Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Zjišťování technického stavu palivových soustav vznětových motorů Bakalářská práce
Brno 2006
Vedoucí bakalářské práce:
Vypracoval:
Doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc.
Petr Jurečka
3
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Zjišťování technického stavu palivových soustav vznětových motorů vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém soupisu literatury. Souhlasím, aby práce byla uložena v knihovně Mendlovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně a zpřístupněna ke studijním účelům.
V Brně dne 1.5. 2006 Podpis diplomanta ………………………………
4
PODĚKOVÁNÍ V první řadě bych rád poděkoval vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Miroslavu Havlíčkovi, CSc. za pomoc a odborné vedení při zpracování diplomové práce. Dále vedení Ústavu základů techniky a automobilové dopravy a všem, kteří mě při zpracování diplomové práce podporovali.
5
ANNOTATION My bachelor work cocerns diesel engines, their structure and mainly the fuel system, especially their chosen parts. I target the main requierement fuel systém, their service and control. The balancing is very important for spark ignition engines because of the right combustion that influence consumptions, power and exhaust in fumes.
It is very important
for engines to fulfil given exhaust limites because of the bad enviroment.
6
OBSAH PROHLÁŠENÍ ........................................................................................................................... 3 PODĚKOVÁNÍ.......................................................................................................................... 4 ANNOTATION ......................................................................................................................... 5 ÚVOD ........................................................................................................................................ 8 1. SPALOVACÍ MOTORY ................................................................................................... 9 1.1 Rozdělení spalovacích motorů ....................................................................................... 9 1.1.1 Rozdělení pístových spalovacích motorů................................................................. 10 1.2 Přeměna energií ve spalovacích motorech ................................................................... 10 1.3 Pracovní oběhy pístových spalovacích motorů ............................................................ 11 2. VZNĚTOVÉ MOTORY .................................................................................................. 12 2.1 Požadavky .................................................................................................................... 12 2.2 Princip vznětového motoru .......................................................................................... 12 2.1.1 Pracovní cyklus motoru................................................................................................... 13 3. TYPY KONSTRUKCE ČERPADEL.............................................................................. 15 3.1 ŘADOVÁ VSTŘIKOVACÍ ČERPADLA......................................................................... 15 3.1.1 Standardní řadová vstřikovací čerpadla PE..................................................................... 15 3.1.2 Řadová vstřikovací čerpadla se zdvihovými šoupátky ................................................... 16 3.2 Rotační vstřikovací čerpadla .............................................................................................. 16 3.2.1 Rotační vstřikovací čerpadla s axiálním pístem .............................................................. 16 3.2.2 Rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty .............................................................. 17 3.3 Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla.................................................................. 18 3.3.1 Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF ......................................................... 18 3.3.2 Sdružená vstřikovací jednotka UI ................................................................................... 18 3.3.3 Čerpadlo – vedení – tryska UP........................................................................................ 19 3.4 Vstřikovací systémy s tlakovým zásobníkem .................................................................... 19 3.4.1 Common Rail CR ............................................................................................................ 19 4. PALIVOVÝ SYSTÉM......................................................................................................... 20 4.1 Nízkotlaká dodávka............................................................................................................ 20 4.1.1 Nízkotlaké komponenty vstřikovacího čerpadla ............................................................. 22 4.2 Vysokotlaká dodávka ......................................................................................................... 22 4.2.1 Vysokotlaké komponenty vstřikovacího čerpadla .......................................................... 23 5. ZKOUŠENÍ PALIVOVÉ SOUSTAVY............................................................................... 25 5.1 Nízkotlaká část ................................................................................................................... 25 5.1.1Nádrž ................................................................................................................................ 25 5.1.2 Nízkotlaké potrubí........................................................................................................... 25 5.1.3 Čističe.............................................................................................................................. 26 5.1.4 Dopravní čerpadla ........................................................................................................... 26 5.2 Vysokotlaká část ................................................................................................................ 27 5.2.1. Dodávka ......................................................................................................................... 27 5.2.2. Počátek vstřiku ............................................................................................................... 27 5.2.3. Regulátory ...................................................................................................................... 28 5.2.4 Zkoušení vstřikovacích trysek......................................................................................... 29 5.2.5 Zkoušení vstřikovacího čerpadla..................................................................................... 32
7 6. Závěr..................................................................................................................................... 36 7. Seznam odborné literatury: .................................................................................................. 36
SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek 1: Princip motoru s vratným pístem........................................................................... 14 Obrázek 2: Pracovní cyklus čtyřdobého dieselového motoru .................................................. 14 Obrázek 3 Rotační vstřikovací čerpadlo s radiálními pístky.................................................... 17 Obrázek 4 Palivový filtr ........................................................................................................... 21 Obrázek 5: Palivový systém vstřikovacího zařízení ................................................................ 24 Obrázek 6: Rozptylové pásmo emisí NOx a HC v závislosti na počátku vstřiku..................... 28 Obrázek 7: Zkušební přístroj NC 50 ........................................................................................ 31 Obrázek 8: Zkušební stanice NC 132....................................................................................... 33 Obrázek 9: Zkušební stanice NC 135....................................................................................... 34
8
ÚVOD V dnešní době je automobil nedílnou součástí života.Vlastní vůz má téměř každý člověk a v rodinách bývají automobily často dva, někdy i více.Moderní doba nás nutí překonávat často velké vzdálenosti v krátké době, což by bez automobilu nebylo možné. Základem každého automobilu je motor. Motory jsou součástí nejen osobních
a
nákladních automobilů, ale také stavebních strojů, lokomotiv atd. V těchto strojích se převážně využívá dieselových agregátů kvůli dobrému výkonu a zároveň malé spotřebě. V mé bakalářské práci se budu zabývat naftovými motory, jejich stavbou a hlavně palivovou soustavou, respektive jen vybranými částmi. Zaměřím se hlavně na základní požadavky vstřikovací soustavy, její seřizování a kontrolu. U zážehových motorů je seřízení velmi důležité kvůli dobrému spalování, které má vliv na spotřebu, výkon a emise ve výfukových plynech. V dnešní době je velmi důležité, aby motory splňovaly předepsané emisní limity kvůli stále se zhoršujícímu životnímu prostředí. V mé práci se dále zaměřuji na vysokotlakou soustavu, vstřikovací čerpadlo a části s tím spojené. Zjišťuji stav trysek a čerpadla pomocí zkušební stolice která určuje správnost a rovnoměrnost vstřiku a předstřiku. Velikost dávkování minimálních otáček a maximálních otáček a měření dalších parametrů.
9
1. SPALOVACÍ MOTORY
Motor jako hnací stroj umožňuje přeměnu určitého druhu převáděné energie na energii mechanickou. Spojením motoru s hnaným strojem se mechanická energie využívá ke konání užitečné práce ve všech oblastech lidské činnosti. Každý motor je za provozu schopen činnosti pouze v určitém ohraničeném rozsahu parametru, jejíž vzájemnou vazbu určuje provozní charakteristika motoru. Optimální provozní parametry motoru se obvykle shodují s parametry jmenovitými, při kterých má motor nejvyšší účinnost. Podle základních konstrukčních znaků se motory dělí na pístové ( spalovací motory vznětové a zážehové, parní motory apod.), rotační (parní a vodní turbína) a reaktivní (proudové motory, raketové motory). Podle převáděné energie se motory dělí na tepelné (parní a plynová turbína, spalovací motory), hydraulické (vodní turbíny, hydromotory), elektrické ( elektromotory) a pneumatické.
1.1 Rozdělení spalovacích motorů Spalovací motory, v nichž se spalováním vhodného paliva za přítomnosti kyslíku uvolňuje teplo, které se pak mění na mechanickou práci, se rozlišují na motory: a) spalovací pístové ( vznětové a zážehové) b) rotační ( turbíny) c) reaktivní (proudové, raketové)
10
1.1.1 Rozdělení pístových spalovacích motorů 1. Podle celkového způsobu práce, tzn. z hlediska druhu paliva, tvoření směsi, zapalování, průběhu spalování, lze rozlišit dvě skupiny vyznačující se hlavně rozdílným způsobem zapalování:
a) motory zážehové (se zapalováním elektrickou jiskrou) b) motory vznětové (se zapalováním kompresním teplem)
2. Podle způsobu výměny náplně ve válcích rozeznáváme dvě skupiny motorů:
a) čtyřdobé (se čtyřmi zdvihy) b) dvoudobé (se dvěma zdvihy za pracovní oběh)
U čtyřdobých a dvoudobých motorů probíhá plnění válců za působení atmosférického tlaku nebo přetlakem náplně dodávané plnícím dmychadlem nebo turbodmychadlem. U přeplňovaných motorů se válce plní přetlakem 0,3 MPa i více. Přeplňování umožňuje spalování většího množství paliva v daném objemu válců a značné zvýšení výkonu až o 30 %. Jako přeplňovacích dmychadel se u čtyřdobých motorů převážně používá turbodmychadel, hnaných výfukovými plyny motoru.
1.2 Přeměna energií ve spalovacích motorech Tepelná energie se zpravidla získává přeměnou chemické energie akumulované ve vhodných palivech v teplo spalováním. Využití tepelné energie se u různých druhů tepelných motorů děje různým způsobem. Pokud dochází k uvolňování tepelné energie mimo vlastní pracovní prostor motoru, je pracovní látkou zpravidla pára, nebo některé plyny, ohřívané zplodinami spalování. Mluvíme v tomto případě o tepelných motorech s vnějším spalováním. Historicky mladší skupinu tvoří tepelné motory s vnitřním spalováním. Zde dochází k uvolňování tepla přímo ve vlastním pracovním prostoru. Pracovní látkou jsou samotné zplodiny spalování, a proto tuto skupinu nazýváme spalovací motory. Spaliny působí bezprostředně na píst motoru a uvádějí ho do přímočarého nebo rotačního pohybu.
11 Při přeměně tepelné energie v mechanickou práci probíhají v tepelných motorech termodynamické děje, při nichž se mění stav a při spalování i chemické složení pracovní látky. Soubor těchto dějů tvoří pracovní oběhy čili cykly tepelných strojů. Změny stavu pracovní látky v tepelných obězích se znázorňují různými diagramy. U spalovacích motorů se přeměňuje v chemickou práci tepelné energie získaná spalováním vhodných kapalných nebo plynných paliv při tlaku vyšším než atmosférickém. Dosahuje se toho stlačením čerstvé náplně ve válci, která tvoří pracovní látku v první části oběhu. Tím se zvýší jejich teplota již na začátku spalování a spalování pak probíhá s vyššími spalovacími teplotami. Podle Carnotova principu se tak dociluje vyšších tepelných účinností a kromě toho se dosáhne i zvýšení měrných výkonů.
1.3 Pracovní oběhy pístových spalovacích motorů Pístové spalovací motory pracují s periodicky se opakujícím otevřeným pracovním oběhem, probíhajícím v pracovním válci. Spalování paliva se děje ve spalovacím prostoru, tvořícím přímo část objemu pracovního válce. Způsob práce a pracovní oběhy pístových spalovacích motorů se v podrobnostech liší podle druhu motoru. V podstatě však mají průběh vyznačující se pravidelným opakováním těchto dějů: 1) Naplnění pracovního prostoru válce náplní. 2) Stlačení náplně válce pístem a tím zvýšení její teploty. 3) Zažehnutí čerstvé směsi paliva se vzduchem elektrickou jiskrou, nebo vstříknutím paliva do kompresí zahřátého vzduchu a jeho vznícení. 4) Spalování paliva doprovázené vzestupem teploty, tlaku a větším nebo menším vzrůstem objemu náplně válce. 5) Expanze spalin působících tlakem na pohybující se píst a konajících tak mechanickou práci za poklesu jejich tlaku a teploty. 6) Výfuk, vytlačení nebo vypláchnutí spalin z válce. K přenosu práce z pístu na otáčející se hřídel se převážnou většinou používá klikového ústrojí s ojnicí a klikovým hřídelem. Na hřídeli bývá setrvačník k akumulování energie při pracovním zdvihu pístu a k dosažení rovnoměrného otáčení hřídele a spojka ke spojení s poháněným zařízením.
12 Jsou též pístové spalovací motory s jiným než klikovým ústrojím a motory s otáčivými písty různých konstrukcí. Spaliny pak při expanzi působí tlakem na píst, otáčejí se, popř. krouží ve vhodně provedené skříni, nahrazující pracovní válec. K přenosu práce z pístu na hřídel motoru se používá různých mechanismů. Většina těchto konstrukcí nepokročila z pokusného vývojového stadia. V posledních letech se v omezeném množství prakticky uplatnily je Wankelovy motory.
2. VZNĚTOVÉ MOTORY
2.1 Požadavky Stále přísnější předpisy pro emise výfukových plynů a hluku a požadavky na nižší spotřebu kladou stále vyšší požadavky na vstřikovací systémy vznětových motorů. V principu musí vstřikovací soustava pro dobrou přípravu směsi vstřikovat palivo do vznětových motorů podle způsobu spalování (přímý nebo nepřímý vstřik) s tlakem mezi 350 až 2000 bary a přitom musí dávkovat vstřikované dávky s nejvyšší možnou přesností. Regulace výkonu a otáček vznětového motoru je realizována odměřováním dávky paliva bez zaškrcení nasávaného vzduchu.
2.2 Princip vznětového motoru Vznětový motor je motor se samo vznícením, který nasává vzduch a vysoce ho stlačuje. Vznětový motor je spalovacím motorem s nejvyšší celkovou účinností (u velkých pomaloběžných provedení až 50 % nebo ještě vyšší). S tím je spojena nízká spotřeba paliva, emise s nízkým obsahem škodlivých látek a ztlumený hluk podtrhují význam vznětových motorů. Vznětové motory mohou pracovat jako dvoudobé nebo také čtyřdobé. V motorových vozidlech se požívají převážně čtyřdobé motory (obrázky 1 a 2).
13
2.1.1 Pracovní cyklus motoru U čtyřdobých vznětových motorů řídí výměnu plynu ventily pro výměnu plynů. Uzavírají nebo otevírají sací a výfukové kanály válců. [ 2 ]
První doba sání Při pohybu pístu dolů nasává motor během první doby, doby sání, vzduch bez jakéhokoliv zaškrcení otevřeným sacím ventilem. Vzduch proudí přes sací potrubí kolem ventilu do spalovací komory.
Druhá doba komprese Během druhé doby, doby komprese, je nasátý vzduch odpovídající kompresnímu poměru (14:1 …… 24:1) stlačen pohybem pístu nahoru. Vzduch se přitom zahřeje na teplotu až 900 °C. Na konci tohoto procesu komprese vstřikuje vstřikovací tryska palivo pod vysokým tlakem (až 2000 barů) do zahřátého vzduchu.
Třetí doba pracovní Po uplynutí průtahu vznícení shoří jemně rozprášené palivo na začátku třetí doby, pracovní doby. Tím se nadále zahřívá náplň válce a tlak ve válci ještě vzrůstá. Spálením se uvolněná energie přenáší na píst. Píst se v důsledku toho pohybuje opět směrem dolů a tepelná energie se převádí na mechanickou práci.
Čtvrtá doba výfuku V průběhu čtvrté doby, doby výfuku, se vyprázdní spálená náplň válece přes otevřený výfukový ventil pístem pohybujícím se nahoru. Při dalším pracovním cyklu se potom opět nasává čerstvý vzduch a vše se opakuje stále dokola.
14
Obrázek 1: Princip motoru s vratným pístem
Obrázek 2: Pracovní cyklus čtyřdobého dieselového motoru
15
3. TYPY KONSTRUKCE ČERPADEL 3.1 ŘADOVÁ VSTŘIKOVACÍ ČERPADLA
Řadová vstřikovací čerpadla mají pro každý válec motoru jeden element čerpadla, ten sestává z válce čerpadla a pístu čerpadla. Píst čerpadla se pohybuje ve směru dodávky prostřednictvím vačkového hřídele poháněného motorem a vrací se zpět pružinou pístu. Elementy čerpadla jsou uspořádané v řadě. Zdvih pístu je neměnný, aby bylo možné dosáhnout změny dávky, jsou v pístu šikmé řídící hrany, takže lze po otočení pístu prostřednictvím posuvné regulační tyče dosáhnout požadovaného užitného zdvihu. Mezi vysokotlakým prostorem čerpadla a začátkem vstřikovacího vedení jsou podle podmínek vstřiku umístěny přídavné výtlačné ventily. Ty určují přesné ukončení vstřiku, zamezují dostřiku u vstřikovací trysky a zajišťují rovnoměrné pole charakteristik čerpadla.
3.1.1 Standardní řadová vstřikovací čerpadla PE Počátek dodávky je určen sacím otvorem, který se uzavře horní hranou pístu. V pístu šikmo umístěná řídící hrana, uvolňující otvor sání, určuje vstřikovanou dávku. Plocha regulační tyče je řízena mechanickým odstředivým regulátorem nebo elektrickým nastavovacím mechanismem. [ 2 ]
16
3.1.2 Řadová vstřikovací čerpadla se zdvihovými šoupátky Řadová vstřikovací soustava se zdvihovými šoupátky se liší od běžných řadových vstřikovacích čerpadel zdvihovým šoupátkem kluzně umístěným na pístu čerpadla. Pomocí tohoto šoupátka lze měnit úvodní zdvih a tedy také počátek dodávky popř. vstřiku pomocí přídavného ovládacího hřídele. Pozice zdvihového šoupátka se nastavuje v závislosti na různých veličinách. Řadová vstřikovací čerpadla se zdvihovými šoupátky mají na rozdíl od standardních řadových vstřikovacích čerpadel PE přídavné stupně volnosti.
3.2 Rotační vstřikovací čerpadla Rotační vstřikovací čerpadla mají mechanický regulátor otáček nebo elektronický regulátor s integrovaným přesuvníkem vstřiku. Mají jen jeden výtlačný element čerpadla pro všechny válce. [ 1 ]
3.2.1 Rotační vstřikovací čerpadla s axiálním pístem U rotačních vstřikovacích čerpadel s axiálním pístem dopravuje křídlaté lopatkové čerpadlo palivo do prostoru čerpadla. Centrálně umístěný rozdělovací píst, který je otáčen vačkovým kotoučem, vytváří tlak a rozděluje palivo k jednotlivým válcům. Během jedné otáčky hřídele pohonu dělá píst tolik zdvihů, kolika válcům motoru musí dodávat palivo. Vačky na spodní straně vačkového kotouče se odvalují po kladkách prstence kladek a způsobují u rozdělovacího pístu přídavně točivého pohybu také zdvihový pohyb. U běžného rotačního vstřikovacího čerpadla s axiálním pístem VE s mechanickým odstředivým
regulátorem
otáček
nebo
elektronicky
regulovaným
nastavovacím
mechanismem určuje užitný zdvih regulační šoupátko, které takto dávkuje vstřikovanou dávku. Počátek dodávky čerpadla lze představit pomocí prstence s kladkami (přesuvník vstřiku).
U
rotačních
vstřikovacích
čerpadel
s axiálním
pístem
ovládaných
17 elektromagnetickým vstřikem dávkuje elektronicky řízený vysokotlaký elektromagnetický ventil vstřikovanou dávku místo regulačního šoupátka. Řídící regulační signály jsou zpracovány ve dvou elektronických řídících jednotkách (řídící jednotka čerpadla a motoru). Otáčky jsou regulovány vhodným nastavením akčních členů. [ 1 ]
3.2.2 Rotační vstřikovací čerpadla s radiálními písty U rotačních vstřikovacích čerpadel s radiálními písty dodává křídlaté lopatkové palivové čerpadlo palivo. Čerpadlo s radiálními písty s vačkovým kroužkem a dvěma až čtyřmi radiálními písty realizuje vytváření vysokého tlaku a dodávky paliva. Vysokotlaký elektromagnetický ventil dávkuje vstřikované množství. Počátek dodávky se přestavuje pootočením vačkového kroužku prostřednictvím přesuvnému vstřiku. Stejně jako u elektromagnetického ventilu ovládaného čerpadla s axiálním pístem jsou také zde veškeré řídící a regulační signály zpracovány ve dvou řídících jednotkách (řídící jednotka čerpadla a motoru). Otáčky jsou regulovány vhodným nastavením akčního členu. [ 1 ]
Obrázek 3 Rotační vstřikovací čerpadlo s radiálními pístky
18
3.3 Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla
3.3.1 Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla PF (používaná u malých motorů, lokomotiv se vznětovými motory, lodních motorů a stavebních strojů) nemají vlastní vačkový hřídel (F = cizí pohon), odpovídají však principem činnosti řadovým vstřikovacím čerpadlům PE. U velkých motorů je mechanicko-hydraulický nebo elektronický regulátor montován přímo na těleso motoru. Jím určená dávka se přenáší přes pákový mechanismus začleněný v motoru. Poháněcí vačky pro jednotlivá vstřikovací čerpadla PF jsou umístěny na vačkovém hřídeli pro ovládání ventilu motoru. Proto nelze realizovat přestavení vstřiku pootočením vačkového hřídele. Zde však lze přestavením mezičlánku (např. kolísá mezi vačkovým hřídelem a zdvihátkem) dosáhnout změny úhlu přestavení s hodnotou několika úhlových stupňů. Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla jsou také vhodná pro provoz s vysoce viskózními těžkými oleji. [ 1 ]
3.3.2 Sdružená vstřikovací jednotka UI U sdružené vstřikovací jednotky vytváří vstřikovací čerpadlo a vstřikovací tryska jednu jednotku. Pro každý válec motoru je v hlavě válců vestavěna jedna jednotka, která je poháněna buď přímo přes zdvihátko nebo přímo přes vahadlo z vačkového hřídele motoru. V důsledku nepoužití vysokotlakého vedení je možné dosáhnout podstatně vyššího vstřikovacího tlaku (až 2 000 barů) než u řadových nebo rotačních vstřikovacích čerpadel. Pomocí tohoto vysokého vstřikovacího tlaku a elektronické regulace s polem charakteristik pro počátek vstřiku a trvání vstřiku (popř. dávku) lze dosáhnout podstatného snížení emisí škodlivých látek vznětového motoru. Elektronické koncepce regulace umožňuje realizaci různých přídavných funkcí. [ 1 ]
19
3.3.3 Čerpadlo – vedení – tryska UP Systém čerpadlo – vedení – tryska pracuje na stejném principu jako sdružená vstřikovací jednotka. Je to modulově konstruovaný systém vysokotlakého vstřikování. Na rozdíl od sdružených vstřikovacích jednotek jsou tryska a čerpadlo propojeny krátkým vstřikovacím vedením. Systém čerpadlo – vedení – tryska má jednu vstřikovací jednotku (čerpadlo, vedení a vstřikovač) pro každý válec motoru, která je poháněna vačkovým hřídelem motoru. Krátké, přesně ke komponentům přizpůsobené vysokotlaké vedení vede ke vstřikovači. Elektrická regulace s poli charakteristik pro počátek vstřiku a trvání (popř. dávku) znamená zřetelné snížení emisí škodlivých látek vznětového motoru. Společně s rychle spínaným, elektronicky ovládaným elektromagnetickým ventilem lze dobře přizpůsobit okamžitou charakteristiku každého jednotlivého procesu vstřiku.
3.4 Vstřikovací systémy s tlakovým zásobníkem 3.4.1 Common Rail CR U vstřikování s tlakovým zásobníkem „Common Rail“ je odděleno vytváření tlaku a vstřikování. Vstřikovací tlak je vytvářen nezávisle na otáčkách motoru a vstřikované dávce a je připraven v „Railu“ (tlakovém zásobníku paliva) pro vstřikování. Okamžik vstřiku a vstřikovaná dávka jsou vypočítávány elektronickou řídící jednotkou a prostřednictvím injektorů (vstřikovací jednotky) na každém válci motoru jsou realizovány elektromagnetickým ventilem. [ 1 ]
20
4. PALIVOVÝ SYSTÉM Palivový systém vstřikovací soustavy s rotačním vstřikovacím čerpadlem s radiálními písty (obrázek 1) sestává z nízkotlaké části pro nízkotlakou dodávku paliva, z vysokotlaké části pro vysokotlakou dodávku paliva a z elektronické řídící jednotky. [ 2 ]
4.1 Nízkotlaká dodávka Nízkotlaká část pro dodávku paliva zahrnuje: -
palivovou nádrž
-
nízkotlaká palivová vedení
-
palivový filtr
-
komponenty vstřikovacího čerpadla
Palivová nádrž: Palivové nádrže musejí být odolné vůči korozi a musejí být těsné při dvojnásobku provozního přetlaku, minimálně však přetlak 0,3 bary. Vzniklý přetlak musí být samočinně odveden vhodnými otvory, pojistnými ventily nebo podobnými jednotkami. Palivo nesmí vytékat z uzávěru palivového otvoru nebo ze zařízení pro vyrovnávání tlaku ani při šikmé poloze, průjezdu zatáčkou nebo při nárazech. Palivové nádrže musí být od motoru odděleny tak, aby nemohlo dojít ke vznícení ani při nehodách. Pro vozidla s otevřenou kabinou řidiče, traktory (tahače) a autobusy platí zvláštní podmínky pro výšku instalace a pro odstínění palivových nádrží. [ 2 ]
21 Palivová vedení v nízkotlaké části: Pro nízkotlakou část lze vedle ocelových trubek používat také pružné vedení s výztuhou ocelovým pletivem, toto musí být těžce zápalné. Vedení je nutné umístit tak, aby se zamezilo mechanickému poškození a aby se odkapávající nebo odpařované palivo nemohlo shromažďovat a vznítit. Palivová vedení nesmějí být ovlivňována krutem karoserie, pohyby motoru nebo podobnými jevy. Veškeré díly vedoucí palivo musí být ochráněny proti provozním teplotám. U autobusů nesmějí být palivová vedení umístěna v prostoru pro cestující nebo v kabině řidiče a palivo nesmí být dopravováno samotíží. [ 2 ]
Palivové filtry: Nedostatečná filtrace může vést k poškození komponentů čerpadla, výtlačných ventilů a vstřikovacích trysek. Palivový filtr čistí palivo před rotačním vstřikovacím čerpadlem s radiálními písty a zamezuje tím předčasnému opotřebení citlivých dílů. [ 2 ]
Obrázek 4 Palivový filtr
22
4.1.1 Nízkotlaké komponenty vstřikovacího čerpadla Křídlové podávací čerpadlo: Křídlové podávací čerpadlo nasává palivo z palivové nádrže a podává při každé otáčce přibližně konstantní množství paliva do vysokotlakého čerpadla s radiálním pístem.
Ventil pro regulaci tlaku: Ventil pro regulaci tlaku reguluje podávací tlak paliva podávacího čerpadla. Otevře se, pokud silně vzroste tlak paliva a uzavírá se, když tlak paliva klesá.
Přepouštěcí škrtící ventil: Přepouštěcí škrtící ventil umožní při dosažení přednastaveného otvíracího tlaku přepuštění definovaného množství paliva zpět do palivové nádrže a usnadňuje samočinné odvzdušnění čerpadla.
4.2 Vysokotlaká dodávka Vysokotlaká část palivového systému vytváří tlak potřebný pro vstřikování pomocí vysokotlakého čerpadla s radiálními písty. Palivo je pro každý jednotlivý vstřik znovu podáváno a vstřikováno prostřednictvím -
komponentů vstřikovacího čerpadla
-
vysokotlakého potrubí
-
držáku trysky
-
vstřikovací trysky.
23
4.2.1 Vysokotlaké komponenty vstřikovacího čerpadla Vysokotlaké čerpadlo s radiálními písty: Palivo se dodává při otevřeném vysokotlakém elektromagnetickém ventilu z nízkotlaké části k podávacím pístům ve vysokotlaké části. Vačkový prstenec s laloky na vnitřní straně prstence zatlačuje podávací písty radiálně směrem dovnitř a komprimuje při každém zdvihu palivo pro vstřikování v příslušném válci. [ 2 ]
Vysokotlaký elektromagnetický ventil: Řídící jednotka čerpadla řízená vysokotlakým elektromagnetickým ventilem reguluje přítok paliva k radiálním pístům vysokotlakého čerpadla a určuje vstřikovanou dávku a okamžik vstřiku pro každé vstřikování.
Rozdělovací hřídel s rozdělovací hlavou: Rozdělovací hřídel rozděluje palivo tak, aby byl během každé otáčky připojen každý válec jednou přes výtlačné hrdlo rozdělovací hlavy a vysokotlakého potrubí.
Škrtící zpětné ventily: Škrtící zpětné ventily v přípojce výtlačné trubky tlumí zpětné vlny tlaku paliva vznikající při uzavření trysek. Zamezují tak opotřebení vysokotlaké části a nekontrolovanému otvírání trysek.
Palivové vedení ve vysokotlaké části Vysokotlaké vedení (vysoce pevné bezešvé ocelové trubky) vedou od vstřikovacího čerpadla k tryskám. Jsou přizpůsobeny průběhu vstřiku a musejí mít vždy stejnou délku. Různě velké vzdálenosti jsou vyrovnány prostřednictvím větších nebo menších ohybů v průběhu vedení.
24 Trysky a držáky trysek Vstřikovací trysky vestavěné v držácích trysek vstřikují přesně dávkované palivo do válců motoru a tvarují přitom průběh vstřiku. Přebytečné palivo proudí s malým tlakem zpět do palivové nádrže. [ 2 ]
Obrázek 5: Palivový systém vstřikovacího zařízení
25
5. ZKOUŠENÍ PALIVOVÉ SOUSTAVY
5.1 Nízkotlaká část 5.1.1Nádrž Nádrž musí být těsná, nesmí mít na dně nečistoty. Síto výpustného kohoutu nesmí být ucpáno. Zvláštní zkoušení se neprovádí. Pouze je nutné sledovat při denní údržbě, zda palivo neuniká nějakým spojem nebo porušením sváru. Občas je nutné nádrž propláchnout. Je nutné přezkoušet, není-li otvor uzavírací zátky ucpán. Laboratorně je možné nádrž vyzkoušet na těsnost naplněním kapalinou. Je možné provést také zkoušku těsnosti pomocí tlakové vody. Přetlak se však nesmí volit příliš velký, aby se nádrž nepoškodila. [ 3 ]
5.1.2 Nízkotlaké potrubí Důležitý požadavek u nízkotlakého potrubí je opět těsnost. Přezkoušíme těsnost spojů a zkontrolujeme dosedací plochy. Vlastní potrubí je možné zkoušet též vnitřním přetlakem asi 3 atp.
26
5.1.3 Čističe Čističe v provozu musí být odvzdušněny. K tomu účelu mají odvzdušňovací šroub, obyčejně v hlavě čističe. Musíme občas přezkoušet jeho utažení, aby nemohl vnikat případně vzduch ( je-li čistič v sací části dopravního čerpadla). Občas je nutné odpustit odkalovacím šroubem nečistoty. Po určité době stanovené směrnicemi technické údržby je nutné vyjmout čistící vložku a vyčistit ji nebo nahradit novou. Dále zkontrolujeme dosedací plochy odvzdušňovacího šroubu, stav vložky. Můžeme překontrolovat hydraulický odpor čističe. Do přívodního odtokového potrubí vložíme T kus a kontrolujeme tlak před čističem a za ním. Rozdíl obou hodnot udává hydraulický odpor čističe. Je možné zkoušet jemnost čištění a účinnost čističe. Tyto zkoušky se většinou neprovádí jako kontrolní zkoušky pro běžné zjišťování funkce. [ 3 ]
5.1.4 Dopravní čerpadla Zkontrolujeme, zda dopravní čerpadlo pracuje běžně tím, že povolíme výtlačné potrubí. Potom otáčením motoru startérem zjistíme, zda čerpadlo pracuje. Podobným způsobem se můžeme přesvědčit, zda dodává ruční čerpadlo. Je-li v nízkotlaké části u čističe zařazen tlakoměr, lze se přesvědčit okamžitě o správné činnosti dopravního čerpadla. Na zkušebním zařízení přezkoušíme činnost dopravního čerpadla takto: Do výtlačného potrubí zamontujeme čistič, se kterým bude dopravní čerpadlo pracovat. Za dopravním čerpadlem měříme tlak manometrem. Zároveň měříme přečerpání nafty pomocí nádrže N. Dopravní čerpadlo poháníme zařízením, které dovoluje měnit otáčky. Je-li poháněno na motoru vačkou vstřikovacího čerpadla, použijeme k tomu zkušebního stolu na vstřikovací čerpadla. [ 3 ]
27
5.2 Vysokotlaká část U vysokotlaké části kontrolujeme: - funkci vstřikovacího čerpadla - funkci vstřikovacích ventilů - těsnost vysokotlakého potrubí, zejména spojů.
U vstřikovacího čerpadla (jako celku) kontrolujeme především dodávku ( výtlačné množství a rovnoměrnost dodávky), počátek vstřiku (předstřik) a funkci regulátoru.
5.2.1. Dodávka a) výtlačné množství Výtlačné množství kontrolujeme dodaným množstvím určitým elementem za určitou dobu, nebo na určitý počet výtlačných zdvihů. Trysku seřízenou na správný tlak necháme vstřikovat do kalibrované nádoby a kontrolujeme, zda zkoušený element čerpadlu dodá předepsané množství v cm3. Nedodá-li element správnou dávku, je nutné ho seřídit.
b) rovnoměrnost dodávky Nikdy není možné seřídit všechny elementy vstřikovacího čerpadla tak, aby dodávaly všechny přesně stejné dávky. [ 3 ]
5.2.2. Počátek vstřiku Častěji než počátek vstřiku měříme tzv. počátek dodávky vstřikovacího čerpadla. Je nutné si proto ujasnit oba pojmy. Počátek vstřiku udává okamžik, kdy se začne palivo vstřikovat do válce, tj. kdy začne vstřik z trysky vstřikovacího ventilu. Počátek dodávky je okamžik, kdy začne čerpadlo vstřikovat palivo, tj. prakticky kdy pístek nekryje sací a přepouštěcí kanál. Počátek vstřiku není tedy totožný s počátkem dodávky, neboť, začne-li čerpadlo vytlačovat palivo, musí se nejprve zvýšit tlak v odlehčeném výtlačném potrubí na vstřikovací tlak trysky a pak teprve nastává vstřik. Počátek vstřiku je
28 tedy poněkud opožděn za počátkem dodávky. Počátek dodávky měříme nejčastěji kapilárou. Počátek vstřiku měříme buď tak, že necháme trysku vstřikovat na setrvačník, nebo stroboskopickou metodou. [ 3 ]
Obrázek 6: Rozptylové pásmo emisí NOx a HC v závislosti na počátku vstřiku
5.2.3. Regulátory Při kontrolních zkouškách sledujeme funkci regulátoru, zejména při volnoběžných maximálních otáčkách motoru. Regulátor musí při dosažení maximálních otáček odstavit čerpadlo (vypnout dodávku čerpadla).
pístek. Měříme rychlost poklesu tlaku. Je-li rychlost poklesu tlaku větší než předepsaná, je vstřikovací element nezpůsobilý dalšího provozu.
29
a) vstřikovací ventil Při kontrolních zkouškách vstřikovacího ventilu kontrolujeme: 1. vstřikovací tlak Vstřikovací tlak měříme tak, že ke zkoušené trysce zapojíme paralelně manometr. Údaj na manometru určuje vstřikovací tlak trysky. 2. někdy také zdvih jehly b) vysokotlaké potrubí U vysokotlakého potrubí kontrolujeme těsnost spojů, jakost těsnících ploch a jeho neporušení. Při poklesu otáček pod minimální otáčky motoru musí regulátor zvyšovat dodávku paliva. Existuje celá řada drobnějších zkoušek jednotlivých částí vstřikovacího čerpadla, z nichž je důležitá hlavně zkouška těsnosti vstřikovacího elementu. c) zkouška těsnosti vstřikovacího elementu Opotřebení vstřikovacího elementu, tj. pístku a příslušného válečku měříme tzv. zkouškou těsnosti. Zkouška se provádí takových způsobem, že pístek vstřikovacího elementu se posune do polohy, kdy nad pístkem vzniká předepsaný tlak p (např. 250 at.), který se měří manometrem. V této poloze fixujeme [ 3 ]
5.2.4 Zkoušení vstřikovacích trysek V nádobě je vestavěn pístek, kterým je tlačena nafta k manometru a ke vstřikovací trysce. Celková koncepce výtlačného elementu je podobná jako u vstřikovacího čerpadla, pístek však není opatřen regulační šroubovou hranou. Čerpání nafty se provádí pohybováním pístku pomocí dvouramenné páky. Výtlačný element je opatřen výtlačným ventilem. Pohybem konce dvouramenné páky směrem dolů se začne pístkem stlačovat nafta ve výtlačném potrubí. Tlak nafty postupuje ke vstřikovacímu ventilu a k manometru.
30 Údaj na manometru odpovídá vstřikovacímu tlaku trysky. Potrubí mezi manometrem a vstřikovacím ventilem musí být co nekratší. Manometr je pružinový, musí být cejchován. Je možné použít manometr se dvěma ručičkami, kde jedna je ovládaná tlakem a druhá je posouvána první ručičkou a nevrací se zpět do nulové polohy. Tato ručička pak zůstane stát na maximálním údaji tlaku, který ukáže pružinový manometr. To je vstřikovací tlak, který je možno v klidu odečíst. Před další zkouškou je nutné vlečnou ručičku vynulovat. Pokud nemá manometr vlečnou ručku, musíme sledovat při výstřiku maximální údaj na manometru. Nemá-li tryska potřebný tlak, seřídíme ji stavěcím šroubem, kterým měníme předpětí pružiny. Při této zkoušce zároveň sledujeme vystřikuje-li
tryska celým obvodem a
neodkapává-li (tryska musí tzv. vrzat, což je vlastně zvuk vznikající kmitáním jehly). U víceotvorové trysky sledujeme, zda stříkají všechny otvory. Nevystřikuje-li tryska správně, pak je nutné trysku demontovat a propláchnout naftou. Závada je nejčastěji: 1. nečistota v sedle jehly 2.nečistota ve vedení jehly, zadřená jehla 3. opotřebená tlačná tryska v místě styku s jehlou 4. U víceotvorové trysky může být ucpán otvor. Je-li tomu tak, je nutno otvor pročistit pomocí jehly.
Měření kužele vstřiku
Správnou kuželovitost vstřikovaného paprsku musíme dodržet z toho důvodu, aby bylo správné rozprášení paliva ve spalovacím prostoru, aby nastalo dobré promíchání paliva se vzduchem. Kuželovitost paprsku měříme nejjednodušeji tak, že trysku necháme stříkat z určité výšky (nesmí být příliš velká). Na papíře nám vytvoří vstříknutá nafta skvrnu přibližně kruhového tvaru. Změříme-li průměr skvrny, můžeme snadno spočítat vrcholový úhel kužele. [ 3 ]
31
Obrázek 7: Zkušební přístroj NC 50
Na zkušebním přístroji 50 lze provádět následující zkoušky
Zkoušení a seřízení otevíracího tlaku vstřikovačů Kontrolu těsnosti sedla vstřikovací trysky Zkoušku těsnosti ve vedení jehly vstřikovací trysky Kontrolu funkce a rozprášení paliva
32
5.2.5 Zkoušení vstřikovacího čerpadla Máme-li seřízený správný tlak vstřikovacích ventilů, přistoupíme ke zkoušení vstřikovacího čerpadla. Na vstřikovacím čerpadle zkoušíme při provozních zkouškách: 1. předstřik Předvařil měříme tím způsobem, že vyjmeme trysku prvního válce, připevníme na skříň setrvačníku. Otáčíme-li motorem klikou, tryska nastříkne naftu na setrvačník. Na setrvačníku bývá obvykle vyznačena tryska, která odpovídá předstřiku prvního válce. Změříme vzdálenost mezi ryskou na setrvačníku a mezi naftovou skvrnou. Známe-li průměr setrvačníku, můžeme stanovit úhel předstřiku prvního válce. 2. dodávka vstřikovacího čerpadla Při provozních zkouškách kontrolujeme vždy dodávku a rovnoměrnost dodávky vstřikovacího čerpadla. Vymontujeme trysky z motoru, umístíme je tak, aby mohly stříkat do kalibrovaných nádob. Potom nastavíme maximální dodávku paliva ruční pákou. Otáčíme klikou motoru tak, aby čerpadlo vykonalo určitý počet zdvihů. Trysky, které stříkají do kalibrovaných nádob, nastříkají na určité množství zdvihů určité množství paliva v cm3.
Zkušební stolice Tato zkušební stolice má nahradit částečně podmínky práce vstřikovacího čerpadla na motoru. Celé zařízení zkušební stolice můžeme rozdělit na: 1. hnací ústrojí (hnací ústrojí se skládá v podstatě z motoru a ústrojí k přenosu hnací síly) 2. pomocné zařízení (pomocné zařízení se skládá z nádrží a zařízení pro funkce a dopravu paliva) 3. zkušební zařízení (zkušební zařízení se ovládá buď ručně nebo automaticky – elektromagneticky). [ 3 ]
33
Obrázek 8: Zkušební stanice NC 132
Stanice pracuje v těchto režimech
režim měření dodávky režim kontroly seřízení vstřikovacího čerpadla do kruhu režim měření automatického přesuvníku režim měření jednotlivých výstřiků režim měření průběhu dodávky v závislosti na otáčkách
Na zkušebních stanicích NC 132 lze provádět tato měření
automatické měření a kontrolu dodávky kontrolní kapaliny dodávané vstřikovacím čerpadlem automatickou kontrolu seřízení vstřikovacího čerpadla do kruhu měření automatického přesuvníku vstřiku měření a zobrazení jednotlivých výstřiků měření charakteristiky dodávky v závislosti na otáčkách
34
kontrolu funkce podávacích čerpadel seřízení přetlakového korektoru vstřikovacích souprav s automatickým nastavením přetlaku vzduchu pomocí programu kontrolu funkce elektromagnetu 24 V startovacího zařízení řadových vstřikovacích čerpadel kontrolu funkce spínače motorové brzdy na vstřikovací soupravě kontrolu funkce elektromagnetu 12 V ventilu Start - Stop rotačních čerpadel používání kalibrovaných vstřikovačů Motorpal (s tryskou KDOP) nebo kalibrovaných vstřikovačů ISO - destičkových i s čepovou tryskou
Obrázek 9: Zkušební stanice NC 135
Přednosti zkušební stanice
Vysoká přesnost měření je dána stabilním náhonem s tyristorově řízeným elektropohonem, digitálním měřením otáček, digitálním měřením teploty na vstupu do vstřikovacího čerpadla,digitálním
35 měřením a zobrazováním počtu zdvihů, digitálním měřením a zobrazováním úhlu při stroboskopickém měření.
Automatické udržování nastavené teploty kontrolní kapaliny v rozsahu 20 až 50°C. Předvolba teploty z klávesnice, digitální zobrazení.
Dobrá stabilita otáček náhonového hřídele, která je dána velkou hmotou setrvačníku a tyristorovou regulací pohonu.
Nové, nehlučné, pneumatické ovládání překlápění trojcestných ventilů s automatickým vypouštěním kontrolní kapaliny z odměrek odměrného vršku.
Veškeré ovládání soustředěno na jeden panel osazený ovladači a fóliovou klávesnicí. Zařízení (zdroj) pro zkoušení elektromagnetů startovací dodávky (24 V) vstřikovací soupravy. Uzamykatelný hlavní vypínač (ochrana proti nežádoucí manipulaci). Přesné nastavování otáček pomocí předvolby z klávesnice nebo desetiotáčkového potenciometru. Jednoduchá výměna měřicích kalibrovaných odměrek. Udržování nulové hladiny v odměrkách. Elektrický ohřev kontrolní kapaliny v nádrži. Blokování elektrického ohřevu kontrolní kapaliny při poklesu hladiny v nádrži na minimum s optickou indikací. Nový typ výkonné stroboskopické lampy. Neměnnost nastaveného úhlu (měření automatického přesuvníku) v celém rozsahu otáček zkušební stanice při stroboskopickém měření. Nádrž na znečištěnou kontrolní kapalinu (5 litrů) s optickou signalizací. Zabudovaný regulační ventil tlakového vzduchu pro seřizování pneumatických podtlakových korektorů. Zabudovaný regulační ventil tlakového vzduchu pro seřizování pneumatických přetlakových korektorů. Zabudovaný tlakový zdroj pro statické nastavování rozdělení do kruhu. Dokonalé osvětlení odměrného vršku stanice.
Na zkušebních stanicích NC 135 lze provádět tato měření
Kontrolu a seřízení dodávky kontrolní kapaliny dodávané vstřikovacím čerpadlem. Kontrolu přesunutí vstřiku automatickým přesuvníkem vstřiku pomocí stroboskopu. Kontrolu úhlového rozdělení a seřízení počátku výtlaku jednotlivých výtlačných sekcí za chodu vstřikovacího čerpadla pomocí stroboskopu (seřízení do kruhu dynamické). Kontrolu úhlového rozdělení a seřízení počátku výtlaku jednotlivých výtlačných sekcí za klidu vstřikovacího čerpadla vysokým tlakem (seřízení do kruhu statické). Kontrolu funkce podávacích čerpadel. Seřízení přetlakového korektoru vstřikovacích souprav. seřízení podtlakového korektoru vstřikovacích souprav. Kontrolu funkce elektromagnetu 24 V startovacího zařízení řadových vstřikovacích čerpadel. Kontrolu funkce spínače motorové brzdy na vstřikovací soupravě. Kontrolu funkce elektromagnetu 12 V ventilu Start- Stop rotačních vstřikovacích čerpadel. Používání kalibrovaných vstřikovačů Motorpal (s tryskou KDOP nebo čepovou) nebo kalibrovaných vstřikovačů ISO - destičkových.
36
6. Závěr V mé bakalářské práci jsem se zabýval dieselovými motory, respektive zkoušením palivové soustavy. V nízkotlaké palivové soustavě zkoušíme nádrž, potrubí, čističe, podávací čerpadlo a ve vysokotlaké soustavě dodávku, počátek vstřiku, regulátory, přičemž mezi nejdůležitější prvky zkoušené v palivové soustavě patří vstřikovací čerpadlo a trysky, protože tyto součásti motoru bývají nejvíce opotřebované, a proto jsou nejčastěji diagnostikované. Diagnostikujeme je kvůli dobrému chodu motoru a spalování, což přispívá k menšímu obsahu NOx ve výfukových plynech. Zkoušení provádíme na zkušebních stanicích. V dnešní době jsou čerpadla, trysky a další komponenty v palivové soustavě řízeny elektronikou počítače, což nám umožňuje elektronickou diagnostiku motoru a odhalení závady na vozidle. V budoucnu lze očekávat, že přísné emisní limity budou výrobce tlačit k častějšímu používání elektroniky v dieselových motorech.
7. Seznam odborné literatury: 1. Dipl. Ing. Ralf Isenburg a kol.: Systém vstřikování nafty s tlakovým zásobníkem, Stuttgart, 1998 2. Dipl. Ing. Ulrich Adler a kol.: Rotační čerpadlo s radiálními pístky Stuttgart, 1998 3. Ing. Radko Sáblík : Teorie a zkoušení palivové soustavy, Praha, 1956 4. Kolektiv VÚNM a ČKD : Naftové motory čtyřdobé, Praha, 1964 5. Internetové stránky: www.motorpa.cz www.automatizace.cz
37
38
