые углеводороды. Наиболее устойчивые к окислению ароматические углеводороды.

Если ПЗВ слишком велик, то смесь воспламеняется с опозданием, при этом в цилиндре дизеля накапливается и воспламеняется большая порция топлива.

Это вызывает резкое нарастание давления, возникают стуки, т.е. дизель работает "жестко", увеличиваются износ деталей, прорыв газов в картер двигателя, расход топлива и др. На рисунке 1.1 приведена развернутая диаграмма дизельного двигателя.

Рисунок 1.1. Развернутая диаграмма дизельного двигателя.

1,2 - период задержки воспламенения; 2, 3 - фаза быстрого горения; 3, 4 - фаза медленного горения; 4 и далее - догорание на линии расширения. O - угол опережения впрыска.

Оценкой самовоспламеняемости топлива в дизеле является цетановое число (ЦЧ), зависящее главным образом от химического состава топлива. Значение ЦЧ дизельного топлива равно содержанию цетана (в процентах от объема) в смеси с альфаметилнафталином, эквивалентной по воспламеняемости испытуемому топливу. Моторный метод определения ЦЧ дизельного топлива по методу совпадения вспышек проводится на специальной дизельной одноцилиндровой установке ИТ9-3 или ИТ9-ЗМ с переменной степенью сжатия при стандартных условиях (ГОСТ 3122-67). Испытание заключается в сравнении самовоспламеняемости испытуемого дизельного топлива и эталонного. Подбирают смесь соответствующего состава до тех пор, пока воспламеняемость испытуемого топлива совпадет с известной для эталонного.

Фракционный состав. Фракционный состав наряду с цетановым числом является одним из наиболее важных показателей качества дизельного топлива. Он оказывает влияние на расход топлива, дымность выпуска, легкость пуска двигателя, износ трущихся деталей, нагарообразование и закоксовывание форсунок, пригорание поршневых колец. Влияние фракционного состава топлива на рабочий процесс дизеля во многом зависит от типа смесеобразования в двигателе. Чем выше давление, температура и интенсивность вихревого движения заряда в камере сгорания двигателя, тем меньше сказывается влияние фракционного состава топлива на процесс сгорания. Для быстроходных дизелей требуется топливо более легкого фракционного состава, чем для тихоходных. О фракционном составе дизельного топлива судят по результатам перегонки топлива, осуществляемой в лабораторных условиях на стандартной аппаратуре. Наиболее важными точками фракционного состава являются значения температуры выкипания 10, 50, 90 и 96% топлива. Температура выкипания 10% топлива характеризует наличие легких фракций топлива, которые определяют его пусковые свойства. За температуру начала кипения (t H.K) принимают температуру пара, при которой в холодильник стандартного прибора падает первая капля конденсата. Для нормального запуска холодного двигателя необходимо, чтобы температура выкипания 10% топлива была не выше 140-160°С. Температура выкипания 50% топлива (средняя испаряемость) характеризует рабочие фракции топлива, которые обеспечивают прогрев, приемистость и устойчивость работы двигателя, а также плавность перехода с одного режима на другой. Для обеспечения нормальной работы двигателя эта точка должна лежать в пределах 250-280°С. Полнота испарения топлива в двигателе характеризуется температурой выкипания 90% и 96% топлива. При слишком высоких значениях этих температур хвостовые фракции не успевают испаряться, они остаются в жидкой фазе в виде капель и пленки, которые, стекая по стенкам цилиндра, приводят к повышенному нагарообразованию, разжижению масла и форсированному износу. Температура выкипания 90% для летних топлив обычно находится в пределах 320-340°С, а 96% - в пределах 340-360°С.

Температуры помутнения и застывания. Важными эксплуатационными характеристиками дизельного топлива также являются его низкотемпературные свойства, характеризующие подвижность топлива при отрицательной температуре. В дизельном топливе содержатся растворенные парафиновые углеводороды, которые при понижении температуры кристаллизуются. Низкотемпературные свойства оцениваются по значениям температуры помутнения и застывания.

Температура помутнения - это температура, при которой меняется фазовый состав топлива, так как наряду с жидкой фазой появляется твердая. При этой температуре топливо в условиях испытания начинает мутнеть. При помутнении дизельное топливо не теряет текучести. Размеры кристаллов таковы, что они проходят через элементы фильтров тонкой очистки, образуя на них тонкую парафинистую пленку. Нарушение подачи топлива из-за его помутнения возможно при пуске и прогреве дизеля. Для обеспечения нормальной эксплуатации двигателя необходимо, чтобы температура помутнения дизельного топлива была ниже температуры окружающего воздуха.

Температура застывания - это температура, при которой топливо полностью теряет подвижность. Температура застывания ниже температуры помутнения на 5-10°С. При понижении температуры растущие кристаллы парафиновых углеводородов образуют пространственную решетку, внутри ячеек, которой находятся жидкие углеводороды топлива. При температуре застывания топлива кристаллическая структура настолько упрочняется, что топливо теряет текучесть и приобретает студнеобразный вид. Для обеспечения нормальной работы дизельного двигателя необходимо, чтобы температура застывания топлива была на 8-12°С ниже температуры окружающего воздуха.

Вязкость. Определяют процессы испарения и смесеобразования в дизеле, так как от них зависит форма и строение топливного факела, размеры образующихся капель, дальность проникновения капель топлива в камеру сгорания. Более низкая плотность и вязкость обеспечивают лучшее распиливание топлива; с повышением указанных показателей качества увеличивается диаметр капель и уменьшается полное их сгорание, в результате увеличивается удельный расход топлива, растет дымность отработавших газов. Вязкость топлива влияет на наполнение насоса и на утечку топлива через зазоры плунжерных пар. С увеличением вязкости топлива возрастает сопротивление топливной системы, уменьшается наполнение насоса, что может привести к перебоям в его работе. В таблице 1.1 приведена зависимость подачи топлива насосом от температуры топлива

Таблица 1.1

Зависимость подачи топлива насосом от температуры топлива

Температура топлива, °С	+10	-30	-40	-50
Подача насоса, кг/ч	850	830	810	300

Ниже приведена зависимость вязкости дизельных топлив от температуры:

Рисунок 1.2 Зависимость вязкости дизельных топлив от температуры: 1 - летнее 2 - смешанное, 3 - зимнее, 4 - арктическое

При уменьшении вязкости количество дизельного топлива, просачивающегося между плунжером и втулкой, возрастает, в результате снижается подача насоса. Перевод двигателя на топливо с меньшей плотностью и вязкостью может привести к прогару головок поршня, в связи, с чем требуется регулировка топливной аппаратуры. Коксуемость топлива

Одно из важных эксплуатационных свойств дизельного топлива характеризуется чистотой двигателя и топливоподающей аппаратуры. При сгорании топлива в двигателе образуются нагар на стенках камеры сгорания и впускных клапанах, а также отложения на распылителях и иглах распылителей форсунок. На стенках камеры сгорания, днищах поршней и выпускных клапанах нагар твердый, темного цвета, а на распылителях и иглах распылителей форсунок он мягкий, смолистый, желтоватого цвета, иногда в виде лаковой светло-коричневой пленки. Отложение нагара на стенках камеры сгорания ухудшает отвод теплоты в систему охлаждения двигателя, а на выпускных клапанах приводит к их закоксовыванию и, следовательно, неправильной посадке тарелки клапана на седло. В результате такой неисправности раскаленные газы утекают, и посадочные поверхности клапана и седла обгорают; в отдельных случаях возможно зависание клапана. Нагарообразование в двигателе зависит от следующих показателей применяемого дизельного топлива: коксуемости, содержания фактических смол и серы, фракционного состава, количества непредельных и ароматических углеводородов и зольности.

Коксуемость - это свойство топлива при нагревании без доступа воздуха образовывать углистый осадок - кокс. Коксуемость определяют для 10%-ного остатка после предварительной перегонки дизельного топлива. Коксуемость 10%-ного остатка топлива зависит от его фракционного состава и содержания смолисто-асфальтовых соединений и для дизельного топлива должна быть не более 0,3%. Повышение значения этого показателя вызывает увеличение нагара в двигателе.

1.4 Нормативы качества дизельных топлив и тенденции их изменения

Топлива для дизельных двигателей автомобилей вырабатываются в основном по ГОСТ 305-82 в виде трех марок: "Л" - летнее, применяемое при температуре воздуха выше 0°С; "З" - зимнее, двух видов: для применения до -20°С и для применения до -30°С; "А" - арктическое, применяемое до -50°С. Топлива характеризуются следующими основными показателями: цетановое число - не менее 45, содержание серы - не менее 0,50 или 0,20% для разных видов, температура застывания от "не менее минус 55" для арктического до "не менее минус 10" для летнего, плотность от "не более 0,830 г/смЗ" для арктического до "не более 0,860 г/см3" для летнего топлив, содержание полиароматических соединений и смазывающая способность топлив - не нормируются. В значительно меньших количествах выпускаются дизельные топлива по различным ТУ. Зимние дизельные топлива с депрессорными присадками (ДЗП) по ТУ 38.101889 получают на базе летнего топлива добавлением незначительного количества присадок. Данное топливо рекомендуется к применению при температуре воздуха не ниже -15°С. Обладает недостатком: склонно при охлаждении топлива ниже определенной температуры или при длительном его хранении к осаждению парафинов на дно емкости, что затрудняет его дальнейшее использование. По остальным характеристикам подобно летнему топливу по ГОСТ 305-82. Экологически чистое дизельное топливо по ТУ 38.1011348-2003. По данным ТУ выпускают топлива летнее марки ДЛЭЧ, зимнее марки ДЗЭЧ и арктическое марки ДАЭЧ. В сравнении с ГОСТ 305 характеризуются установлением 5 видов с более низким содержанием серы: от "не более 0,10 массовых %" до "не более 0,001 массовых %". По содержанию серы экологически чистые топлива полностью соответствуют требованиям как действующего, так и будущего европейского стандарта по содержанию серы в дизельных топливах. Городское дизельное топливо (ТУ 38.401 58-170-96). Основное отличие от экологически чистого дизтоплива - улучшенное качество благодаря использованию присадок (летом антидымной, зимой - антидымной и депрессорной), которые снижают дымность и токсичность отработавших газов на 30-50%.

Европейские требования к качеству дизельных топлив более жесткие. Так требования EN-590 1993 года отличаются от требований ГОСТ 305-82 более высокими требованиями к цетановому числу "не менее 49". Общемировая тенденция изменения требований к качеству дизельных топлив следующая: увеличение цетанового числа, уменьшение плотности и содержания серы, нормирование полиароматических соединений. С 2000 года в Европе действуют нормы Евро-3, устанавливающие требования по цетановому числу "не менее 51", по сере "не более 0,035 массовых %", плотности "не более 0,845 г/см³" при нормировании содержания полиароматических соединений "не более 11% объёма". Эти требования реализованы и в российских ТУ 38.40158296. В 2004-5 гг. в Европе вводятся требования Евро-4, дополнительно снижающие норматив по содержанию серы до "не более 0,005 массового %".

Значительно различаются по свойствам и качеству отечественные дизельные топлива. В частности, по массовому содержанию серы - по ГОСТ 305-82 вырабатываются два вида: с 0,5% серы и около 90% с 0,2% серы для автомобильной техники не выше Евро-1. Остальное по ряду ТУ с содержанием серы 500 и 350 мг/кг для дизельных автомобилей Евро-2 и Евро-3. В перспективе должны вырабатываться дизтоплива по новому ГОСТ Р 52368-2005 с содержанием серы 350, 50 и 10 мг/кг - для автомобилей, соответственно, отвечающих требованиям Евро-3, Евро-4 и Евро-5.

С таким широким диапазоном ассортимента и показателей топлива для автомобильной техники на мировом рынке уже не сталкиваются в США, Японии, странах ЕС и в ряде других развитых стран мира, которые за последние десять лет практически полностью перешли на выпуск бензиновых и дизельных автомобилей нового поколения с применением регулируемых систем нейтрализации отработавших газов, систем электронного управления двигателем и его топливной аппаратурой с бортовой компьютерной диагностикой.

Поэтому, на предстоящий период обновления и обеспечения топливами смешанного отечественного автопарка, следует обратить внимание на ряд следующих проблем.

Сложной проблемой на сегодня остается обеспечение автопарка топливами требуемых свойств и качества, где одновременно находятся в эксплуатации более половины автопарка автомобилей устаревших моделей не выше Евро-1 и растущий парк новых моделей Евро-2, Евро-3, как отечественного, так и зарубежного производства. Так, далеко не простыми являются вопросы адаптации поступающих в оборот топлив, отвечающих требованиям Евро-2, с улучшенными экологическими свойствами по содержанию серы и цетановому числу для дизельных топлив, к их применению в отечественном парке на автомобилях устаревших конструкций, не отвечающих современным экологическим требованиям.

Например, для подавляющего большинства отечественных дизелей, в том числе новых уровня Евро-2 с механической системой регулирования, рабочий процесс, конструкция и выпуск которых рассчитаны для топлива по ГОСТ 305-82 с цетановым числом 45 единиц и содержанием серы 0,2-0,5%, применение в эксплуатации топлив с ЦЧ выше 50 единиц может приводить к изменению рабочего процесса и, как следствие, к снижению мощности и экономичности, повышению дымности, т.е. под новые топлива уровня Евро-3 и выше требуется радикальная модернизация как дизельных двигателей, так и топливной аппаратуры с использованием систем электронного регулирования, что широко осуществляется сегодня зарубежными производителями техники.

1.5 Химические реакции при сгорании топлива

В процессе сгорания в двигателях внутреннего сгорания образуется два вида вредных веществ: продукты частичного разложения и неполного сгорания и окислы азота.

В дизелях окись углерода, образовавшаяся при горении в зонах с богатой смесью, успевает догореть в процессе расширения, поскольку в цилиндрах дизеля всегда есть в избытке воздух, и концентрация СО в выпускных газах дизелей невысока - не более 0,2-0,3%.

Образование окиси углерода и сажи происходит в основном из-за плохого распыления топлива, вытекающего из форсунки в цилиндр после посадки иглы форсунки. Углеводороды образуются также у границы топливного факела в зонах с очень бедной смесью, где концентрация топлива выходит за нижний концентрационный предел. Концентрация углеводородов в выпускных газах дизелей невелика, и для обычных условий эксплуатации ее не нормируют.

Сажа образуется в результате пиролиза топлива при высокой температуре и давлении в среде с недостатком кислорода. Подобные условия наблюдаются в ядре топливного факела вблизи форсунки при впрыске последних порций топлива. Одновременно с сажей образуются окись углерода и углеводороды. Сажа представляет собой твердые сферические частицы с начальным диаметром около 0,45 мкм. Частицы образуют соединения размером несколько мирон.

Азот - химически инертный газ при атмосферных условиях, с кислородом реагирует при высоких температурах и давлении, образуя окись азота NO и небольшое количество двуокиси NO2. окисление азота начинается при температурах выше 1500 К, а при 2300 К и более реакция протекает достаточно быстро (время реакции равно 10""- 10" с). Основные вещества, являющиеся продуктами неполного сгорания топлива -- окись углерода, сажа, углеводороды и альдегиды. Окись углерода является основным промежуточным продуктом сложного многостадийного процесса горения углеводородных топлив. По предложению Н. Н. Семенова принят цепной механизм образования окиси азота с двумя основными реакциями, в которых активную роль играют атомы азота и кислорода, образующие при диссоциации молекул азота и кислорода.

О + N2 - NO + N.

N + 02 - NO + О.

Скорость цепных реакций в целом определяет первая, эндотермическая, реакция, требующая значительной энергии (316,1 кДж / кмоль). Концентрация окиси азота остается на уровне равновесной концентрации при температуре 23000К (а > 1). При работе двигателя на богатой смеси (а < 1) не большое количество окиси азота (NO) распадается на исходные продукты: азот (N2) и кислород (02).

Таблица 1.2

Концентрация веществ в выпускных газах ДВС

Тип двигателя	СН, млн -1	СО, %	NOx. млн -1	Сажа, г/м3
Дизели с неразделенными камерами сгорания	50-1000	0,05-0,3	200-2000	0,1-0,3
Дизели с разделенными камерами сгорания	50-300	0,03-0.05	200-1000	0.1-0,15

1.6 Описание производственных услуг

Легковой автомобиль для обеспечения работоспособности с момента его выпуска, до окончания срока службы, на станциях технического обслуживания сможет быть подвержен следующим техническим воздействиям:

1. диагностические работы;

2. ТО в полном объеме;

3. капитальный ремонт узлов и агрегатов;

4. текущий ремонт узлов;

5. шиномонтажные работы;

6. моечные работы;

7. ремонт электрооборудования;

8. ремонт топливных систем;

9. продажа запасных частей;

10. проведение смазочных работ;

11. регулировочные по установке углов передних колес;

12. по приборам системы питания;

13. слесарно-механические.

Распределение объема работы, %.

Диагностические - 5%, ТО в полном объеме - 25%, текущий ремонт узлов и агрегатов - 55%, капитальный ремонт узлов и агрегатов - 10%, шиномонтажные работы - 3%, моечные - 2%, итого- 100%.

Станцию планируется оснастить следующим оборудованием:

1 зона ЕО - установка для мойки автомобиля, установка для мойки двигателей.

2 зона ТО - подъемник электромеханический. Оборудование для раздачи масла для двигателей, контрольно-диагностические и измерительные приборы, гайковерты, оборудование для раздачи трансмиссионных масел, соледолонагнетатель, гайковерт для гаек колес.

3 зона ТР - подъемник электромеханический, смазочно-заправочное оборудование, гайковерт для гаек колес.

4 зона Д - стенд для проверки тормозов, тягово-экономических качеств двигателя, электрооборудовании, углов установки колес, переносные диагностические приборы.

Данное оборудование позволит качественно и в короткие сроки провести техническое обслуживание легковых автомобилей, принадлежащих как населению района, так и проезжим владельцам, которым необходима экстренная помощь.

1.7 Технические характеристики двигателя ЗМЗ 5143

Двигатель ЗМЗ 514 дизельный - является базовым вариантом семейства двигателей ЗМЗ предназначенного для установки на автомобили повышенной проходимости семейства УАЗ. Дизельный двигатель ЗМЗ 514 устанавливается на автомобиль УАЗ Хантер. Унифицирован по основным габаритам и присоединительным характеристикам с семейством бензиновых двигателей ЗМЗ-406.10.

Дизельный двигатель ЗМЗ 5143 имеет четырёх клапанную конструкцию газораспределительного механизма с рычажным приводом клапанов, двумя распределительными валами и гидроопорами в головке цилиндров, привод распределительных валов цепной с натяжными звёздочками, рабочий процесс с объёмным смесеобразованием, турбо-наддувом и системой рециркуляции отработавших газов.

Чугунный со вставными гильзами блок цилиндров, кованный из легированной стали коленчатый вал, цепной привод газораспределительного механизма и масляного насоса, отдельный привод ТНВД с зубчатым ремнём, обеспечивают надёжность. Долговечность и стабильность параметров двигателя.

Рисунок 1.3 Дизельный двигатель ЗМЗ 5143

Таблица 1.3

Технические характеристики двигатель ЗМЗ-5143

Показатель
Количество цилиндров	4
Рабочий объем, л	2,235
Степень сжатия	19,5
Максимальная мощность (брутто) при частоте вращения коленчатого вала-1, кВт (л.с.)	72 (98) 4000
Максимальный крутящий момент (брутто) по частоте вращения коленчатого вала. Нм (кгсм)	216 (22) 2100
Минимальный удельный расход топлива г/кВт (г/лсч)	231 (170)
Диаметр цилиндра и ход поршня, мм	87Ч94
Масса, кг.	225
Тип двигателя	Дизель
Экология	Правила ЕЭК ООН (ЕВРО 2)

В двигателе ЗМЗ-5143.10 применены:

4-клапанная конструкция газораспределительного механизма с двумя винтовыми впускными каналами на один цилиндр;

центральное расположение форсунки и камеры сгорания в охлаждаемом поршне;

стальная прокладка головки цилиндров;

кованный, из легированной стали, азотированный коленчатый вал;

антифрикционные, износостойкие покрытия рабочих поверхностей клапанов, поршней и поршневых колец.

Сцепление: тип диафрагменное, номинальное.

Электрооборудование: привод гидравлический, напряжение 12V

Двигатель ЗМЗ 5143.10 предназначен для установки на легковые автомобили среднего класса, легкие грузовики, микроавтобусы, внедорожники с общей массой до 3,5 тонн

Дизельный, быстроходный, 4-цилиндровый двигатель с топливной аппаратурой типа VE c механическим регулятором, с регулируемой системой турбонаддува и системой рециркуляции отработанных газов.

Блок цилиндров двигателя ЗМЗ 514 отлит из специального высокопрочного чугуна, что придаёт конструкции двигателя жёсткость и прочность. Протоки для охлаждающей жидкости, образующие рубашку охлаждения. Выполнены по всей высоте блока, это улучшает охлаждение поршней и уменьшает деформацию блока от перегрева. Рубашка охлаждения открыта в верхней части в сторону головки блока. В картере блока цилиндров ЗМЗ 514 установлены форсунки, предназначенные для охлаждения поршней маслом.

Головка блока цилиндров отлита из алюминиевого сплава. В ней установлены впускные и выпускные клапаны. На каждый цилиндр приходится по четыре клапана: два впускных и два выпускных. Впускные клапаны расположены с правой стороны головки, а выпускные - с левой. В головке блока цилиндров имеются посадочные места под форсунки и свечи накаливания.

Распределительный вал изготовлены из низкоуглеродистой легированной стали. Кулачки распределительных валов разнопрофильные, расположены несимметрично относительно своих осей. На задние торцы валов нанесена маркировка клеймением: на впускном валу - "ВП" выпускном валу - "ВЫП". В двигателе у каждого вала пять опорных. Расположенных в головке блока цилиндров и закрытых крышками, расточенными за одно целое с головкой, поэтому крышки опор распределительных валов невзаимозаменяемы. У каждого вала опять опорных шеек. Валы вращаются в опорных, расположенных в головке блока цилиндров и закрытых крышками, расточенное за одно целое с головкой, поэтому крышки опор распределительных валов невзоимозаменяемы.

От осевых перемещений распределительные валы удерживаются упорными полушайбами, установленными в выточки крышек передних опор и входящими выступающими частями в проточки на первых опорных шейках распределительных валов.

Поршни отлиты из алюминиевого сплава. На днище поршня отлита маркировка размерной группы диаметра юбки поршня (буквы "A", "B", "Y") и нанесена стрелка, необходимая для правильной ориентации поршня при установке в двигатель (стрелка должна быть направлена в сторону переднего торца блока цилиндров). Внизу юбки поршня выполнена выемка, которая обеспечивает расхождение поршня с форсункой охлаждения. В головке поршня выполнены три канавки: в двух верхних установлены компрессионные кольца, в нижней - маслосъемное. Канавка под верхнее компрессионное кольцо изготовлена в упрочняющей вставке из нирезистового чугуна. На каждом поршне установлены три кольца: два компрессионных и одно маслосъемное. Компрессионные кольца отлиты из чугуна. Ось отверстия для поршневого пальца смещена на 0,5 мм в правую сторону (по направлению движения автомобиля) от средней плоскости поршня.

Коленчатый вал отлит из высокопрочного чугуна. Вал имеет восемь противовесов. От осевого перемещения его удерживают упорные полушайбы, установленные на средней шейке. К заднему концу коленчатого вала прикреплён маховик. В отверстие маховика вставлены распорная втулка и подшипник носка первичного вала коробки передач.

2. Особенности конструкции

2.1 Конструкция основных элементов системы питания дизельного двигателя

Форма камеры сгорания сильно влияет на качество процесса смесеобразования, а значит и на мощность и шумность работы двигателя. Камеры сгорания дизельных двигателей разделяются на два основных типа: неразделенные и разделенные. Соответственно, моторы с камерами первого типа называются дизелями с непосредственным впрыском, а второго - с предварительным. На рисунке 2.1 представлены схемы впрыска топлива.

Рисунок 2.1 Схемы впрыска топлива дизельных двигателей

До недавнего времени непосредственный впрыск использовался на тихоходных дизелях большого объема. Хотя такие двигатели экономичнее (до 20%) моторов с разделенными камерами сгорания, их применение на небольших дизелях сдерживалось трудностями организации процесса сгорания, а также повышенными шумом и вибрацией, особенно в режиме разгона.

Сейчас благодаря повсеместному внедрению электронного управления процессом дозирования топлива удалось оптимизировать процесс сгорания топливной смеси в дизеле с неразделенной камерой сгорания и снизить шумность до уровня современных требований к двигателю легкового автомобиля. В наше время уже невозможно представить себе сходящий с конвейера внедорожник с дизелем без непосредственного впрыска. При непосредственном впрыске топливо сразу поступает в камеру сгорания, расположенную в днище поршня. При этом предъявляются высокие требования к подаче топлива и воздуха. Топливо должно равномерно распределяться по объему камеры сгорания и интенсивно перемешиваться с воздухом. Для этого используют форсунки с многоструйным распылителем, а давление открытия в зависимости от системы впрыска достигает 1700 бар. Несколько лет назад на рынке легкового машиностроения доминировали дизели с разделенными камерами сгорания. Впрыск топлива в этом случае осуществляется не в надпоршневое пространство, а в специальную камеру сгорания, выполненную в головке блока цилиндров. При этом различают два процесса смесеобразования: предкамерный (его еще называют форкамерным) и вихрекамерный.

При форкамерном процессе топливо впрыскивается в специальную предварительную камеру, ударяется об ее стенки и перемешивается с воздухом. Воспламенившись, смесь поступает по специальным каналам в основную камеру сгорания, где и сгорает полностью.

Во время вихрекамерного процесса сгорание также начинается в специальной отдельной камере, только выполненной в виде полого шара. В период такта сжатия воздух по соединительному каналу поступает в предкамеру и интенсивно закручивается (образует вихрь) в ней. Впрыснутое в определенный момент топливо хорошо перемешивается с воздухом.

Таким образом, при разделенной камере сгорания происходит как бы двухступенчатое сгорание топлива. Это снижает нагрузку на поршневую группу, а также делает звук работы двигателя более мягким. Но, как мы уже упоминали, экономичность такого дизеля хуже, чем у мотора с непосредственным впрыском. Поэтому последние все чаще занимают достойное место под капотом легковых автомобилей и внедорожников, хотя предкамерные дизели все еще выпускаются. Новые же дизельные двигатели разрабатываются только с непосредственным впрыском.

Важнейшим звеном дизельного двигателя является система топливоподачи, обеспечивающая поступление необходимого количества топлива в нужный момент времени и с заданным давлением в камеру сгорания. Главными ее составляющими являются топливный насос высокого давления (ТНВД) и форсунки.

ТНВД, как это следует из названия, предназначен для создания требуемого высокого давления топлива и подачи его на всех режимах работы двигателя к форсункам, которые в свою очередь впрыскивают его в камеру сгорания. Форсунки и нагнетающие секции ТНВД являются прецизионными деталями, изготовленными с высокой точностью и имеющими микронные зазоры. Поэтому системе питания дизеля приходится уделять большое внимание в обслуживании и ремонте.

ТНВД. Данные насосы довольно сложны по конструкции, но являются самыми надежными. Состоят они из отдельных секций по числу цилиндров дизеля, каждая из которых имеет гильзу и входящий в нее плунжер, который приводится в движение кулачковым валом, получающим вращение от двигателя. Начало и окончание цикла нагнетания топлива, а соответственно и подачи в цилиндры, управляется рейкой. Секции таких механизмов расположены, как правило, в ряд, отсюда и название - рядные ТНВД. Подобные насосы, несмотря на их надежность, в настоящее время уже практически не устанавливаются на легковые автомобили, хотя их все еще можно встретить на двигателях Mercedes ОМ-606 или Nissan TD-42. К сожалению, даже использование электронного управления рейкой подачи не позволяет этим ветеранам соответствовать современным нормам по токсичности и дымности отработавших газов, предъявляемым к небольшим двигателям. Кроме того, дизели, имеющие рядные ТНВД, не отличаются тихой работой.

Форсунки. Рассмотрев системы создания высокого давления топлива, стоит сказать несколько слов о форсунках. От исправности этого элемента дизельного двигателя во многом зависит качество подготовленной для воспламенения смеси.

Обычно применяются форсунки с распылителями двух основных типов: штифтовым или многодырчатым. Первые используются в дизелях с разделенной камерой сгорания, а вторые - в моторах с непосредственным впрыском. Распылитель форсунки - очень сложный и высоконагруженный элемент. Мало того, что он должен точно впрыскивать топливо, подающееся под давлением до 2000 бар, так он еще и подвергается высокому нагреву в камере сгорания (до 900°С). Поэтому распылитель форсунки изготавливается из жаропрочных сталей с прецизионной точностью.

Турбины. Как уже было сказано выше, экономичность дизеля обусловлена тем, что он может работать на достаточно обедненных смесях. Для сгорания топлива необходим чистый воздух (идеально - кислород), который на фазе впуска поступает в цилиндр двигателя. Чем больше воздуха поместится в камере сгорания, тем больше топлива можно в ней сжечь. При этом выделится больше энергии, которая преобразуется в поступательное движение поршня - мощность на выходном валу двигателя возрастет.

Воздух в цилиндр может попадать либо путем всасывания на впуске у атмосферных дизелей, либо под давлением, создаваемым нагнетателем. Наддув воздуха давно используется на грузовых автомобилях для повышения мощности, так как давление выхлопных газов дизеля в 1,5-2 раза выше, чем у бензинового мотора, что позволяет турбокомпрессору обеспечить наддув с самых низких оборотов. Сейчас и легковой дизель нельзя представить себе без турбины.

Устроен этот непременный атрибут современных дизельных моторов следующим образом. Поток горячих выхлопных газов из двигателя направляется на лопатки турбинной части компрессора, раскручивая их до сотен тысяч оборотов, и проходит дальше в выпускной тракт. Турбинная часть жестко закреплена на валу компрессорной части нагнетателя, которая имеет лопатки обратного направления. Раскручиваясь, они создают давление чистого воздуха во впускном коллекторе, а значит и в камере сгорания. Для того чтобы избыточное давление нагнетаемого в цилиндры воздуха не превышало расчетных величин (порядка 1000-1500 бар), нагнетатели оборудуют специальным клапаном, перепускающим выхлопные газы мимо турбинной части, тем самым, снижая ее обороты. Небольшим недостатком турбокомпрессоров этого типа является провал по мощности. Пока двигатель не наберет 2200-2500 об/мин, достаточных для раскручивания нагнетателя, наддув воздуха в цилиндры происходит не слишком эффективно. Чтобы избежать этого, на современных дизелях устанавливаются нагнетатели с изменяемой геометрией турбины. Ее подвижные направляющие лопатки преобразуют сечение каналов, по которым движутся отработавшие газы, что обеспечивает ускорение турбины при малых оборотах двигателя. Но применение данного нагнетателя стало возможным только после внедрения электронного управления дизельным двигателем. У такого турбокомпрессора, несмотря на его высокую эффективность по сравнению с простым, есть и существенный недостаток. В процессе работы мотора постепенно происходит закоксовывание лопаток турбины изменяемой геометрии, что неизбежно ведет к постепенному выходу механизма из строя.

Рисунок 2.2 Схема турбокомпрессора с изменяемой геометрией турбины:

Компрессорная часть нагнетателя.

Лопатки турбинной части нагнетателя.

3. Лопатки изменяемой геометрии.

Мембранный клапан управления лопатками изменяемой геометрии.

Вакуумная магистраль.

Охладители надувочного воздуха (INTERCOOLER).

Кажется, что охладитель надувочного воздуха существует уже целую вечность и каждый знает, для чего он предназначен. Однако опыт показывает, что многие владельцы дизельных автомобилей всерьез считают, что это радиатор охлаждения турбокомпрессора. Внесем ясность. При нагнетании воздуха в цилиндры двигателя при помощи турбокомпрессора он сжимается и, соответственно, нагревается. Как известно, горячий воздух имеет меньшую плотность, чем холодный. Значит, в камере сгорания его поместится меньше. Кроме того, повышение температуры негативно сказывается на наполнении цилиндров в целом. Установленный после турбокомпрессора радиатор охлаждения надувочного воздуха, который и называется intercooler, позволяет устранить эти негативные эффекты. Масса воздуха для приготовления рабочей смеси увеличивается, за счет чего могут быть достигнуты более высокие мощностные характеристики, а также меньший расход топлива и дымление.

Современный дизельный автомобиль невозможно представить себе без электронного управления всеми системами. Основными задачами электронного управления двигателем являются регулирование подачи топлива и угла впрыска во всем диапазоне нагрузок и частот вращения коленчатого вала, а также управление турбокомпрессором. Электроника дизеля состоит из трех основных блоков: датчики и устройства для сбора информации, микропроцессорный блок для ее обработки и исполнительные механизмы. В общих чертах работает эта тройка следующим образом. Блок управления считывает и оценивает сигналы с датчиков сбора информации (датчик оборотов двигателя, температурный, подъема иглы форсунки и прочее). Исходя из полученных данных, микропроцессор рассчитывает количество топлива для впрыскивания и момент начала впрыска. После этого расчетные величины преобразуются в сигналы для исполнительных механизмов (в основном - электромагнитных клапанов).

В отличие от механических дизелей, в которых от педали "газа" к ТНВД подходит трос, в моторах с электронным управлением педаль акселератора - это всего лишь задающее устройство, показывающее блоку управления степень ее нажатия. Электронная система управления способна к самодиагностике. Микропроцессор постоянно сравнивает уровни сигналов от датчиков с нормативными, заложенными в память, и в случае несоответствия немедленно сигнализирует об этом. Естественно, применение таких систем значительно облегчает поиск неисправностей.

Описание системы питания COMMON RAIL.

Постоянно возрастающие требования к системам впрыска дизельных двигателей привели к появлению системы, опережающей предшественников по большинству показателей и имеющей значительные возможности для дальнейшего развития. Главными ее отличиями от конкурентов являются способность изменения момента впрыска топлива и высокого давления в широком диапазоне, а также применение многоступенчатого впрыска. В результате повышается мощность двигателя при сокращении расхода топлива, падают шум и вибрации силового агрегата.

Принцип действия этой системы следующий. Топливоподкачивающий насос низкого давления (электрический или механический) подает топливо в ТНВД. Последний постоянно нагнетает топливо в магистраль, называемую рампой. Имея значительный объем, рампа является аккумулятором высокого давления. Его величина чутко отслеживается датчиками, передающими сигнал на электронный блок, который управляет работой электромагнитных клапанов, сбрасывающих давление в системе или, наоборот, запирающих ее в зависимости от режима работы двигателя.

По коротким магистралям топливо из рампы поступает к форсункам, которые впрыскивают его в камеру сгорания.



Рисунок 2.3 Схема размещения элементов системы Common Rail на двигателе:

Датчик массового расхода воздуха.

Электронный блок управления двигателем.

ТНВД

Рампа (аккумулятор давления).

Форсунка.

Датчик оборотов двигателя.

Датчик давления масла.

Топливный фильтр,

Датчик положения педали акселератора.

Рисунок 2.4 Принципиальная схема системы Common Rail:

1. ТНВД.

2. Клапан отключения плунжерной секции.

3. Редукционный клапан.

4. Магистраль высокого давления.

5. Рампа (аккумулятор давления).

6. Датчик давления.

7. Клапан ограничения давления.

8. Ограничитель пропускной способности.

9. Форсунка.

10. Электронный блок управления двигателем.

В этой системе наиболее сложным элементом является форсунка с электромагнитным клапаном. Зато постоянно подведенное к форсункам высокое давление дает возможность им многократно приоткрываться перед основным впрыском, делая процесс сгорания оптимальным. Многие крупные автопроизводители считают такую систему топливоподачи наиболее перспективной. Видимо, она будет находить все большее применение. Сейчас ее можно встретить на автомобилях BMW Х5 3.0, Toyota LC Prado с двигателем 1KD, Mercedes G400.

2.2 Оценка системы питания и влияние ее на мощность двигателя

Уменьшение подачи топлива и снижение давления при впрыске -- основные неисправности системы питания дизельного двигателя.

Признаки неисправности следующие: невозможность пуска или затрудненный пуск двигателя, падение мощности, задымление, стуки, неустойчивая работа или "разнос" его (двигатель трудно остановить).

Причинами уменьшения подачи топлива, снижения давления при впрыске и невозможности вследствие этого запустить двигатель могут быть засорение топливопроводов, заборника в топливном баке или фильтрующих элементов топливных фильтров, замерзание воды или загустение топлива в топливопроводах, наличие воздуха в топливной системе, нарушение угла опережения впрыска топлива, неисправности топливных насосов низкого и высокого давления. Уменьшение подачи топлива и снижение давления при впрыске, приводящие к падению мощности, задымлению и стукам двигателя, возникают при засорении системы выпуска газов; неисправности привода рычага регулятора (при полном нажатии на педаль подачи топлива частота вращения коленчатого вала двигателя не увеличивается); наличии воздуха в топливной системе; нарушении угла опережения впрыска топлива (стуки или задымление); попадании воды в топливную систему (дым белого цвета); избытке топлива, подаваемого в цилиндры (дым черного или серого цвета); нарушении регулировки или засорении форсунок; износе плунжерной пары и отверстий распылителя форсунки; загрязнении воздушного фильтра.

Равномерность работы двигателя нарушается при ослаблении крепления или лопнувшей трубке высокого давления, неудовлетворительной работе отдельных форсунок, нарушении равномерности подачи топлива секциями ТНВД, неисправном регуляторе частоты вращения. Двигатель начинает работать "вразнос" при заедании рейки ТНВД, поломке пружины рычага ее привода, при попадании лишнего количества масла в камеру сгорания из-за износа цилиндропоршневой группы.

Нарушение герметичности магистрали низкого давления возникает как, правило, из-за неплотности в соединениях. Если такие неплотности возникнут в магистрали между топливным баком и насосом низкого давления, то подача топлива резко уменьшиться, двигатель работает неустойчиво на малой частоте вращения коленчатого вала и останавливается при увеличении нагрузки. При сборке магистрали добиваются полной герметичности, особенно у соединений с топливным баком, фильтром грубой очистки и насосом низкого давления.