IM. IGNACEGO ŁUKASIEWICZA
Projekt
z silników spalinowych
Temat: Układy zasilania silników spalinowych ZS ─pompowtryskiwacze
Wykonali:
Okoń Tomasz
Mruk Bogumił
IVMDE gr.II
Spis treści. str
1. Geneza pompowtryskiwaczy………………………………………………….…..3
2. Wymagania stawiane układom wtryskowym………………………………….…3
2.1 Wtrysk wstępny…………………………………………………………………..4
3. Spaliny silnika ZS oraz ograniczanie emisji szkodliwych składników …….…....5
3.1 Spaliny silnika wysokoprężnego…………………………………………….…...5
3.2 Tworzenie mieszanki i spalanie………………………………………...….……..5
3.3 Wpływ parametrów konstrukcyjnych silnika…………………………..….……..5
3.4 Recyrkulacja spalin (EGR)…………………………………………..…….……..6
3.5 Wpływ wtrysku paliwa……………………………………………..…….………6
3.6 Wpływ ciśnienia wtrysku………………………………………….…………...…6
3.7 Wpływ przebiegu wtrysku…………………………………………….…………..7
4. Zadania układów wtryskowych z pompowtryskiwaczami UIS…………………...7
5. Rodzaje i typowe przykłady urządzeń wtryskowych z pompowtryskiwaczami .…7
5.1 System BICERA……………………………………………………………….….7
5.2 System CUMMINS………………………………………………….……….……9
5.3 System CUMMINS PT…………………………………………….…………….10
5.4 System GAZ (JAZ)………………………………………………….……………11
5.5 System BOSCH……………………………………………………….………….14
5.5.1 Schemat układu wtryskowego UIS dla samochodów osobowych……..………….14
5.5.2 Schemat układów wtryskowych UIS i UPS dla samochodów użytkowych..15
5.5.3 Budowa układów wtryskowych…………………………………………………16
a) Obwód niskiego ciśnienia……………………………………………………16
b)Obwód wysokiego ciśnienia………………………………………...………..22
5.5.4 Działanie wtrysku zasadniczego………………………………………..………25
5.5.5 Wtrysk wstępny (samochody osobowe)………………………………….….……27
5.5.6 Zawór elektromagnetyczny………………………………………………..………28
6. Literatura…………………………………………………………………….……..30
1.Geneza pompowtryskiwaczy
Od wczesnych lat siedemdziesiątych zaczęto wprowadzać w życie koncepcję zastosowania do samochodów osobowych i dostawczych silników wysokoprężnych z bezpośrednim wtryskiem paliwa (Direct Injection engine DI), charakteryzujących się większą sprawnością i ekonomicznością pracy niż silniki o wtrysku pośrednim (Indirect Injection engine IDI).Wtrysk bezpośredni oprócz zalet, np. mniejszego zużycia paliwa, ma również i wady, np. zwiększenie toksyczności i zadymienia spalin, które mogą być w znacznym stopniu wyeliminowane przez podwyższenie ciśnienia wtrysku.
Konwencjonalne układy wtryskowe z rzędowymi lub rozdzielaczowymi pompami wtryskowymi z trudem spełniają stawiane im coraz ostrzejsze wymagania, a wśród nich dwa przeciwstawne:
─ zapewnienie silnikowi ekonomicznej pracy, a więc sprzyjanie jak najmniejszemu zużyciu paliwa;
─ zmniejszenie do granic możliwości emisji spalin, a szczególnie ich toksyczności.
Rozważając ten problem teoretycznie, małe zużycie paliwa w połączeniu z niewielką emisją toksycznych składników w spalinach można osiągnąć przez skrócenie czasu wtrysku. Wymaga to jednak zwiększenia ciśnienia wtrysku do wartości ponad 100 MPa w odpowiednio zmodernizowanym układzie wtryskowym. Główną przeszkodą przy zwiększaniu ciśnienia wtrysku jest wytrzymałość układu wtryskowego.
Najsłabszym ogniwem układu wtryskowego o zwiększonym ciśnieniu wtrysku jest przewód wtryskowy, w którym podczas wtryskiwania paliwa do komory spalania silnika powstają wahania ciśnienia i spiętrzenia fal, prowadzące do wydłużenia kąta wtryskiwania, a nawet do wystąpienia powtrysków. Wpływa to niekorzystnie na pracę silnika i objawia się w postaci zwiększenia zużycia paliwa i zwiększenia: zadymienia i toksyczności spalin oraz hałaśliwości silnika. Nie mniej ważnym problemem, jest również pękanie przewodów w miejscach połączeń w razie znacznego zwiększenia ciśnienia wtrysku.
Na odstawie tego rodzaju rozważań odżyła, nie nowa już, bo sięgająca lat trzydziestych, koncepcja budowy zespolonego układu tłocząco - wtryskowego, który byłby pozbawiony miejsc łączeniowych: króćca i przewodu i samego przewodu wtryskowego. Takim zespolonym układem jest pompowtryskiwacz.
2. Wymagania stawiane układom wtryskowym
Stale zaostrzane przepisy dotyczące emisji spalin i hałasu oraz pożądane małe zużycie paliwa stawiają coraz większe wymagania dotyczące układu wtryskowego silnika wysokoprężnego. W szczególności, dla dobrego przygotowania mieszanki w zależności od rodzaju wtrysku (pośredni lub bezpośredni) oraz stanu pracy silnika, układ musi wtryskiwać do silnika paliwo pod ciśnieniem od 35 do 205 MPa oraz dozować przy tym dawkę wtryskiwanego paliwa z maksymalnie możliwą dokładnością. Regulacja obciążenia i prędkości obrotowej silnika polega na dozowaniu ilości paliwa bez dławienia zasysanego powietrza. Mechaniczną regulację układów wtryskowych silników wysokoprężnych coraz częściej zastępują elektroniczne układy sterowania (EDC).
Inne wymagania:
─ wtrysk musi nastąpić w ściśle określonej chwili, bowiem nawet niewielkie odchylenia zwiększają znacznie zużycie paliwa, toksyczność spalin oraz głośność;
─ ciśnienie wtrysku powinno być możliwie indywidualnie dostosowane do poszczególnych punktów charakterystyki pracy silnika (np. obciążenie, prędkość obrotowa);
─ wtrysk powinien kończyć się w sposób definitywny, niekontrolowany „dotrysk” zwiększa emisję szkodliwych składników spalin.
Ponadto, w zależności od rodzaju i zastosowania silnika, przebiegowi wtrysku stawia się następujące warunki dodatkowe
─ wtrysk wstępny (1) w celu zmniejszenia hałasu podczas pracy i ograniczenie emisji NOx;
─ narastający przebieg ciśnienia podczas wtrysku zasadniczego (2) zasadniczego celu zmniejszenia emisji NOx;
─ zmienny „łódkowaty” przebieg ciśnienia (4) podczas wtrysku zasadniczego ograniczający emisję NOx i sadzy;
─ trwale wysokie ciśnienie podczas wtrysku zasadniczego (3,7)zasadniczego celu zmniejszenia emisji sadzy przy recyrkulacji spalin;
─ dotrysk bezpośrednio po wtrysku zasadniczym (8) ograniczający emisję sadzy;
─ późny dotrysk (9) jako zabieg utleniający wspomagający katalizator NOx.
1 - wtrysk wstępny, 2 - wtrysk zasadniczy, 3 - stromy wzrost ciśnienia (CR), 4 - zmienny („łódkowaty"; wzrost ciśnienia, 5 - narastający przebieg ciśnienia (wtrysk konwencjonalny), 6 - płaski spadek ciśnienia (pompy wtryskowe rzędowe i rozdzielaczowe), 7 - stromy spadek ciśnienia (UIS, UPS, CR), 8 - wczesny dotrysk, 9 - późny dotrysk, ps - ciśnienie maksymalne, b - czas spalania
2.1 Wtrysk wstępny
Dzięki wtryskowi wstępnemu uzyskuje się łagodne narastanie ciśnienia spalania, lepsze spalanie, mniejsze zużycie paliwa, a także ograniczoną emisję NOx i CH.
W przypadku pracy bez wtrysku wstępnego (rys.3) ciśnienie w cylindrze narasta „płasko” w obszarze przed GMP stosownie do sprężania, po czym od początku spalania następuje bardzo gwałtowny wzrost ciśnienia, który przyczynia się znacznie do głośnej pracy silnika. Wtrysk wstępny, wprowadzający do cylindra niewielką dawkę paliwa (1…4 mm3), przyczynia się do:
─ skrócenia zwłoki zapłonu podczas wtrysku zasadniczego,
─ spłaszczenia wzrostu ciśnienia spalania w silniku (rys.4).
W zależności od chwili rozpoczęcia wtrysku zasadniczego oraz odstępu między wtryskiem wstępnym i wtryskiem zasadniczym zmienia się jednostkowe zużycie paliwa.
3. Spaliny silnika wysokoprężnego oraz ograniczanie emisji szkodliwych składników
3.1 Spaliny silnika wysokoprężnego
Ilość i wzajemne proporcje produktów spalania paliwa w silniku wysokoprężnym zależą od konstrukcji silnika, jego mocy oraz od obciążenia roboczego. Udział szkodliwych składników przy obciążeniu częściowym wynosi np. 0,1% masy spalin. Emisja szkodliwych składników spalin zależy od przebiegu spalania (wynikającego z kształtu komory spalania, ruchu powietrza, nadmiaru powietrza, stopnia sprężania, recyrkulacji powietrza), jak również od układu wtryskowego (ciśnienia wtrysku, przebiegu wtrysku, początku wtrysku). Oprócz produktów zupełnego spalania tj. H2O i CO2 emitowane są składniki szkodliwe, takie jak:
─ tlenek węgla (CO);
─ niespalone węglowodory (CH);
─ tlenki azotu (NOx);
─ cząstki stałe (sadza, siarczki, produkty ścierania, zanieczyszczenia i kropelki wody).
Dwutlenek siarki oraz siarczki powstające z siarki rozpuszczonej w paliwie nie są tak widoczne jak niespalone lub częściowo spalone węglowodory występujące w formie kropelkowej jako biały lub niebieski dym, sadza- czarny dym albo intensywne zapachowo związki aromatyczne oraz aldehydy.
3.2 Tworzenie mieszanki i spalanie
Silniki wysokoprężne w porównaniu z silnikami benzynowymi, pracują na paliwach o wyższej temperaturze wrzenia (ok. 160…3600C), bardziej skłonnymi do zapłonu (liczba cetanowa ok. 50).
W procesie tworzenia mieszanki w silniku wysokoprężnym można wyróżnić dwie fazy:
─ fazę wstępnego mieszania zachodzącą w czasie tzw. Zwłoki zapłonu;
─ fazę dyfuzji, występującą podczas spalania.
Mieszanka paliwowo- powietrzna jest w miarę jednorodna, aby jednak ograniczyć emisję sadzy, CO i CH oraz zmniejszyć zużycie paliwa, należy zapewnić nadmiar powietrza (λ > 1,0). Tworzenie właściwej mieszanki w silniku wysokoprężnym zależy od:
─ liczby strumieni paliwa z rozpylacza dostosowanej do zawirowania powietrza;
─ kierunku strumieni paliwa z rozpylacza dostosowanych do kształtu komory spalania, początku i czasu trwania wtrysku;
─ ciśnienia wtrysku (wielkości i rozkładu kropel paliwa);
─ przebiegu wtrysku (doprowadzenia paliwa w czasie).
Prędkość obrotowa wału korbowego, dawka wtrysku, ciśnienie i temperatura oraz współczynnik nadmiaru powietrza są dla silnika wielkościami zmieniającymi się w czasie jego pracy, z których wynikają:
─ jednostkowe zużycie paliwa;
─ emisja NOx (NO i NO2);
─ emisja cząstek stałych;
─ emisja CH;
─ emisja CO;
─ głośność.
Przebieg zmian mocy i momentu obrotowego w zależności od prędkości obrotowej są dostosowywane przez producenta w zależności od przeznaczenia silnika. Parametry decydujące o tworzeniu mieszanki mają jednak wpływ na skład spalin. Ilość NOx zwiększa wysoka temperatura spalania, nadmiar powietrza i jego intensywne zawirowanie na początku spalania. Niedobór powietrza (nawet chwilowy) oraz niekorzystne warunki tworzenia mieszanki skutkują wydzielaniem sadzy w spalinach.
3.3 Wpływ parametrów konstrukcyjnych silnika
Ukształtowanie komory spalania, dobór stopnia sprężania oraz zawirowanie powietrza, oprócz innych czynników wpływają na tworzenie mieszanki, mają wpływ na emisję spalin i zużycie paliwa. Zastosowanie czterech zaworów na cylinder stwarza możliwość centralnego usytuowania wtryskiwacza dając tym samym optymalne warunki dla równomiernego rozkładu strumieni paliwa z rozpylacza w komorze spalania. Efektem zastosowania turbosprężarki o zmiennej geometrii łopatek turbiny jest napływ większej masy powietrza do cylindra w szerokim zakresie charakterystyki obciążeniowej silnika, dzięki czemu skraca się okres nieustalonego narastania ciśnienia doładowania oraz zmniejsza przeciwciśnienie spalin. Dzięki chłodzeniu powietrza doładowującego ogranicza się emisję NOx oraz zmniejsza zużycie paliwa.
3.4 Recyrkulacja spalin (EGR)
Recyrkulacja spalin jest pożądanym, efektywnym zabiegiem sprzyjającym zmniejszeniu emisji NOx, stosowanym od wielu lat w silnikach wysokoprężnych samochodów osobowych i użytkowych. Zgodnie z obowiązującymi w tym zakresie przepisami certyfikacyjnymi recyrkulację spalin stosuje się samochodach osobowych tylko w dolnym zakresie obciążeń i prędkości obrotowych, podczas gdy w samochodach użytkowych prawie w całym zakresie charakterystyki obciążeniowej.
Korzystny wpływ recyrkulacji spalin na zmniejszenie NOx polega na:
─ zmniejszeniu stężenia tlenu w komorze spalania;
─ zmniejszeniu strumienia spalin;
─ obniżeniu temperatury wskutek większego ciepła właściwego gazów obojętnych H2O i CO2 nie biorących udziału w reakcjach. Szczególnie efektywna jest recyrkulacja schłodzonych spalin. Stopień recyrkulacji spalin wynosi do 50% dla samochodów osobowych i 5…25%dla samochodów użytkowych.
W samochodach osobowych w przypadku recyrkulacji przy małych obciążeniach następuje spadek ciśnienia spalin przed turbiną i za sprężarką (turbosprężarka ma zawór upustowy lub zmienną geometrię łopatek turbiny VTG). W samochodach użytkowych przy dużym obciążeniu ciśnienie spalin przed turbiną jest mniejsze niż ciśnienie doładowania za sprężarką i chłodnicą powietrza doładowującego. Dlatego też w celu uzyskania właściwej recyrkulacji spalin konieczny jest odpowiedni dobór turbosprężarki lub zastosowanie turbosprężarki z VTG, która zapewni wymagany spadek ciśnienia. Dalszą możliwością jest zastosowanie rurki Venturiego (mniejsze ciśnienie na ...
darago