Модернизация системы питания дизельного двигателя ЯМЗ-740 V8ЧН12/13 для повышения экологической безопасности (дипломный проект)

Сибирская автомобильно-дорожная академия,
Кафедра «Тепловые двигатели и автотракторное оборудование»

Дипломный проект на тему « Модернизация системы питания двигателя КамАЗ для повышения экологической безопасности»


Целью данной работы является: разработать пути снижения степени загрязнения окружающей среды вредными веществами от автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Для достижения данной работы были поставлены ряд задач:
− Изучить нормативную документацию, регламентирующую экологическую безопасность автотранспортных средств (АТС).
− Провести обзор существующих способов повышения экологической безопасности АТС.
− Обосновать выбор наиболее рациональных способов повышения экологической безопасности дизельных двигателей КамАЗ.
В выпускной квалификационной работе содержится пояснительная записка объёмом 56 листов формата А4, 5 листов графического материала выполненных в формате А1.
1. Технико-экономическое обоснование, в котором проведен обзор существующих способов повышения экологической безопасности АТС.
2.Конструкторский раздел, в котором были рассмотрены существующие виды топливоподачи фирмы «BOSCH», а так же требования, предъявляемые к дизельному топливу.
3.Технологический раздел, где был произведен тепловой расчет и построены характеристики дизельного двигателя.
В пояснительной записке использованы 6 источников.
При решении задач были использованы нормативные документы: Технический Регламент Таможенного Союза (о безопасности колесных транспортных средств), Правила ЕЭК ООН.
Таким образом, задачи решены в полном объеме, цель достигнута.
При установке системы CREDC7UC31 на двигатель КамАЗ, по результатам теплового расчета, экологический класс стал соответствовать Евро – 4.
Актуальность темы очевидна т.к от неё прямо пропорциональна зависит:
− Защита окружающей среды от негативного воздействия АТС.
− Повышение экологической безопасности дизельных двигателей.


СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ  
1. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ 
1.1  Цель работы 
1.2  Актуальность работы 
1.3  Задачи 
1.4  Основные компоненты дизельного топлива   
1.5  Факторы, влияющие на количество выбросов вредных ве-ществ
1.6  Обзор существующих способов повышения экологической без-опасности АТС 
1.6.1  Совершенствование рабочих процессов 
1.6.1.1  Топливные аппаратуры 
1.6.1.2  Системы наддува 
1.6.2  Работа двигателя на альтернативном топливе 
1.6.2.1  Спиртовые соединения 
1.6.2.2  Метиловые эфиры жирных кислот 
1.6.2.3  Водные эмульсии 
1.6.3  Применение систем обработки отработавших газов 
1.6.3.1  Рециркуляция отработавших газов EGR 
1.6.3.2  Нейтрализация отработавших газов SCR 
1.6.3.3  Установка сажевого фильтра 
2.  КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ  
2.1  Требования, предъявляемые к дизельному топливу 
2.2  Виды топливоподачи фирмы BOSCH 
2.2.1  ТНВД P7100 с электронным регулятором RE – 30 и ЭБУ MS6.1 
2.2.2  Система топливоподачи UPS с индивидуальными топ-ливными насосами UP20 и ЭБУ EDC7 
2.2.3  Система Common Rail (CRS) с ЭБУ EDC7UC31 
2.2.4  Система CRSN3 – 22 
3.  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ  
3.1  Тепловой расчёт дизельного двигателя  
3.1.1  Прототип двигателя 
3.1.2  Расчёт двигателя  
3.1.3  Построение характеристик дизеля 
3.1.4  Вывод по тепловому расчёту 
4.  ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ  
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ  



2.КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

2.1 Требования, предъявляемые к дизельному топливу

Дизельное топливо – фракции продуктов переработки нефти, выки-пающие при температуре 390 °С.
Основные требования к дизельному топливу:
1. обеспечение процесса смесеобразования в соответствии с вы-бранным рабочим процессом;
2. обеспечение нормального сгорания в соответствии с рабочим процессом;
3. стабильность физико-химических характеристик;
4. отсутствие компонентов, способствующих образованию нага-ров, смол и осадков;
5. отсутствие компонентов, вызывающих коррозию деталей;
6. низкая температура застывания.
Процесс смесеобразования в дизелях в значительной степени опреде-ляет протекание рабочего процесса в целом. Большое влияние на протека-ние смесеобразования оказывают вязкость и фракционный состав дизель-ного топлива. Отклонение вязкости дизельного топлива вызывает измене-ние цикловой подачи и фаз впрыскивания (начала, продолжительности и конца впрыскивания топлива).
Плотность топлива заметно влияет на характер топливоподачи в ди-зеле. Например, при переходе с дизельного топлива на бензин для сохра-нения мощности двигателя неизменной необходимо увеличить продолжи-тельность впрыска топлива. Это, в свою очередь, повышает содержание сажи в отработавших газах. Улучшение испаряемости топлива при пере-ходе на бензин не компенсирует ухудшения процесса сгорания из-за уве-личения продолжительности впрыска топлива, но уменьшает концентра-цию в отработавших газах.
При работе двигателя на дизельном топливе и керосине разница в концентрации в отработавших газах незначительна.
При увеличении вязкости повышается расход топлива (уменьшаются утечки в ходе нагнетания).
Одновременно возрастает угол опережения впрыскивания топлива. Кроме того, ухудшается качество распыливания топлива, увеличивается неоднородность размеров и средний диаметр капель, а также глубина проникновения факела в воздушный заряд, угол конуса факела уменьша-ется.
Особенно чувствительны к изменению вязкости топлива дизели с не-разделенными камерами сгорания, форма и размеры которых согласова-ны с распределением топливных факелов.
Фракционный состав дизельных топлив определяется теми же харак-терными температурами перегонки фракций, что и бензины: 10, 50, 96 %.
Температура перегонки 10 % топлива характеризует содержание уг-леводородов, легко испаряющихся в цилиндре двигателя. Чрезмерное со-держание легкоиспаряющихся углеводородов увеличивает испарение топ-лива и массы подготовленной к воспламенению смеси, что увеличивает жесткость процесса, работа двигателя сопровождается шумом, вибрация-ми, интенсивным износом.
Температура перегонки 50 % топлива характеризует равномерность распределения углеводородов, полностью испарившихся в процессе сме-сеобразования.
Температура перегонки 96 % топлива характеризует наличие в топ-ливе трудно испаряющихся углеводородов.
Чрезмерное содержание трудно испаряющихся углеводородов при-водит к неполному испарению капель топлива и неполноте сгорания, при этом ухудшаются мощностные и экономические показатели дизеля, увели-чивается дымность и токсичность ОГ, увеличивается отложение нагара в камере сгорания.
Основная характеристика дизельного топлива – склонность к вос-пламенению. От неё зависит период задержки воспламенения. Топлива с большей склонностью к воспламенению обеспечивают более благоприят-ное протекание процесса сгорания.
Воспламеняемость дизельных топлив зависит от группового химиче-ского состава.
Наибольшей склонностью к воспламенению обладают углеводороды нормального парафинового ряда (воспламеняемость цетана С16Н34 прини-мается за 100 ед.), наименьшей – углеводороды ароматического ряда (вос-пламеняемость α – метил нафталина – 0 ед.). Нафтеновые углеводороды – занимают промежуточное положение.
Склонность к воспламенению дизельных топлив оценивается цетано-вым числом (ЦЧ), т.е. процентным по объёму содержанием цетана в смеси с α – метил нафталином, которая имеет такую же склонность к воспламене-нию, что и данное топливо.
При недостаточном ЦЧ, возрастает период задержки воспламенения, что может вызвать повышенные скорости нарастания давления в цилиндре и шумы при работе двигателя.
При увеличенном ЦЧ уменьшается период задержки воспламенения, воспламенение топлива происходит до распределения капель в воздушном заряде, что приводит к росту неполноты сгорания, ухудшению мощност-ных и динамических характеристик и увеличению дымности и токсичности ОГ. В связи с этим, цетановое число дизельных топлив составляет 40…55 ед.
Возможность применения дизельных топлив в различных климати-ческих условиях характеризуется температурой кристаллизации, при ко-торой выпадающие из топлива кристаллы растворённых парафиновых уг-леводородов, имеющих высокую температуру кипения, затрудняют его подачу из бака через фильтры к форсункам.
Топливо для дизелей эксплуатируется при различной температуре окружающего воздуха, имеют обозначения (ГОСТ 305-82):
от 0 и выше – Л (летнее)
от − 20 и выше – З (зимнее)
от − 50 и выше – А (арктическое).






2.2 Виды топливоподачи фирмы «Bosch»

2.2.1 ТНВД P7100 с электронным регулятором RE – 30 и ЭБУ MS6.1

Традиционным рядным ТНВД с электронным регулятором (рисунок 1) могут быть соблюдены нормы ВВВ с ОГ Евро-3, однако в этом случае приходится сталкиваться с проблемой повышенного расхода топлива, имеющей большое значение для грузового транспорта.
Причины этого явления – низкое давление впрыскивания, наличие только одного впрыскивания (основного), ограниченный угол опережения впрыскивания. Кроме того, при холодном старте возникает проблема бе-лого дыма из-за неполного сгорания. Механическая настройка угла опе-режения впрыскивания недостаточно гибкая, поэтому при холодном пуске невозможно организовать более ранний впрыск для обеспечения более вы-соких температур сгорания и, соответственно, более полного сгорания топлива.













Рисунок 1 − ТНВД P7100 с электронным регулятором RE – 30 и ЭБУ MS6.1

2.2.2 Система топливоподачи UPS с индивидуальными топлив-ными насосами UP20 и ЭБУ EDC7

Преимуществами данной системы являются:
− точное дозирование топлива с возможностью индивидуальной ре-гулировки момента начала и величины подачи по цилиндрам;
− возможность от отключения отдельных ТНВД при частичных нагрузках на двигатель.
− не требуется изменения конструкции головки блока цилиндров;
− непосредственный привод от кулачкового вала, поскольку коро-мысла отсутствуют;
− облегченный доступ при обслуживании, поскольку ТНВД легко демонтируются.
К недостаткам системы можно отнести:
− трудности при осуществлении многократного впрыскивания;
− зависимость протекания процесса впрыскивания от формы кулач-ка;
− высокая стоимость корпуса насосов, как следствие большого коли-чества резиновых уплотнений (полости «топливо − масло») с высо-кими требованиями к качеству обработки поверхностей;
− повышение удельно − массовых показателей двигателя (суммарная масса деталей системы UPS выше в 3...4 раза массы деталей системы CRS).
В системах с индивидуальными насосными секциями UPS (Рисунок 2), приводимых в действие кулачковым приводом возникает неоптималь-ное сочетание давления и начала впрыскивания, то есть существует доста-точно небольшой момент времени, достаточный лишь для основного впрыскивания, обеспечение же дополнительных впрыскиваний проблема-тично
















Рисунок 2 – Система топливоподачи UPS с ЭБУ EDC7

2.2.3 Common Rail с ЭБУ EDC7UC31

Система Common Rail с ЭБУ EDC7UC31 (Рисунок 3) преподносит максимум гибкости: давление впрыскивания и момент впрыскивания раз-делены, в результате чего могут быть применены многочисленные предва-рительные и последующие впрыскивания. Кроме того, более простая инте-грация системы в двигатель, меньший уровень шума от привода и боль-шая перспектива на будущее – все это свидетельствует в пользу системы.
Таким образом, стремление создать двигатель следующего поколе-ния, соответствующий требованиям Евро − 4, имеющий лучшую топлив-ную экономичность и меньшую шумность, привело к необходимости по-вышения давления впрыскивания топлива до 1600 атм и в зависимости от режимов двигателя:
− регулировки угла опережения впрыскивания (УОВ);
− применения предварительного и последующего впрыскивания;
− управления системами обработки ОГ и т.д.












Рисунок 3 − Common Rail с ЭБУ EDC7UC31

Этим требованиям соответствует аккумуляторная система впрыски-вания топлива типа «Common Rail» с электронной системой управления. Фирма «Bosch» выпускает такую систему с ЭБУ EDC7.
Важнейшим элементом аккумуляторной системы впрыскивания явля-ется инжектор с быстродействующим электромагнитным клапаном, кото-рый открывает и закрывает распылитель, регулируя процесс впрыскива-ния топлива в каждом цилиндре.
Все форсунки подсоединены к топливному аккумулятору высокого давления, отсюда и название системы.
ЭБУ предназначен, для управления началом и продолжительностью основного, предварительных и последующих впрыскиваний топлива в за-висимости от режимов работы двигателя, его температурного состояния, регулировочных характеристик и параметров окружающей среды. Систе-ма обеспечивает выполнение следующих функций двигателя:
− управление пусковой подачей топлива;
− коррекция цикловой подачи в зависимости от расхода воздуха;
− управление началом и продолжительностью основного, предвари-тельных и последующих впрыскиваний топлива;
− регулирование давления впрыскивания топлива;
− снижение неравномерности работы цилиндров;
− управление вентилятором охлаждения двигателя;
− аварийный останов двигателя;
− взаимодействие с системой обработки отработавших газов.

2.2.4 Система CRSN3 – 22

Система топливоподачи типа CRSN3 − 22 (Рисунок 4) с максималь-ным давлением впрыскивания топлива 2200 атм, которая позволяет:
− применить распылители с меньшими диаметрами сопловых отвер-стий для снижения ВВВ с ОГ;
− применить многофазный впрыск для снижения ВВВ с ОГ и шумно-сти двигателя;
− увеличить мощностные показатели двигателя с улучшением топ-ливной экономичности на ~ 2 г/(кВт∙ч).
− ранний предварительный впрыск для подготовки заряда;
− близкий предварительный впрыск для уменьшения шума и ВВВ с ОГ;
− главный впрыск;
− близкий вторичный впрыск для снижения NOх, сажи;
− поздний вторичный впрыск для увеличения температуры ОГ перед катализатором;
− очень поздний впрыск для управления регенерацией катализатора ОГ.


Рисунок 4 – CRSN3 −22

Главное достоинство CRS, это взаимодействие с различными систе-мами обработки отработавших газов, такими как SCR и EGR, что позволя-ет добиться экологических требований без значительных доработок двига-теля.
Схема системы топливоподачи CRS представлена на Рисунке 5.






















Рисунок 5 – Схема системы топливоподачи CRS

3.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

3.1 Тепловой расчёт дизельного двигателя

3.1.1 Прототип двигателя

В настоящее время основным типом силовой установки грузового ав-томобиля или автобуса является двигатель внутреннего сгорания с вос-пламенением от сжатия или с принудительным воспламенением при при-менении газообразного топлива. Как правило, это четырёхтактные двига-тели с числом цилиндров до 8 и, рядным или V-образным расположением цилиндров.
Основное преимущество V-образных двигателей перед однорядными такой же мощности - меньшие размеры и в первую очередь меньшая дли-на, вследствие чего увеличена жесткость таких ответственных деталей, как картера (блок – картера), крышки (головки) цилиндров и коленчатого ва-ла. Наиболее часто применяемый угол между осями цилиндров 45 − 90°. Он определяется назначением двигателя, требованиями к размерам и по-рядком работы цилиндров, расположенных в одном ряду. Там, где основ-ное требование – уменьшение размеров и в первую очередь высоты, этот угол может быть и больше 90°.
Современные грузовые автомобили имеют двигатели высокой мощ-ности. Для получения таких мощностей применяется форсирование по эф-фективному давлению. В настоящее время наибольшее распространение среди агрегатов наддува нашли турбокомпрессоры (газовые нагнетатели). Двигатели с наддувом обладают рядом преимуществ по сравнению с дви-гателями без наддува воздуха. К ним относятся:
− низкий расход топлива;
− снижение шума выхлопа, так как турбина сама является хорошим глушителем шума;
− применение нетрадиционных видов топлив;
− меньшая токсичность по сравнению с безнаддувными двигателями и др.
Имеется также ряд недостатков:
− высокие механические и тепловые нагрузки;
− менее благоприятное протекание кривой крутящего момента, особенно при высоких степенях наддува;
− худшая приемистость.
Анализируя выше сказанное, выбираем восьмицилиндровый V-образный двигатель. Такая схема поможет, нам уменьшить длину двигате-ля не меняя его объем.
Применим систему впрыска c электронным управлением. Характер-ной особенностью систем впрыска с электронным управлением является относительно малое количество подвижных частей, возможность задания различных законов впрыска топлива, что обеспечивает их высокую надёжность и стабильность работы.
В качестве прототипа выбираем двигатель КамАЗ, параметры и по-казатели которого представлены в таблице 1.