Sistemi Za Dobavu Goriva Kod Dizel Motora

SISTEMI ZA DOBAVU GORIVA KOD DIZEL MOTORA

Ivan Filipovi, Devad Bibi, Boran Pikula


Recenzenti:

Prof. dr. Boidar Nikoli, akademik DANU

Prof. dr. Kemal Hanjali, akademik ANUBiH

Lektor: Slavko anti, knjievnik Izdava: Mainski fakultet Sarajevo

Za izdavaa: Prof. dr. Ejub Daferovi

Tira: 200 primjeraka

Godina: 2010.

tampa: GARMOND d.o.o. Sarajevo Odlukom Senata Univerziteta u Sarajevu br. 01-38-1966/10 od 14.07.2010 god. data je suglasnost da se knjiga SISTEMI ZA DOBAVU GORIVA KOD DIZEL MOTORA objavi kao univerzitetska knjiga.

CIP - Katalogizacija u publikaciji Nacionalna i univerzitetska biblioteka Bosne i Hercegovine, Sarajevo 621.436.2(075.8) FILIPOVI, Ivan Sistem za dobavu goriva kod dizel motora / Ivan Filipovi, Devad Bibi, Boran Pikula. - Sarajevo : Mainski fakultet, 2010. - 309 str. : ilustr. ; 25 cm Bibliografija: str. 291-293. ISBN 978-9958-601-28-6 1. Bibi, Devad 2. Pikula, Boran COBISS.BH-ID 18219782

UNIVERZITETSKA KNJIGA

Ivan Filipovi, Devad Bibi, Boran Pikula


Mainski fakultet u Sarajevu 2010.

I

PREDGOVOR Procesi dovoenja goriva i zraka i njihovog mijeanja u motoru sa unutarnjim izgaranjem imaju dominantan uticaj na njegove energetske, ekoloke i eksploatacione pokazatelje. U elji za postizanjem to povoljnijih ekolokih i energetskih pokazatelja motora sui, sa jedne strane, te povoljne dinaminosti vozila, sa druge strane, danas su sistemi za dovoenje goriva i zraka u motor sui nezamislivi bez sofisticiranog upravljanja, nadzora i regulacije, koritenjem modernih tehnologija iz domena elektronike, informatike i mainstva. Tako se moe rei da su sistemi za dovoenje goriva i zraka, kao i ostali sistemi na motoru sui, mehatroniki moduli koji, na osnovu izmjerenog injeninog stanja, postavljenog eljenog stanja i mogunosti sistema u datom trenutku, vre upravljanje i regulaciju procesima. Kod sistema elektronske regulacije i upravljanja dizel motorima, a prema zahtjevima koji se postavljaju pred njih, prednjai sistem za dobavu goriva. Naime, vrlo komplicirani sistem za dobavu dizel goriva, sa kvalitetnom regulacijom i upravljanjem parametrima sistema, najvie utie na ekoloke i energetske pokazatelja motora. U sinhroniziranoj regulaciji sa dovoenjem zraka u motor, sistem za dobavu goriva ima presudnu ulogu i na formu brzinskih karakteristika motora, kojima se direktno utie na dinamike karakteristike vozila. Iako je danas velika ekspanzija tzv. mehatronikih sistema za dobavu dizel goriva u odnosu na tzv. konvencionalne-mehanike sisteme, a poznavajui karakter nastanka visokog pritiska u sistemu za dobavu goriva, u pisanju ove knjige odluili smo se za objanjenje osnovnih principa rada pojedinih sistema, definisanje najvanijih karaktersitika u sistemu, kao i izlaznih karakteristika ubrizgavanja i rasprivanja goriva u cilindar motora, uz stalno naglaavanje moguih regulacionih procesa na pojedine parametre. U toku objanjavanja pojedinih procesa data su karakteristina rjeenja, kako konvencionalna, tako i ona sa elektronskom regulacijom i upravljanjem pojedinih sklopova (pumpe, brizgai, regulatori...). Za specifina rjeenja (konstrukcije), koja su karakteristina za konkretnog proizvoaa sistema, naveden je izvor rjeenja (npr. Bosch, Cummins, itd.), dok su za sva druga rjeenja, koja su postala opteprihvatljiva, izostavljeni izvori odakle su preuzeti. Materija u knjizi je izloena u deset poglavlja U prvih devet poglavlja, pored uloge i osnovnih karakteristika instalacije za ubrizgavanje dizel goriva, detaljno su analizirani konstrukcija i princip rada instalacije za dobavu goriva, kao i hidrodinamiki i dinamiki procesi u instalacijama za dobavu goriva i procesi rasprivanja goriva. Ovdje je neto detaljnije obraena i regulacija i upravljanje ubrizgavanjem dizel goriva. U okviru prvih devet poglavlja date su krae cjeline, u kojima se razmatraju ubrizgavanje alternativnih goriva kod dizel motora, metode ispitivanja sistema za ubrizgavanje i trendovi u razvoju sistema za ubrizgavanje dizel goriva. Deseto poglavlje, izdvojeno kao zasebna cjelina, posveeno je modeliranju procesa u instalacijama za napajanje gorivom dizel motora, od fizikalnih modela, matematskih modela, do razliitih numerikih rjeenja. Na kraju ovog poglavlja dati su i primjeri prorauna pojedinih parametara u sistemu ubrizgavanja sa modelom koga su kreirali autori ove knjige, od fizikalnog modela do numerikog rjeenja. Na kraju poglavlja dat je i primjer prorauna nekih parametara na brizgau sa jednim komercijalnim 3D softverom.

II

Prema svom sadraju, knjiga je namijenjena studentima tehnikih fakulteta koji se bave izuavanjima motora i vozila, kao i inenjerima koji se bave odravanjem, remontom, rekonstrukcijom i razvojem instalacija za ubrizgavanje goriva. Vei dio materije u knjizi predaje se na Mainskom fakultetu u Sarajevu studentima III godine (prvi ciklus studija) u okviru predmeta Sistemi za dobavu goriva kod motora i II godine (drugi ciklus studija) u okviru predmeta Modeliranje procesa u motorima. Ovom prilikom elimo da izrazimo svoju zahvalnost recenzentima knjige prof. dr Boidaru Nikoliu, dipl. ing., Mainski fakultet Podgorica i prof. dr Kemalu Hanjaliu, dipl. ing., Mainski fakultet Sarajevo, na vrlo korisnim savjetima i sugestijama. Takoer se zahvaljujemo asistentima Almiru Blaeviu, dipl. ing., Goranu Kepniku, dipl. ing. i saradnicima mr Muradu Deki, dipl. ing. i Tihomiru Sokoloviu el. teh, za pomo oko tehnike obrade knjige. Sarajevo, juli, 2010. Autori

III

SADRAJ I INSTALACIJE ZA NAPAJANJE GORIVOM DIZEL MOTORA..... 1 1. Uloga instalacije za napajanje gorivom dizel motora ............................... 3 2. Osnovne karakteristike instalacija za ubrizgavanje dizel goriva .......... 7

2.1 Zahtjevi............................................................................................................. 7 2.2 Osnovni razlozi rasprivanja goriva ............................................................ 9 2.3 Izlazne veliine i karakteristike .................................................................... 14 2.4 Podjela instalacija ............................................................................................ 18

3. Konstrukcija i princip rada instalacije za dobavu goriva ........................ 23

3.1 Uvod ................................................................................................................. 23 3.2 Pumpe visokog pritiska ................................................................................ 27

3.2.1 Linijska (redna) pumpa visokog pritiska ..................................... 28 3.2.2 Distribucione pumpe visokog pritiska ........................................ 58 3.2.2.1 Klipne distribucione pumpe .......................................................... 58 3.2.2.2 Rotacione klipne distribucione pumpe ........................................ 60 3.2.3 Pumpe visokog pritiska za sistem pumpa-brizga ..................... 68 3.2.4 Pumpa visokog pritiska za sistem common rail ......................... 73

3.3 Brizgai ............................................................................................................ 77 3.3.1 Koksovanje brizgaa ...................................................................... 97

3.4 Ostala oprema instalacije za dobavu goriva .............................................. 104 4. Hidrodinamiki i dinamiki procesi u instalacijama za dobavu goriva ..................................................................................................................... 119

4.1 Osnovne postavke ......................................................................................... 119 4.2 Jednaine koje opisuju procese u sistemu za ubrizgavanje goriva ......... 122 4.3 Osnove nestacionarnog strujanja fluida u cijevima malog prenika ...... 125 4.4 Karakteristike procesa u sistemu pumpa-cijev-brizga ............................ 137

4.4.1 Uvod ................................................................................................. 137 4.4.2 Karakteristika potiskivanja ............................................................ 138 4.4.3 Sprega karakteristika potiskivanje-ubrizgavanje ......................... 153 4.4.4 Karakteristika ubrizgavanja .......................................................... 156

5. Rasprivanje goriva ............................................................................................. 167

5.1 Osnovne postavke ......................................................................................... 167 5.2 Struktura mlaza goriva .................................................................................. 167

IV

5.2.1 Eksperimentalne metode za definisanje karakteristika mlaza .. 170 5.2.2 Modeliranje i proraun karakteristika mlaza ............................... 171 5.2.3 Poluempirijski izrazi za definisanje karakteristika mlaza goriva 172

6. Regulacija i upravljanje ubrizgavanjem dizel goriva ................................. 179

6.1 Uvod ................................................................................................................ 179 6.2 Mehanika regulacija i upravljanje ubrizgavanjem dizel goriva ............... 181

6.2.1 Izvedbe i naini funkcionisanja mehanikih regulatora i odgovarajuih ureaja za upravljanje procesom ubrizgavanja.. 185

6.2.1.1 Dvoreimski centrifugalni regulatori ............................................ 185 6.2.1.2 Svereimski centrifugalni regulatori .............................................. 191 6.2.2 Dodatni ureaji na sistemima dobave goriva sa mehanikim

regulatorima broja obrtaja .............................................................. 199 6.3 Pneumatska regulacija i upravljanje procesom ubrizgavanja dizel

goriva ................................................................................................................ 203 6.4 Hidraulika regulacija i upravljanje procesom ubrizgavanja dizel

goriva ................................................................................................................ 204 6.5 Elektronska regulacija i upravljanje motorom sui sa posebnim

naglaskom na proces ubrizgavanja dizel goriva ......................................... 205 6.5.1 Senzori ............................................................................................... 206 6.5.2 Elektronska upravljaka jedinica ................................................... 211 6.5.3 Dijagnostika ...................................................................................... 219

7. Instalacije za ubrizgavanje alternativnih goriva kod dizel motora........ 223 8. Ispitivanje sistema za ubrizgavanje dizel goriva ....................................... 227 9. Trendovi razvoja sistema za ubrizgavanje dizel goriva ........................... 235 II MODELIRANJE PROCESA U INSTALACIJAMA ZA NAPAJANJE GORIVOM DIZEL MOTORA ....................................................................... 243 10. Modeliranje procesa u instalacijama za napajanje gorivom dizel motora ...................................................................................................................... 245

10.1 Uvod ................................................................................................................. 245 10.2 Definisanje fizikalnog modela ...................................................................... 247

10.2.1 Fizikalni model sistema pumpa-cijev-brizga.............................. 250 10.2.2 Fizikalni model sistema common rail ........................................... 253 10.2.3 Sloeniji fizikalni model brizgaa sa automatskim otvaranjem. 255

10.3 Definisanje matematskog modela ................................................................ 256 10.3.1 Matematski model sistema ubrizgavanja goriva.......................... 258

V

10.4 Izbor numerikih metoda.............................................................................. 267 10.4.1 d'Alembert-ov pristup rjeavanju hidrodinamikih karakteristike

u cijevima ........................................................................................... 268 10.4.2 Metod karakteristika ........................................................................ 272 10.4.2.1 Strujanje goriva kroz cijev .............................................................. 274 10.4.2.2 Strujanje goriva kroz prigunicu (procjep) na cijevima.............. 275 10.4.2.3 Strujanje goriva u sklopu cijev-zapremina-cijev .......................... 277 10.4.2.4 Strujanje goriva u ravi.................................................................... 280

10.5 Definisanje linijskih i lokalnih gubitaka....................................................... 281 10.6 Primjer modeliranja strujnih procesa........................................................... 283 LITERATURA ..................................................................................................... 291 POPIS NAJEE KORITENIH OZNAKA ......................................... 295 INDEKS ................................................................................................................. 303

I INSTALACIJE ZA NAPAJANJE GORIVOM DIZEL MOTORA

3

1. ULOGA INSTALACIJE ZA NAPAJANJE GORIVOM DIZEL MOTORA Karakteristike motora sa unutarnjim izgaranjem (sui) izraavaju se preko energetskih, ekolokih i eksploatacionih pokazatelja. Ovi pokazatelji najvie zavise od procesa dovoenja goriva i zraka u motor, njihovog mijeanja, procesa zapaljenja i izgaranja smjese gorivo-zrak. Procesi dovoenja goriva i zraka u motor i njihovog mijeanja mogu se podijeliti u dvije grupe:

- procesi dovoenja i mijeanja goriva i zraka izvan prostora izgaranjatzv. spoljnja priprema smjese gorivo-zrak. (tu spadaju sistemi sa pripremom mjeavine gorivo-zrak u rasplinjau-karburatoru, sistemi ubrizgavanja goriva u usisnu cijev i sistemi ubrizgavanja goriva ispred usisnih ventila),

- procesi dovoenja i mijeanja goriva i zraka unutar prostora izgaranja tzv. unutarnja priprema smjese gorivo-zrak (tu spadaju svi dizel motori i oto motori sa direktnim ubrizgavanjem goriva).

U nastavku e biti razmatrana samo unutarnja priprema smjese gorivo-zrak kod dizel motora. Proces transformacije unutarnje energije goriva u mehaniki rad moe se najbolje prikazati slikovito po fazama, od naina dovoenja goriva i zraka, oslobaanja toplote iz smjese gorivo-zrak itd., do izlaznih efektivnih pokazatelja motora sa unutarnjim izgaranjem (sui). Na slici 1.1 prikazan je proces transformacije unutarnje energije goriva u mehaniki rad za sluaj unutarnje pripreme smjese goriva i zraka. Slika se odnosi na etverotaktne usisne dizel motore sui. Proces dovoenja goriva i zraka kod motora sa unutarnjom pripremom smjese gorivo-zrak prikazan je preko odgovarajuih karakteristika (slika 1.1). Naime, ovdje se proces dovoenja zraka, izraen u vidu karakteristike dobave zraka (KDZ), odvija u intervalu otvorenosti usisnog ventila. Karakteristika dobave zraka izraava se kao promjena mase unesenog zraka (mz) po uglu obrtanja radilice ( ) ( d/dmz ), gdje integral ovog izraza, u granicama otvorenosti ventila, predstavlja ukupno unesenu koliinu zraka u jedan cilindar za jedan radni ciklus. Uporedo sa ovim procesom odvija se priprema i dovoenje goriva u motor. Pumpa visokog pritiska poinje potiskivanje goriva u trenutku p (statiki ugao predubrizgavanja, koji nosi uobiajen naziv ugao predubrizgavanja) prije gornje mrtve take (GMT), prema karakteristici potiskivanja goriva (KP), koja je kontrolisana (oblikovana) konstruktivnim karakteristikama pumpe visokog pritiska i elektronskom kontrolom procesa potiskivanja goriva. Potisnuta koliina goriva, po zakonu date karakteristike (KP) (slika 1.1.), deformie se do ulaska u motor i u trenutku pd (tzv. dinamiki ugao predubrizgavanja) prije GMT poinje proces ubrizgavanja goriva u cilindar motora, prema karakteristici ubrizgavanja (KU) goriva datoj na slici 1.1.

1. Uloga instalacije za napajanje gorivom dizel motora

4

[KV]

[KV]

[KV]

[KV]

[KV]

M

pritisak istekompresije

pc

720

720

720

720

720

360

360

360

360

360

pc

KOT

p

pd

dQ

dm

d

KDZ

GMT

GMT

M

Mi

Me

KDZ - karakteristika dobavezraka

KP - karakteristikapotiskivanja goriva

KU - karakteristikaubrizgavanja goriva

KOT - karakteristikaoslobaanja toplote(karakteristikaizgaranja)

Promjena potencijalneenergije

Promjena mehanienergije

ke

0

0

0

0

0

i

KP KU

i

d

pa

4

0

iid

4

1M M

imeMM

Sl. 1.1 Funkcionalna povezanost procesa i karakteristika transformacije energije kod motora

sui sa "unutarnjom" pripremom smjese zrak-gorivo za etverotaktni usisni dizel motor Razlozi zakanjenja i deformacije karakteristike ubrizgavanja (KU) u odnosu na karakteristiku potiskivanja goriva (KP) bie kasnije detaljno objanjeni. Karakteristika ubrizgavanja goriva (KU) predstavlja promjenu mase ubrizganog goriva (mg) po uglu obrtanja radilice motora ( ) ( d/dm g ), njen integral, u intervalu trajanja ubrizgavanja, daje ukupno ubrizganu koliinu goriva po jednom ciklusu i cilindru, a uobiajeno se naziva

5

ciklusna dobava goriva. Karakteristika ubrizgavanja goriva i ciklusna dobava goriva najee se izraavaju u zapreminskim jedinicama umjesto masenim, kao: KV/mmq 3c - karakteristika ubrizgavanja, .cil.cikl/mmq 3c - ciklusna dobava goriva. Proces izgaranja, prikazan u vidu karakteristike oslobaanja toplote (KOT), predstavlja promjenu osloboene toplote izgaranjem (Qi) po uglu obrtanja radilice () motora d/dQi . Na slici 1.1 vidi se da je poetni dio karakteristike d/dQi manji od nule, to predstavlja period tzv. pritajenog izgaranja, odnosno period pripremnih reakcija isparavanja i izgaranja, gdje se dio toplote oduzima od okoline i predaje radnoj smjesi gorivo-zrak. Oslobaanje toplote u motoru, uslijed procesa izgaranja, ima za posljedicu poveanje pritiska u cilindru motora (pc). Na dijagramu promjene pritiska u cilindru motora oznaen je i okolni pritisak (pa). Karakter promjene pritiska, u periodu od poetka procesa izgaranja, umnogome ovisi o obliku karakteristike oslobaanja toplote. Naime, karakter promjene oslobaanja toplote u fazi burnog izgaranja, posebno njegova maksimalna vrijednost maxi d/dQ , predstavlja, sa jedne strane, mjerilo buke od izgaranja, a sa druge strane definira karakter porasta i dobivanja maksimalnog pritiska u cilindru motora. Tok pritiska u cilindru motora (pc), izraen preko sile gasova koja djeluje na klip, transformiran je u obrtni moment iM na radilici motora. Ovaj moment predstavlja trenutnu vrijednost indiciranog obrtnog momenta motora, a njegova osrednjena vrijednost za jedan ciklus predstavlja srednju vrijednost indiciranog obrtnog momenta motora (Mi). Ako se od momenta (Mi) oduzmu gubici koji se odnose na mehanike gubitke trenja i gubitke pogona pomonih agregata na samom motoru, dobije se vrijednost srednjeg efektivnog obrtnog momenta (Me) na izlazu iz motora. Gubici trenja i gubici pogona pomonih agregata su izraeni u vidu mehanikog stepena koristi ( m ). Na taj nain se dolazi do efektivnih pokazatelja motora (snaga motora, obrtni moment, itd.). S obzirom da su na slici 1.1 prikazani parametri za jedan cilindar motora, uzimajui u obzir redoslijed paljenja u cilindrima viecilindrinih motora, mogu se za proizvoljan broj cilindara motora definirati izlazni-efektivni pokazatelji motora na spojnici. Izmeu pomenutih procesa prikazanih na slici 1.1, postoji odreena zavisnost, pri emu nain i tok dovoenja goriva i zraka i nain zapaljenja smjese gorivo-zrak imaju znaajan uticaj na tok izgaranja i, konano, na energetske, ekoloke i eksploatacione pokazatelje motora. Ova injenica uslovljava rad i konstrukciju instalacije za dobavu i neposredno dovoenje goriva u motor. U odnosu na osnovnu koncepciju, konstrukciju i rad, instalacija za dobavu goriva mora da zadovolji sljedee zahtjeve:

1. Na svim reimima rada motora instalacija treba da obezbijedi: - ekonominu transformaciju hemijske energije goriva u mehaniki rad; - nisku koncentraciju kodljivih produkata u izduvnim gasovima, - nisku emisiju buke od izgaranja;

2. Da ima pogodnu regulaciju dobave goriva na svim brzinskim reimima i reimima optereenja motora, uz obezbjeenje stabilnog rada motora, ukljuujui i prazan hod;

1. Uloga instalacije za napajanje gorivom dizel motora

6

3. Da zajedno sa ostalim ureajima na motoru obezbjeuje sigurno startovanje motora u svim okolnim uslovima;

4. Da obezbjeuje odgovarajue praenje toka dobave i koliine goriva na promjenljivim reimima rada motora, s ciljem postizanja eljenih statikih i dinamikih karakteristika motora;

5. Da obezbjeuje uniformnost dobave goriva po cilindrima viecilindrinih motora; 6. Da ima nizak nivo mehanikih i termikih optereenja i razumno dugi vijek

motora i instalacije za dobavu goriva; 7. Treba da je jednostavna i kompaktna, sa visokim nivoom pouzdanosti; 8. Treba da ima to jednostavnije opsluivanje i razumnu cijenu izrade.

Obezbjeenje naprijed pomenutih zahtjeva, s obzirom na sve stroije kriterije za energetske i ekoloke parametre motora, postaje sve komplikovanije. Zbog ovoga se u razvoju savremenih instalacija za dobavu goriva sve vie koristi elektronika. U nastavku e, pored osnovnih principa rada i konstrukcije konvencionalnih sistema za dobavu goriva, biti date i osnovne smjernice i pravci razvoja savremenih instalacija za dovoenje i ubrizgavanje goriva u motor.

7

2. OSNOVNE KARAKTERISTIKE INSTALACIJA ZA UBRIZGAVANJE DIZEL GORIVA

Instalacije za ubrizgavanje goriva (dizel gorivo, biodizel, mjeavine dizel i biodizel goriva) kod dizel motora imaju kljunu ulogu u procesu formiranja radne smjese gorivo-zrak i njenog izgaranja, to najdirektnije utie na ekonominost motora sui i emisiju zagaujuih materija u izduvnim gasovima. Zbog toga je za instalaciju ubrizgavanja goriva vano definisati:

- osnovne zahtjeve koje instalacija mora da zadovolji na motoru; - karakteristike rasprivanja i mijeanja goriva sa zrakom u prostoru izgaranja, koje

ostvaruje instalacija i - izlazne veliine (karakteristike) koje instalacija za ubrizgavanje moe ostvariti.

Vano je poznavanje i razliitih vrsta instalacija za ubrizgavanje goriva, koje mogu da zadovolje eljene karakteristike. Zbog toga e ovdje biti data i detaljna podjela instalacija za ubrizgavanje goriva kod dizel motora. U nastavku e, pored najvanijih integralnih karakteristika instalacija za ubrizgavanje goriva, kroz princip rada i funkciju pojedinih sklopova, biti detaljno objanjene sve hidrodinamike i dinamike karakteristike koje su svojstvene za neku instalaciju za dobavu goriva. 2.1 Zahtjevi Izlazni parametri motora, izraeni u formi efektivnih pokazatelja: snage (Pe); obrtnog momenta (Me); asovne potronje goriva (Gh); efektivnog stepena korisnosti (e), itd., predstavljaju najvanije energetske pokazatelje motora. Posebno interesantan je parametar efektivnog obrtnog momenta (Me), kao i njegova promjena sa promjenom brzinskog reima rada, odnosno broja obrtaja motora (n). Naime, veliina efektivnog obrtnog momenta, osim apsolutnih vrijednosti, svojim karakterom odraava "elastinost" momentne karakteristike i ima presudan uticaj na dinamike parametre motornog vozila. Veliina efektivnog obrtnog momenta (Me) motora moe se izraziti kao:

e1e

e pCPM , (2.1)

a srednji efektivni pritisak (pe) moe se napisati, koristei poznate relacije izmeu pokazatelja motora, za razumne granice ekvivalentnog odnosa zraka (), kao:

2. Osnovne karakteristike instalacija za ubrizgavanje dizel goriva

8

1CqCp e3ce2e , (2.2)

gdje su C1, C2 i C3 konstante.

Iz izraza (2.1) i (2.2) vidi se da karakter efektivnog obrtnog momenta motora (Me), u funkciji brzinskog reima rada (n), najvie zavisi od karaktera ciklusne dobave goriva (qc), koja se najee izraava u [mm3/cikl.cil.]. Ciklusna dobava goriva je jedan od osnovnih i najvanijih parametara instalacije za ubrizgavanje goriva. Pored ovog, na izlazne karakteristike motora utiu i drugi parametri sistema za ubrizgavanje, kao to su: poetak i trajanje procesa ubrizgavanja, karakter promjene ubrizgane koliine goriva po uglu obrtanja radilice motora, raspored i veliina kapljica goriva u komori izgaranja. Ovi parametri su u izrazu (2.2) predstavljeni kroz efektivni stepen korisnosti motora (e). Naprijed pomenuti uslovi, koje treba da ispunjavaju savremeni motori sui, zahtijevaju od instalacija za ubrizgavanje goriva na dizel motorima:

1. Tano definisanu koliinu ubrizganog goriva za jedan radni ciklus i njenu stabilnu periodinost, sa mogunou odgovarajue promjene shodno promjeni reima rada motora;

2. Ubrizgavanje goriva u odreenom trenutku, u odgovarajuem trajanju i po zadatom zakonu;

3. Raspored i disperziju goriva po zapremini komore koja obezbjeuje to potpunije uee zraka pri izgaranju, uz povoljne pokazatelje ciklusa;

4. Hidrodinamiku uniformnost s ciljem obezbjeenja identine radne smjese po komorama viecilindrinih motora;

5. Regulaciju brzinskih karakteristika ubrizganih koliina goriva u zavisnosti od eljenih karakteristika obrtnog momenta motora i

6. Obezbjeenje potrebne koliine goriva za startovanje motora, stabilan prazan hod i ogranienje maksimalnog broja obrtaja rastereenog motora.

Pomenuti zahtjevi se komplikuju zbog:

a) Vrlo kratkog ukupnog trajanja ubrizgavanja. Zavisno od veliine motora i reima rada, vrijeme trajanja ubrizgavanja iznosi za brzohodne dizel motore svega

4105 2101 s; b) Malih ubrizganih koliina goriva po ciklusu (brzohodni motori razne veliine i

reimi rada 10 250 mm3/cikl. cil.), uz relativno veliki odnos promjene sa praznog hoda na puno optereenje (1:5);

c) Uvoenja tzv. dvostepenog ubrizgavanja gore pomenutih koliina goriva, unesenih u istom vremenskom intervalu, sa jasnim prekidom procesa ubrizgavanja nakon prve porcije ubrizganog goriva veliine od 5 10 % od ukupno unesene koliine goriva po ciklusu i cilindru;

d) Visokih mehanikih optereenja (pritisci u gorivu su od 400 2500 bar) i visokih temperatura brizgaa;

e) Brzih promjena pritiska i pojava koje prate nestacionarno strujanje fluida i

2.1 Zahtjevi

9

f) Promjenljivih priguenja uslovljenih kretanjem elemenata koji reguliu protone presjeke.

Naprijed pomenuti zahtjevi koji se postavljaju pred instalaciju za ubrizgavanje dizel goriva, kao i parametri koje instalacija treba da ostvari, zahtijevaju vrlo intenzivan razvoj svih segmenata instalacije za ubrizgavanje. Dananji nivo razvoja pokazuje da instalacija za ubrizgavanje goriva sve vie postaje jedan sloeni mehatroniki sistem. 2.2 Osnovni razlozi rasprivanja goriva Ubrizgavanje pod visokim pritiskom dovodi do rasprivanja goriva i njegove penetracije u vidu mlaza u prostor izgaranja. Znaajan broj energetskih ureaja i maina koristi ovaj nain dovoenja goriva u prostor izgaranja, bilo da se radi o kontinuiranom ili ciklinom dovoenju goriva. Kod motora sui radi se o ciklinom dovoenju goriva u prostor izgaranja. Zavisno od oblika komore izgaranja i ostalih graninih uslova za prostor izgaranja, u principu postoje dva naina dovoenja goriva u prostor izgaranja.:

- zapreminski nain dovoenja goriva u prostor izgaranja (slika 2.1 a)) i - nanoenje goriva u vidu tankog filma na zid komore izgaranja i stvaranje smjese

gorivo-zrak putem isparavanja goriva (tzv. M-proces) (slika 2.1 b)).

a) prostorno formiranje smjese gorivo-zrak

b) M-postupak ubrizgavanja

Sl. 2.1 Nain dovoenja goriva u prostor izgaranja

esto je nemogue tano izvriti podjelu prema nabrojanim nainima dovoenja goriva u motor, naroito kod manjih dimenzija komora za izgaranje, gdje uvijek postoji dio goriva koji se nanosi na zid radnog prostora. U svakom sluaju mogu se navesti sljedei osnovni razlozi rasprivanja goriva:


10

a) uveanje njegove kontaktne povrine radi ubrzanja izmjene toplote i mase; b) homogenizacija makroraspodjele u komori za izgaranje, radi regulisanja brzine

oslobaanja toplote (izgaranja), c) organizovana nehomogena raspodjela goriva u komori izgaranja, radi

kontrolisanog zapaljenja i izgaranja tako nastale smjese gorivo-zrak. Izgled mlaza goriva, koji se ubrizgava u mirnu sredinu, sa osnovnim karakteristikama dat je na slici 2.2. Osnovne karakteristike mlaza su: domet mlaza (Xm); ugao irenja mlaza (m); zona neprekinutog mlaza goriva (Xb) i veliine kapljica goriva, koje se najee izraavaju preko srednjeg Sauter-ovog prenika (d32). Najvaniji parametri koji utiu na formiranje smjese gorivo-zrak kod dizel motora sa direktnim ubrizgavanjem goriva u prostoru izgaranja su:

- pritisak ubrizgavanja; - pravac i smjer mlaza goriva relativno u odnosu na kretanje zraka; - poetak, trajanje i oblik karakteristike ubrizgavanja; - kvalitet rasprivanja (atomizacija goriva); - ekvivalentni odnos zraka (); - intenzitet zranog vrtloga u prostoru izgaranja i - pritisak i temperatura sredine u koju se vri ubrizgavanje.

xb

xm

m

brizga

Sl. 2.2 Izgled mlaza goriva u mirnoj sredini

Sve ove parametre treba posmatrati u prostoru i vremenu, zavisno od reima optereenja i brzinskog reima rada motora. Po pravilu, sve gore navedene veliine treba tako optimirati za dati motor, da se u cijelom radnom podruju dobije dobar kompromis izmeu potronje goriva, emisije zagaujuih materija u izduvu, buke od izgaranja, mehanikog i toplotnog optereenja komponenata motora. Posmatrajui vremensko-prostornu historiju formiranja smjese gorivo-zrak kod motora razliitih dimenzija i snaga, motori se mogu grupisati prema uticajnim veliinama na formiranje smjese, i to:

- motori kod kojih dominantnu ulogu u formiranju smjese igra mlaz goriva (veliki motori) i

- motori kod kojih na formiranje smjese znaajno utie mlaz goriva i vrtlog zraka (srednji i manji motori).

Primjer ubrizgavanja goriva, gdje na procese stvaranja smjese gorivo-zrak dominantan uticaj ima energija goriva, vidi se na slici 2.3. Ovdje je vrtlono kretanje zraka relativno malo.

2.3 Izlazne veliine i karakteristike

11

Sl. 2.3 Primjer ubrizgavanja goriva u sredinu sa vrlo malim brzinama kretanja zraka Sluaj znaajnog uticaja kretanja zraka na proces formiranja smjese gorivo-zrak dat je na slici 2.4. U ovim sluajevima najee se, sa jedne strane, odgovarajuim konstruktivnim formama usisnog kanala (slika 2.4 desno), uvodi vrtlono kretanje zraka, uz istovremeno prisustvo radijalnog kretanja zraka izazvanog kretanjem klipa i konstruktivnom formom ela klipa i komore izgaranja, sa druge strane. Intenzitet i smjer kretanja zraka pri ovakvom strujanju ima jak uticaj na formiranje smjese goriva i zraka.

Sl. 2.4 Uticaj kretanja zraka na formiranje smjese zrak-gorivo Vanost "kvalitetnog" rasprivanja goriva najlake je opisati kroz promatranje izolovane kapljice goriva, iji oblik zavisi od uslova kretanja (aerodinamika forma). Ako se kapljica uproteno promatra kao lopta prenika (d), onda se mogu napisati jednaine za: - zagrijavanje jedne kapljice

TTdNTTddtdTc6d u2pr3 , (2.3)

gdje se integraljenjem jednaine (2.3) dobije potrebno vrijeme za zagrijavanje jedne kapljice


12

goriva (tzg) od poetne temperature (T0, za trenutak t = 0), do ravnotene temperature isparavanja (Tis) (pojam nije sasvim podesan za viekomponentna goriva), pri temperaturi okruenja T , kao:

2

is

0

uzg dTT

TTlnN6ct

; (2.4)

- isparavanje i izgaranje jedne kapljice od prenika d0 (pri t=0) do vrijednosti prenika (d)

u trenutku vremena (t):

tKdd p22

0 , (2.5)

gdje konstanta pK predstavlja konstantu isparavanja isp KK u fazi isparavanja i konstantu izgaranja ip KK u toku procesa izgaranja kapljice goriva. Specifina gustina ( ) i specifina toplota (c) zavise od hemijskog sastava kapljice goriva, a koeficijent provoenja toplote ( ), koeficijent prenosa toplote ( pr ) i Nusselt-ov broj ( /dN pru ) zavise od hemijskog sastava kapljice i osobina sredine koja okruuje kapljicu. Iz ovih jednaina jasno se vidi da je vrijeme zagrijavanja, vrijeme isparavanja i vrijeme izgaranja kapljice goriva proporcionalno kvadratu prenika kapljice, to govori o vanosti procesa ubrizgavanja i dobivanja to homogenije raspodjele kapljica sa malim prenicima. Ako se malo bolje analizira struktura procesa koji se odvijaju u motoru, od trenutka poetka ubrizgavanja goriva do kraja izgaranja, to se vidi na slici 2.5, onda se d uoiti da je struktura mlaza ubrizganog goriva vrlo sloena i ne moe se pokazati samo prenikom kapljica, dometom mlaza i uglom irenja mlaza. Ovdje, takoer, treba stalno imati u vidu fizikalnu i hemijsku strukturu mlaza rasprenog goriva, kao i njegovu promjenu tokom procesa formiranja smjese gorivo-zrak, procesa predplamenih reakcija i procesa izgaranja. Pod fizikalnom strukturom podrazumijeva se dimenzionalna i brzinska distribucija kapljica goriva ili, drugim rijeima, u svakom trenutku vremena i presjeku mlaza poznat je broj kapljica, njihove dimenzije i raspored, trenutne brzine i trajektorije. Mlaz nije homogen u odnosu na fizikalnu strukturu, ali kod viekomponentnih goriva ni u odnosu na hemijsku. Ugljovodonina goriva (dizel gorivo, biodizel, RME) sastoje se od itavog niza komponenti koje imaju razne temperature isparavanja za isti pritisak sredine, razne temperature krekovanja tene faze, kao i razliite kritine take zapaljenja. Rasprene kapljice goriva (ili njihove pare) prelaze, u radnom prostoru motora, zone promjenljive temperature, pritiska, relativne brzine u odnosu na okolni gas, koncentracije oksidanata, produkata potpunog, nepotpunog ili djelominog izgaranja i termikog razlaganja. Oigledno je, iz gore izloenog, da strukture mlaza (fizikalna i hemijska) i njegova forma nisu definisane samo poetnim uslovima, ve i uslovima okoline, tj. strukturom sredine u koju se mlaz ubrizgava (nehomogena polja temperature i pritiska i njihove promjene sa vremenom, intenzitet i smjer brzine vrelog gasa, turbulentni efekti


13

itd.). Posmatrajui npr. samo lokalni ekvivalentni odnos zraka () po presjeku mlaza, moe se utvrditi njegova promjena kako u prostoru, tako i u vremenu.

- Raspadanje mlazaubrizganog goriva

- Mije

- Isparavnaje goriva

- Mije

anje kapljicagoriva i zraka

anje paragoriva i zraka

- Zagrijavanje smjese

Fiziko zakanjenjepalenja

Hemijsko zakanjenjepalenja

Zakanjenje palenja

- Procesi potpunog inepotpunog izgaranjasa prisustvom i kinetskogi difuzijskog plamena

- Procesi dogorijevanja

- Predplamene reakcije(hladni plamen),oksidacija, krekovanjegoriva,

- Lokalni proceszapaljenja

GORIVO ZRAK

PRIPREMASMJESE

SAMOPALENJE IZGARANJE

- ProduktipotpunogizgaranjaCO2 2

2 2 2

, H O, NO,NO , N , O .

- ProduktinepotpunogizgaranjaH , CO, C H ,

.2 x y

estice

Sl. 2.5 Strukturna ema procesa pripreme gorivo-zrak i izgaranja u dizel motoru Na slici 2.6 i slici 2.7 dati su primjeri strukture ekvivalentnog odnosa zraka () po presjeku mlaza, u jednom trenutku vremena, za ubrizgavanje mlaza u mirnu sredinu (slika 2.6) i ubrizgavanje mlaza u prostor izgaranja (slika 2.7).

brizga

Sl. 2.6 Struktura ubrizganog mlaza goriva u mirnu sredinu

Sl. 2.7 Struktura mlaza ubrizganog goriva u prostor izgaranja

Poetni uslovi, definisani sistemom za ubrizgavanje goriva, samo su jedan faktor koji utie na karakteristike mlaza rasprenih kapljica, dok su drugi odreeni nainom stvaranja gorive smjese i uslova koji vladaju u radnom prostoru motora. Sa druge strane, tip radnog prostora (komore za izgaranje), u zavisnosti od naina stvaranja smjese i reima rada motora, postavlja odreene zahtjeve u odnosu na geometrijsku formu i strukturu mlaza. Iz


14

svega naprijed reenog moe se vidjeti vanost procesa rasprivanja goriva za rad motora sui, kao i uloga instalacije za dovoenje goriva u motor, iji je uticaj dominantan na karakteristike mlaza goriva.

2.3 Izlazne veliine i karakteristike Uslovi rada motora, osim usvojenim termodinamikim ciklusom, konstrukcijom radnog prostora i cjelokupnog motora, definisani su i izlaznim veliinama instalacije za dovod zraka i instalacije za dovod goriva. Procesom izmjene radne materije definisano je stanje fluida u cilindru na poeku takta sabijanja. Proces ubrizgavanja goriva i rad instalacije za dovoenje goriva u cjelini moe se okarakterisati nizom izlaznih veliina i njihovim zavisnostima. One e biti detaljno posmatrane u toku daljnjeg izlaganja, ali su ovdje definisane neke najvanije. Zavisnost koliine ubrizganog goriva od ugla koljenastog (bregastog) vratila (ili vremena) u toku jednog radnog ciklusa naziva se karakteristika ubrizgavanja (KU) ili zakon ubrizgavanja ( cq ). Uticaj vremenske (ugaone) raspodjele ubrizgane koliine goriva, tj. forme karakteristike ubrizgavanja i njene trenutne vrijednosti na tok izgaranja i parametre radnog ciklusa, je znatan i ona treba da se odabere prema nainu stvaranja smjese i ostalim pokazateljima motora. Problematika ostvarenja eljene karakteristike ubrizgavanja pomou instalacija za ubrizgavanje raznih konstrukcija detaljno je analizirana u daljnjem tekstu, pogotovo sa aspekta njenog prilagoavanja zahtjevima brzohodnih dizel motora. Karakteristine veliine instalacije za dovod goriva do motora mogu se izraziti preko:

- pritiska goriva u svim segmentima instalacije, u funkciji vremena, odnosno ugla obrtanja bregastog vratila pumpe visokog pritiska;

- hoda klipa rasteretnog ventila i igle brizgaa u funkciji vremena; - brzine goriva u instalaciji u funkciji vremena, odnosno ugla obrtanja bregastog vratila; - efektivnih protonih presjeka na usisno-prelivnim otvorima na kouljici pumpe

visokog pritiska, rasteretnom ventilu i brizgau; - stvarnog poetka ubrizgavanja izraenog ugaonim intervalom prije GMT; - vremena trajanja ubrizgavanja; - promjene ubrizgane koliine goriva, po uglu obrtanja bregastog vratila ili jedinici

vremena (karakteristika ubrizgavanja) i - karakteristinih veliina mlaza goriva ubrizganog u cilindar motora (domet mlaza,

ugao irenja mlaza, dimenzije kapljica u mlazu goriva, fizikalna i hemijska homogenost strukture mlaza kako po vremenu, tako i prostoru).

Naprijed nabrojane karakteristine veliine instalacija za ubrizgavanje goriva kod dizel motora mogu se sumirati kroz dva parametra: karakteristiku ubrizgavanja i karakter rasprivanja goriva. Posebno mjesto danas zauzima karakteristika ubrizgavanja, na koju se moe presudno uticati primjenom elektronike u instalacijama za ubrizgavanje. Danas se masovno primjenjuje ubrizgavanje u dva dijela (dvostepeno ubrizgavanje), a kod nekih motora primjenjuje se ubrizgavanje goriva iz tri (trostepeno ubrizgavanje) i vie dijelova. Ovo e biti detaljno objanjeno kod analize karakteristike ubrizgavanja.


15

Integralna vrijednost karakteristike ubrizgavanja je ukupna koliina (masa ili zapremina) goriva koja se u toku jednog ciklusa ubrizga u cilindar. U toku ovih izlaganja, zbog kratkoe, za ovaj pojam koristi se izraz ciklusna dobava goriva ili ciklusno doziranje. Izraava se u vidu mase goriva (mg) po ciklusu i cilindru (npr. [g/cikl.cil.]) ili u vidu zapremine goriva (qc) po ciklusu i cilindru (npr. [mm3/cikl.cil.]). Veliina ciklusne dobave goriva neposredno zavisi od zahtijevanih efektivnih pokazatelja motora za datu vrijednost ekvivalentnog odnosa zraka ()i stanja zraka ispred ulaznih otvora kod usisnog ventila motora sui (pk, Tk). Koristei poznate meusobne relacije pokazatelja radnog ciklusa motora sui, moe se odrediti ciklusna dobava goriva (qc) na sljedei nain. Efektivna snaga motora (Pe) rauna se, za poznatu hodnu zapreminu (Vh) i broj obrtaja motora (n), preko izraza:

nVp2P hee , (2.6)

gdje je: - taktnost motora, pe - srednji efektivni pritisak u cilindru motora. Efektivna specifina potronja goriva (ge) moe se dobiti na osnovu definicije ekvivalentnog odnosa zraka (), koji se definie kao odnos stvarnog masenog protoka zraka ( zsm ) i teoretski potrebnog masenog protoka zraka ( ztm ) za izgaranje iste koliine goriva, odnosno:

eeo

kuvh

oh

kvh

zt

zsPgl

n2VlG

n2Vmm

eeo

kuv

eheo

kuvhpglnpV2gl

n2V

(2.7) odakle je vrijednost efektivne specifine potronje goriva:

eo

kuve plg

, (2.8) gdje je: v - zapreminski stepen punjenja cilindara motora; ku - gustina zraka na usisu u motor za pritisak (pku) i temperaturu (Tku) zraka,

lo - stehiometrijski odnos zraka-gorivo (teoretski potrebna koliina zraka za izgaranje 1 kg goriva).

Masena potronja goriva u jedinici vremena (Gh) moe se izraziti kao:

eeh gPG . (2.9)


16

Koristei ove relacije moe se odrediti masa goriva po ciklusu kao:

n2gP

n2Gm eeh

'g

, (2.10) kao i zapreminska ciklusna dobava goriva:

n2gP

q ee'c . (2.11)

Koliina goriva po ciklusu i cilindru, za viecilindrine motore sa brojem cilindara ic, izraena maseno (mg) i zapreminski (qc), rauna se kao:

c'gg i/mm (2.12)

c'cc i/qq . (2.13)

Na osnovu svega naprijed reenog moe se napisati izraz za ciklusnu dobavu goriva po jedinici hodne zapremine motora (Vh) i ciklusu kao:

,TRp

llVq

kuu

ku

o

v

o

kuv

h

c

(2.14) gdje je Ru - gasna konstanta zraka na ulazu u motor. Izraz (2.14) predstavlja odnos ubrizgane koliine goriva po jedinici hodne zapremine motora i zavisi od zapreminskog stepena punjenja ( v ) i ekvivalentnog odnosa zraka ( ). S obzirom da su vrijednosti parametara v i poznate, moe se priblino, za datu vrijednost hodne zapremine motora i parametara stanja zraka ispred usisnog ventila (pku, Tku), odrediti ciklusna dobava goriva ( cq ). Vremenska stabilnost procesa ubrizgavanja, tj. stabilnost svih njegovih izlaznih veliina koje ga karakteriu od ciklusa do ciklusa, odnosno u toku dueg vremenskog intervala, sljedea je vana karakteristika instalacije za ubrizgavanje goriva. Najei termin za ciklusnu stabilnost procesa ubrizgavanja je vremenska (ciklusna) ravnomjernost, odnosno neravnomjernost. Ciklusna neravnomjernost je vrlo esto definisana stabilnou ciklusnih dobava goriva u toku sukcesivnih ciklusa. Odreivanjem ciklusnih dobava goriva u odreenom vremenskom intervalu i uporeenjem njenih maksimalnih (qc, max) i minimalnih (qc, min) vrijednosti moe se definisati stepen vremenske, odnosno ciklusne stabilnosti sljedeim izrazom:


17

%100qqqq

2min,cmax,c

min,cmax,cqc

. (2.15) Za rad motora u njegovom radnom podruju vane su sljedee karakteristike:

- Brzinska karakteristika, koja pokazuje zavisnost ciklusne dobave goriva (qc) pojedinog cilindra, odnosno pojedine sekcije pumpe visokog pritiska od brzine obrtanja vratila pumpe (np) ili brzine obrtanja koljenastog vratila motora (n), pri nepromijenjenom poloaju regulacionog organa. Ona je vana za podeavanje koliine ubrizganog goriva po ciklusu (poloaja regulacione poluge),

- Karakteristika optereenja, koja pokazuje zavisnost ciklusne dobave goriva od poloaja regulacione poluge pri nepromijenjenom broju obrtaja vratila pumpe (np = const.).

Za viecilindrine motore vaan kriterij za ocjenu kvaliteta konstrukcije, tehnologije izrade pojedinih elemenata i dijelova, kao i cjelokupne instalacije za ubrizgavanje goriva, je ujednaenost procesa ubrizgavanja, odnosno njegovih izlaznih veliina s obzirom na pojedine cilindre, sekcije pumpe visokog pritiska, brizgae i druge dijelove instalacije. Ovaj kriterij je dobio naziv geometrijska neujednaenost, odnosno neravnomjernost izlaznih veliina procesa ubrizgavanja po cilindrima (sekcijama pumpe visokog pritiska). Za razliku od ciklusne neravnomjernosti, u ovom sluaju se pri vrednovanju geometrijske neravnomjernosti uporeuju srednje vrijednosti definisane u prethodno odreenom vremenskom intervalu. U praksi se za analizu najee koristi geometrijska neravnomjernost ciklusnih dobava goriva, definisana preko stepena neujednaenosti:

%100)j(q)i(q)j(q)i(q2mincmaxc

mincmaxc

, (2.16)

gdje se ciklusne dobave qc (i) i qc (j) (i j) odnose na pojedine cilindre (i, j) viecilindrinog motora, sekcije viesekcijske pumpe visokog pritiska, brizgae koji pripadaju istom motoru i dr., sa maksimalnom i minimalnom dobavom. Za definisanje stepena ciklusne i geometrijske neujednaenosti postoji i niz drugih kriterija. Kao primjer, navodi se definicija koeficijenta varijacije, koji je statistika veliina i koji, isto tako, daje vrlo objektivnu ocjenu za neujednaenost:

c

q

qc

, (2.17) gdje je:

cq - standardna devijacija ciklusnih dobava (ili druge izlazne veliine), cq - aritmetika srednja vrijednost ciklusnih dobava (ili druge izlazne

veliine).


18

U nastavku, na slici 2.8, date su brzinske karakteristike stepena neujednaenosti ( ) i koeficijenta varijacije ( ), kao i brzinske karakteristike ciklusne dobave ( cq ) po sekcijama (I, II, ..., VI) za jedan konkretan primjer instalacije za dobavu goriva za srednje

brzohodni estocilindrini dizel motor u funkciji broja okretaja pumpe (np). Instalacija za dobavu goriva je sistem pumpa-cijev-brizga, sa mehanikim pogonom pumpe. Snimanje karakteristika je raeno na samom motoru (tzv. motorski uslovi rada). Dobivene vrijednosti stepena neujednaenosti su dosta visoke, iz razloga nepodeenosti sistema za ubrizgavanje i snimanja u motorskim uslovima. Inae, podeeni sistemi ubrizgavanja, sa snimanjima na probnom stolu za sistem ubrizgavanja, daju daleko manje stepene neujednaenosti ciklusnih dobava goriva, kao i ostalih parametara sistema ubrizgavanja. Stepeni neujednaenosti najvanijih parametara sistema ubrizgavanja goriva definiu se standardima. Spomenuti standardi moraju biti ispotovani, kako bi se dobili zadovoljavajui energetski, ekoloki i eksploatacioni parametri motora sui.

.cil.cikl

mm

q

3

c

n [min ]p-1

IV

V

II

III

I

VI

[%]

[%]

110

500 600 700 800 900 10001050

108

106

104

102

100

98

96

12

10 4

5

8 3

6 2

Sl. 2.8 Brzinske karakteristike ciklusnih dobava (qc) po pojedinim cilindrima dizel- motora, stepena neujednaenosti () i koeficijenta varijacije ( ), snimljene u simuliranim uslovima rada motora

2.4 Podjela instalacija Podjelu instalacija za ubrizgavanje goriva mogue je izvriti sa razliitih aspekata (prema vrsti pogona, prema regulaciji ubrizganih koliina goriva, prema konstruktivnim karakteristikama, itd.). U nastavku e biti date podjele instalacija koje su najprisutnije kod cestovnih vozila sa dizel motorima. Prema vrsti pogona i nainu ostvarenja visokog pritiska sistemi ubrizgavanja se dijele na:

a) Sisteme neposrednog dejstva i b) Akumulacione sisteme.

2.4 Podjela instalacija

19

U grupi sistema neposrednog dejstva najee se susreu sistemi sa mehanikim pogonom pumpe za gorivo. Tu spadaju:

1. Konvencionalni sistemi pumpa-cijev-brizga: - sa pojedinanim sekcijama pumpe u liniji; - sa sekcijama u monobloku; - sa distribucionom pumpom jednoklipnom; - sa distribucionom rotacionom pumpom.

2. Konvencionalni sistem pumpa-brizga. 3. Sistemi pumpa-cijev-brizga sa elektronskom kontrolom:

- linijske pumpe (sekcijske i monoblok), - distribucione pumpe (jednoklipne i dvoklipne-rotacione).

4. Sistem pumpa-brizga sa elektronskom kontrolom. Umjesto detaljnijeg opisa naprijed pomenutih instalacija, u nastavku e biti prikazane funkcionalne eme nekih od gore pomenutih sistema, koji su opremljeni sa ureajima za elektronsku kontrolu procesa ubrizgavanja. Na slici 2.9 i slici 2.10 date su funkcionalne eme sistema za dobavu goriva tipa pumpa-cijev-brizga. Na slici 2.9 prikazana je jedna sekcija pumpe visokog pritiska sa cijevi visokog pritiska i odgovarajuim brizgaem, dok je na slici 2.10 data jedna distribuciona rotaciona radijalna dvoklipna pumpa visokog pritiska, sa cijevima visokog pritiska i brizgaima. Ova dva sistema su data sa elektronskom kontrolom parametara ubrizgavanja.

1

3

28 9

6

4

5

7

10

2

3

4

5

1

6

1 - brizga, 2 - cijev visokog pritiska, 3 - elektromagnetni ventil, 4 - radijalni klipovi, 5 - kuite, 6 - valji, 7 - regulacioni mehanizam poetka potiskivanja goriva, 8 -upravljaki prorez, 9 - prostor visokog pritiska, 10 -mlaz goriva.

Sl. 2.9 Funkcionalna ema sistema pumpa-cijev-brizga sa elektronskom kontrolom i sekcijskom pumpom visokog pritiska

Sl. 2.10. Funkcionalna ema sistema pumpa-cijev-brizga sa radialnom rotacionom distribucionom pumpom visokog pritiska i elektronskom kontrolom

1 - brizga, 2 - cijev visokog

pritiska, 3 - elektromagnetni

ventil, 4 - klip pumpe

visokog pritiska, 5 - bregasto vratilo, 6 - mlaz goriva.


20

Funkcionalna ema sistema za dobavu goriva tipa pumpa-brizga, sa elektronskom kontrolom parametara ubrizgavanja, sa oznaenim osnovnim komponentama, data je na slici 2.11. U akumulacione sisteme spadaju:

1. Sistemi sa hidraulikim akumulatorom; 2. Sistemi sa pneumatskim akumulatorom; 3. Sistemi sa oprunim akumulatorom.

iroku primjenu kod motora sui danas ima akumulacioni sistem sa hidraulikim akumulatorom, pod opteprihvaenim nazivom sistem common rail. Na slici 2.12. prikazana je funkcionalna ema sistema common-rail, sa elektronskom kontrolom na brizgau. Na emi nije istaknuta elektronska kontrola stanja u zbirnoj cijevi (common rail-u), iako se primjenjuje. Ovo e kasnije biti detaljno objanjeno.

5 4

2

3

7

8

1

6

preliv

Sl. 2.11 Funkcionalna ema sistema pumpa- -brizga sa elektronskom kontrolom

Sl. 2.12 Funkcionalna ema sistema common rail

Pored naprijed pomenutih, postoje i razliite druge forme sistema za dobavu goriva, koji su primjenjivani s razliitim uspjehom. To su, npr.:

- Konvencionalni sistemi ubrizgavanja sa elektronskom regulacijom parametara ubrizgavanja (ugla predubrizgavanja, trajanja ubrizgavanja, itd.);

- Elektronski sistemi ubrizgavanja sa direktnom predajom energije u toku ubrizgavanja (UFIS, HELIOS, itd.), koji su primjenjivani s malim uspjehom zbog

1 - brizga, 2 - kuite, 3 - elektromagnetni ventil, 4 - klip pumpe visokog pritiska, 5 - bregasto vratilo, 6 - klackalica, 7 - mlaz goriva.

1 - brizga,2 - cijev visokog pritiska, 3 - elektromagnetni ventil, 4 - common rail, 5 - dobavna (visokotlana) pumpa, 6 - mlaz goriva, 7, 8 - prigunice.

2.4 Podjela instalacija

21

visokih optereenja i visokih cijena; - Moderni elektronski sistemi akumulatorskog tipa (SFIT, Servojet), podesni za

visokotlano ubrizgavanje, itd. Nadalje, instalacije za dobavu goriva dijele se i prema nainu regulacije ubrizganog goriva po jednom ciklusu i cilindru. Tu spadaju:

- Regulacija ubrizgane koliine goriva pomou samog sistema (prema poetku ubrizgavanja, prema kraju ubrizgavanja, kombinacija dva prethodna sluaja i priguenjem na usisu),

- Elektronska regulacija ubrizgane koliine goriva. Ovdje je, takoer, interesantna podjela brizgaa, koji se koriste u instalacijama za ubrizgavanje. Osnovna podjela je na:

- brizgae zatvorenog tipa i - brizgae otvorenog tipa.

S obzirom da se ovdje razmatra instalacija za dobavu goriva kod dizel motora sui, gdje se uglavnom susreu brizgai zatvorenog tipa, u nastavku e biti data i osnovna podjela ovih brizgaa. To su:

- brizgai sa automatskim otvaranjem, gdje se brizga otvara u momentu kada pritisak goriva u brizgau dostigne odreenu, unaprijed definisanu vrijednost,

- brizgai sa prinudnim otvaranjem, gdje se brizga prinudno otvara uz pomo ureaja (npr. solenoidni ventil), koji dobiva signal od elektronske upravljake jedinice.

U posljednje vrijeme sve vie se forsiraju oblici elektronske kontrole otvaranja brizgaa (prinudno otvaranje brizgaa). Prema konstrukciji zavrnog dijela rasprskivaa brizgai se mogu podijeliti na:

- brizgae sa jednim provrtom (mlaznicom); - brizgae sa vie provrta (mlaznica) i - brizgae sa jednim provrtom sa jezikom (kratki i dugi jeziak).

U nastavku e, ukratko, biti iznesene osnovne prednosti i nedostaci gore nabrojanih sistema ubrizgavanja. Sistemi neposrednog dejstva su jo uvijek najvie zastupljeni u primjeni. Akumulatorski sistemi imaju prednost u tom smislu to pritisak ubrizgavanja u znatnoj mjeri ne zavisi od reima rada motora. Zahvaljujui ovome, s intenzivnim razvojem i primjenom elektronike prednosti akumulatorskih sistema postaju sve izraenije. Mehaniki pogon kod sistema za dobavu goriva je jo uvijek znatno vie zastupljen kod motora sui zbog njegove dugogodinje dominacije. Glavni nedostaci mehanikog pogona su pad pritiska sa padom broja obrtaja, to dovodi do loijeg rasprivanja goriva, kao i nedovoljna ravnomjerna raspodjela goriva izmeu cilindara viecilindrinog motora. Sistem pumpa-cijev-brizga je znatno adaptabilniji za razne vrste dizel motora. Kod ovog sistema znatne smetnje regulisanju karaktera procesa ubrizgavanja ini talasno kretanje goriva u


22

visokotlanoj cijevi. Ova pojava je izbjegnuta kod sistema pumpa-brizga, ali se takav sistem moe ugraditi samo na motor koji je za njega posebno konstruisan. Ravnomjernost raspodjele goriva izmeu pojedinih cilindara treba da je znatno bolja kod sistema sa distribucionim pumpama. Meutim, i kod njih dolazi do problema nejednakih koliina ubrizganog goriva. Osim toga, ovi sistemi su pogodni za motore manjih hodnih zapremina i sa brojem cilindara manjim od est. Moe se smatrati da je danas etverocilindrini motor jo najpovoljniji za sisteme sa distribucionim pumpama za ubrizgavanje goriva. Njihova teina i gabarit (pumpe) ine ih vrlo adaptabilnim i konkurentnim u odnosu na sisteme sa rednom pumpom. Otvoreni brizgai se danas rijetko primjenjuju na brzohodnim dizel-motorima, prvenstveno zbog problema koksovanja i razvuenog trajanja ubrizgavanja. Velika prednost zatvorenih brizgaa sa automatskim otvaranjem je sprega rada brizgaa sa dolazeim impulsom pritiska od pumpe. Istovremeno, ovo je nedostatak na kraju ubrizgavanja kod brizgaa sa jezikom. Ovaj problem se smanjuje kod brizgaa sa dugim jezikom i priguenim dejstvom. U novije vrijeme sve vie se pojavljuju brizgai sa prinudnim otvaranjem, gdje do izraaja dolazi proces elektronski kontrolisanog otvaranja i zatvaranja brizgaa i gdje se izbjegava loe rasprivanje goriva na kraju procesa ubrizgavanja.

23

3. KONSTRUKCIJA I PRINCIP RADA INSTALACIJE ZA DOBAVU GORIVA 3.1 Uvod Osnovni zadatak instalacije za dobavu goriva kod dizel motora jeste da se gorivo iz rezervoara preko cijevi i cijevnih vodova, preistaa goriva, pumpe visokog pritiska i brizgaa dovede u motor, odnosno radni prostor (komoru za izgaranje), gdje se raspreno gorivo mijea sa zrakom. Instalacija treba da obezbijedi uslove da se kretanje goriva kroz sistem vri sa razumnom temperaturom i pritiskom goriva, da ne bi dolo do isparavanja goriva, a eventualne pare goriva da se efikasno odvoje, kao i da na svim reimima rada motor ima adekvatnu i dovoljnu koliinu goriva. Izvedbe instalacija za dobavu goriva kod dizel motora su razliite, a najvie zavise od koncepcije sistem za ubrizgavanje, koji se u principu mogu podijeliti na sisteme:

pumpa-cijev-brizga; pumpa-brizga i akumulacioni sistem (common rail),

zatim od naina ostvarenja visokog pritiska goriva, kao i mehanike ili elektronske kontrole procesa ubrizgavanja. U nastavku e biti date najee susretane instalacije za dobavu goriva kod dizel motora, a u skladu sa podjelama sistema za ubrizgavanje datim u prethodnom tekstu. Primjer instalacije za dobavu goriva kod dizel motora, za sistem: linijska pumpa sa mehanikim pogonom-cijev visokog pritiska-brizga, data je na slici 3.1. Rezervoar goriva (1) na sebi obavezno sadri mjesto za nasipanje goriva sa odukom za zrak i pare goriva iz rezervoara, mjera nivoa goriva, grubi preista (usisna korpa u rezervoaru) na vodu, kojim se gorivo transportuje preko niskotlane pumpe (2) i otvor na najnioj taki rezervoara, za isputanje goriva. Na niskotlanoj pumpi (2) nalazi se jedan grubi preista goriva (2a) i runa pumpa (2b) za punjenje sistema gorivom prije startovanja motora, ukoliko je instalacija za gorivo bila ispranjena zbog rastavljanja i opravki na motoru. Od niskotlane pumpe gorivo se transportuje preko sistema preistaa (3) (jednog ili vie preistaa) do pumpe visokog pritiska (4). Od pumpe visokog pritiska (4) gorivo ide preko cijevi visokog pritiska (6) na brizgae (5), koji gorivo ubrizgavaju, u tano definisanoj koliini i odreenom vremenu, u cilindar motora sui. Na instalaciji se nalaze prelivni ventil (7) i povratni, odnosno prelivni vodovi (8) od preistaa (3), pumpe visokog pritiska (4) i od brizgaa (5), koji vraaju viak goriva u rezervoar (1). Na pumpi visokog pritiska nalazi se regulator broja obrtaja (9) i varijator ugla predubrizgavanja (10), koji imaju ulogu regulisanja nominalnog, odnosno maksimalnog broja obrtaja motora i ugla poetka

3. Konstrukcija i princip rada instalacije za dobavu goriva

24

potiskivanja goriva na pumpi visokog pritiska, odnosno ugla predubrizgavanja. Slina instalacija je i za sistem pumpa-cijev-brizga sa elektronskom kontrolom pojedinih parametara, u prvom redu ugla predubrizgavanja i regulacije dobave koliine goriva. Kod ovakvih instalacija elektronska upravljaka jedinica, na osnovu informacija o parametrima stanja na motoru sui, posredno, preko odgovarajuih aktuatora i prenosnih elemenata, vri upravljanje pojedinih parametara na sistemu dobave goriva. Pumpa visokog pritiska dobiva pogon od radilice motora, preko jednog prenosnika. Prenosni odnos prenosnika kod pumpi visokog pritiska za dvotaktne motore iznosi 1:1, a za etverotaktne motore 2:1, odnosno broj obrtaja pumpe i motora sui su isti kod dvotaktnih motora, a kod etverotaktnih motora broj obrtaja pumpe je dva puta manji od broja obrtaja motora.

1 - rezervoar goriva, 2 - napojna niskotlana pumpa sa grubim preistaom goriva (2a) i runom pumpom (2b), 3 - preista goriva (grubi i fini), 4 - pumpa visokog pritiska, 5 - brizga, 6 - cijev visokog pritiska, 7 - prelivni ventil, 8 - povratne cijevi, 9 - regulator broja obrtaja, 10 - varijator ugla predubrizgavanja.

Sl. 3.1 Instalacija za dobavu goriva sa linijskom pumpom (sistem pumpa-cijev-brizga)

Instalacija za dobavu goriva za sistem pumpa-cijev-brizga, gdje je pumpa visokog pritiska distribuciona, sa elektronskom kontrolom, ima izgled kao na slici 3.2. Ovdje se gorivo iz rezervoara (1) transportuje pomou elektrine napojne pumpe (2), preko usisne korpe (2a) i preistaa goriva (3), do pumpe visokog pritiska (4). Pumpa visokog pritiska (4) transportuje gorivo preko cijevi visokog pritiska (6) na brizga (5), gdje se gorivo ubrizgava direktno u cilindar motora. Na instalaciji se nalaze i prelivni vodovi (8), koji viak goriva vraaju prema rezervoaru goriva (1). Na slici 3.2 se vidi i elektronska upravljaka jedinica (7), koja regulie dobavu pumpe visokog pritiska, na osnovu parametara motora sui (broja obrtaja, temperature rashladnog sredstva, temperature zraka, poloaja pedale gasa, itd.). Distribucione pumpe dobivaju pogon od radilice motora. Postoje distribucione pumpe sa centralnim klipom, iji broj aktivnih hodova po jednom obrtaju odgovara broju cilindara motora i distribucione rotacione pumpe sa radijalnim i aksijalnim kretanjem klipova u

3.1 Uvod

25

odnosu na osu obrtanja pumpe. Regulacija dobave goriva kod ovih pumpi vri se mehanikim putem, a u novije vrijeme sve vie se primjenjuje elektronska regulacija.

Sl. 3.2 Instalacija za dobavu goriva sa distribucionom rotacionom pumpom visokog pritiska (sistem pumpa-cijev-brizga) ema instalacije za dobavu goriva za sistem pumpa-brizga i elektronskom kontrolom prikazana je na slici 3.3. Gorivo se transportuje od rezervoara (1), preko elektrine napojne pumpe (2) sa usisnom korpom (2a), preko preistaa goriva (3) i nepovratnog ventila (5) do pumpe za gorivo (7). Pumpa za gorivo (7) ima pogon od radilice motora. Najee se koristi zupasta pumpa ili zaprena krilna pumpa. Na njoj se nalaze regulacioni ventili, kako na potisnom vodu, tako i na povratnom vodu, zbog obezbjeenja istih uslova strujanja goriva u dijelu instalacije od pumpe (7) do sklopa pumpa-brizga (10). Pumpa (7), potiskuje gorivo preko cijevi visokog pritiska (9), gdje se nalazi i dava temperature goriva (8), do sistema pumpa-brizga (10). Sistem pumpa-brizga ima mehaniki pogon preko bregastog vratila (11). Od sistema pumpa-brizga (10) viak goriva se vraa povratnim vodom (13) do dobavne pumpe (7). Viak goriva od dobavne pumpe ide preko hladnjaka goriva (4) do rezervoara (1), kako bi ga zatitio od previe toplog goriva. U sklopu instalacije nalazi se i elektronska upravljaka jedinica (12), koja prima podatke o parametrima na motoru, stanju zraka i goriva i reimu rada motora, na osnovu ega vri regulaciju dobave goriva na sistemu pumpa-brizga (10). Sistemi elektronske kontrole dobave goriva na sistemu pumpa-brizga u posljednje vrijeme su veoma zastupljeni, dok se starije konstrukcije ovakvog sistema, bez elektronske kontrole, sve manje koriste. Pored sistema pumpa-brizga, koji ima vrlo povoljne karakteristike ubrizgavanja, u novije vrijeme sve veu primjenu ima tzv. sistem common rail.

1 - rezervoar goriva, 2 - napojna elektrina pumpa sa

usisnom korpom (2a), 3 - preista goriva, 4 - rotaciona pumpa visokog

pritiska, 5 - brizga, 6 - cijev visokog pritiska, 7 - elektronska upravljaka jedinica, 8 - prelivni vodovi za viak

goriva.


26

Sl. 3.3 Instalacija za dobavu goriva za sistem pumpa-brizga Instalacija za dobavu goriva sa sistemom common rail ima izgled kao na slici 3.4. Gorivo se iz rezervoara (1), preko napojne elektrine pumpe (2) i usisne korpe (2a), transportuje preko preistaa goriva (3) do pumpe visokog pritiska (4). Radilica motora pokree pumpu visokog pritiska, preko spojnice, zupanika, remen kaieva, itd., sa brojem obrtaja jednakim polovini broja obrtaja motora sui, ali ne viim od 3000 o/min. Pumpa visokog pritiska (4) potiskuje gorivo preko cijevi visokog pritiska (5) do zbirne cijevi (common rail) (6). Na zbirnoj cijevi se nalaze ureaji za kontrolu i odravanje pritiska. To su dava pritiska (8), prelivni ventil (7) i ograniivai protoka (9). Iz zbirne cijevi gorivo preko cijevi visokog pritiska (10) ide na brizgae (11). Koliina goriva i oblik karakteristike ubrizgavanja kontroliu se putem elektronske upravljake jedinice (13), koja dobiva ulazne podatke o reimu rada motora preko davaa (14-19). To su davai broja obrtaja (14), ugla bregastog vratila (15), poloaja pedale gasa (16), pritiska zraka (17), temperature zraka (18) i temperature rashladne tenosti (19). Viak goriva od brizgaa ide povratnim vodom (12) ka rezervoaru goriva (1). Zbirna cijev (common rail) (6) moe biti i nekog drugog oblika, sa odgovarajuom zapreminom za odravanje parametara stanja goriva u njoj.

1 - rezervoar goriva, 2 - napojna elektrina pumpa sa usisnom

korpom (2a), 3 - preista goriva, 4 - hladnjak goriva, 5 - nepovratni ventil na usisnoj strani pumpe, 6 - povratni vod za viak goriva od pumpe, 7 - pumpa za gorivo, 8 - dava temperature, 9 - cijev visokog pritiska, 10 - sistem pumpa visokog pritiska-brizga, 11 - bregasto vratilo za pogon pumpe visokog pritiska, 12 - elektronska upravljaka jedinica, 13 - povratni vod.

3.1 Uvod

27

2

2a

1

3

4

13

12

14 15 16 17 18 19

910

11

12

765

8

1 - rezervoar goriva, 2 - napojna elektrina pumpa sa usisnom korpom (2a), 3 - preista goriva, 4 - pumpa visokog pritiska, 5 - cijev visokog pritiska, 6 - zbirna cijev (common rail), 7 - prelivni ventil, 8 - senzor pritiska, 9 - ograniava protoka, 10 - cijevi visokog pritiska ka brizgaima, 11 - brizga, 12 - povratni (prelivni) vodovi, 13 - elektronska upravljaka jedinica, 14 - senzor broja obrtaja motora, 15 - senzor ugla bregastog vratila, 16 - senzor poloaja pedale gasa, 17 - senzor pritisak zraka, 18 - senzor temperature zraka, 19 - senzor temperature rashladnog sredstva.

Sl. 3.4 Instalacija za dobavu dizel goriva za sistem common rail Naprijed prikazane eme instalacija za dobavu dizel goriva kod motora sui predstavljaju principijelne eme, sa osnovnim komponentama koje instalacije trebaju imati. Ovdje, svakako, nisu dati neki specifini elementi (detalji) koje ugrauju pojedini proizvoai opreme u cilju razliitih poboljanja, niti e oni biti posebno obraivani. Detaljnije objanjenje konstrukcije i principa rada instalacije za dobavu goriva bie dato kroz sljedee cjeline:

- pumpe visokog pritiska; - brizgai, - ostali pribor instalacije za dobavu goriva (niskotlana pumpa, preista, cijev visokog

pritiska, itd.). 3.2 Pumpe visokog pritiska Osnovni zadatak pumpi visokog pritiska je da obezbijede potiskivanje odgovarajue koliine goriva prema brizgau i motoru sui, sa pritiskom potiskivanja koji e omoguiti


28

kvalitetno rasprivanje goriva u cilindru motora. Kvalitetno rasprivanje podrazumijeva dobivanje to sitnijih kapljica rasprenog goriva u toku cijelog procesa ubrizgavanja. Zavisno od namjene motora (putnika vozila, kamioni, brodovi, itd.) i koncepta instalacije za dobavu goriva, moe se napraviti gruba podjela pumpi visokog pritiska na:

- linijske (redne) pumpe visokog pritiska; koriste se u koncepciji sistema dobave goriva pumpa-cijev-brizga;

- distribucione pumpe visokog pritiska; koriste se u koncepciji sistema dobave goriva pumpa-cijev-brizga;

- pumpe visokog pritiska za sistem pumpa-brizga i - pumpe visokog pritiska za sisteme common rail-a.

U nastavku e biti izloen princip rada i konstrukcija gore navedenih pumpi visokog pritiska, sa naglaskom na osnovne funkcije pumpi. Nee se ulaziti u konstruktivne detalje pojedinih proizvoaa, ime bi knjiga izgubila na optosti. Posebno detaljno bie obraena linijska pumpa visokog pritiska, kao najkompleksnija sa stanovita hidrodinamikih procesa u njoj. Ovo e omoguiti kraa objanjenja za ostale pumpe visokog pritiska, uz kvalitetno razumijevanje odgovarajuih procesa. 3.2.1 Linijska (redna) pumpa visokog pritiska Linijske pumpe visokog pritiska, ne ulazei u opremu pumpi, mogu se podijeliti prema nainu regulacije potisnute koliine goriva, na:

- pumpe sa mehanikom regulacijom potisnute koliine goriva i - pumpe sa elektronskom regulacijom potisnute koliine goriva.

1 - bregasto vratilo, 2 - regulator broja obrtaja, 3 - varijator ugla predubrizgavanja, 4 - niskotlana pumpa, 5 - niskotlani kolektor, 6 - prikljuak za cijev visokog pritiska. Sl. 3.5 Djelomini presjek estocilindrine linijske pumpe visokog pritiska sa mehanikom regulacijom (Bosch)

Izgled jedne linijske redne estocilindrine pumpe visokog pritiska, sa mehanikom regulacijom potisnute koliine goriva, dat je na slici 3.5. Radilica motora sui pokree bregasto vratilo pumpe, najee preko zupastog prenosnika. Na pumpi se nalaze mehaniki centrifugalni regulator broja obrtaja (2) i varijator ugla predubrizgavanja (3), takoe mehaniki centrifugalni. Niskotlanu pumpu za gorivo (4) pokree ekscentar na bregastom vratilu pumpe. Niskotlana pumpa (4) dovodi gorivo, preko sistema preistaa, u niskotlani kolektor (5), odakle gorivo ulazi u nadklipni prostor pumpe visokog pritiska. U nadklipnom prostoru

3.2 Pumpe visokog pritiska

29

pumpe visokog pritiska gorivo se, pod visokim pritiskom, potiskuje preko cijevi visokog pritiska, koja je spojena sa pumpom na prikljuku (6), do brizgaa i motora sui. Primjer linijske estocilindrine pumpe visokog pritiska, sa elektronskom regulacijom, dat je na slici 3.6.

Sl. 3.6 Djelomini presjek estocilindrine linijske pumpe visokog pritiska sa elektronskom regulacijom (Bosch) Radilica motora pokree pumpu preko prenosnika, najee zupastog. Pumpa visokog pritiska, data na slici 3.6, ima na sebi pomine kouljice pumpe (2), ije je kretanje u pravcu kretanja klipa regulisano osovinom (7) i magnetom za podeavanje poetka potiskivanja (6). Ovim mehanizmom, koji se zasniva na elektromagnetnom principu, upravlja elektronska upravljaka jedinica. Na osnovu obrade odgovarajuih informacija o stanju motora sui, elektronska upravljaka jedinica alje elektrine signale prema pumpi visokog pritiska (elektrini prikljuak (10)), koji imaju za cilj pobuivanje mehanizma i uspostavljanje optimalnog ugla predubrizgavanja goriva. Ovakvim mehanizmom otpada potreba za klasinim varijatorom ugla predubrizgavanja, a ujedno se sama regulacija kvalitetno unapreuje. Detaljnije objanjenje principa djelovanja pomine kouljice bie dato kasnije. Regulacija broja obrtaja motora sui kod ovakve izvedbe pumpe visokog pritiska ostvaruje se putem elektrinih signala upuenih magnetu za podeavanje (8) hoda regulacione letve (3), gdje se poloaj regulacione letve kontrolie preko induktivnog davaa hoda (9). Svakako da ovakva regulacija ugla predubrizgavanja, optereenja (ciklusne dobave goriva) i brzinskog reima (broja obrtaja) predstavlja jedan mehatroniki sistem, koji preko niza senzora (davaa) omoguava praenje veeg broja parametara motora (stanje usisnog zraka, goriva i rashladne tenosti, broja obrtaja motora, itd.), iji signali se pretvaraju u elektrine signale i prosljeuju upravljakom ureaju, dok se od upravljake jedinice alju elektrini signali za upravljanje aktuatorima (elektromagnetnim elementima). Na ovaj nain se ostvaruje kvalitetnija regulacija ciklusne dobave goriva, kako prema brzinskom reimu na vanjskoj karakteristici, tako i za razliite reime optereenja.

1 - cilindar pumpe, 2 - pomina kouljica pumpe za promjenu poetka potiskivanja, 3 - regulaciona letva, 4 - klip pumpe, 5 - bregasta osovina, 6 - magnet za podeavanje poetka potiskivanja, 7 - osovina za pomjeranje ahure (2), 8 - magnet za podeavanje regulacionog hoda, 9 - induktivni dava hoda regulacione letve, 10 - elektro prikljuak.


30

Sklopovi na pumpi visokog pritiska, kao to su: niskotlana (dobavna) pumpa, varijator ugla predubrizgavanja, regulator broja obrtaja i preistai goriva, bie objanjeni u sklopu dodatne opreme pumpe visokog pritiska, a regulator broja obrtaja, s obzirom na njegovu vanost, bie objanjen u posebnom poglavlju. Ovo vai i za sve druge tipove pumpi koje budu ovdje objanjavane. Objanjenje konstrukcije i principa rada linijske (redne) pumpe visokog pritiska bie dato kroz najvanije elemente koji ine jednu sekciju pumpe, to se najbolje vidi na slici 3.7. Na ovoj slici dat je aksonometrijski presjek dvije sekcije jedne redne pumpe sa oznaenim svim vanim elementima.

1 - podloke za visinsku regulaciju (ugaono podeavanje poetka potiskivanja), 2 - izlazni prikljuak za gorivo, 3 - zaptivka, 4 - klip rasteretnog ventila, 5 - opruga, 6 - bregasto vratilo, 7 - zupasta regulaciona poluga za koliinsku regulaciju, 8 - zupasti segment, 9 - valji, 10 - klip pumpe, 11 - kouljica pumpe, 12 - kuite rasteretnog ventila, 13 - opruga rasteretnog ventila, 14 - nosa klipa rasteretnog ventila.

Sl. 3.7 Aksonometrijski presjek dvije sekcije redne pumpe visokog pritiska

Najvanije grupe elemenata jedne sekcije redne (linijske) pumpe visokog pritiska su:

- bregasto vratilo sa brijegovima (6), iji raspored je sukladan rasporedu paljenja kod motora sui. Brijeg ostvaruje kontakt sa klipom (10) preko valjia (9) i podloki (1) koje slue za definisanje ugla poetka potiskivanja goriva;


31

- klip (10) i kouljica pumpe (11), na kojoj se nalaze usisni i prelivni otvori za gorivo; stalni kontakt izmeu klipa (10) i brijega na bregastom vratilu (6), posredno preko valjia (9), podloki (1) i prenosnih elemenata, obezbjeuje opruga (5); zakretanje klipa (10), u cilju obezbjeenja koliinske regulacije, vri se preko zupastog segmenta (8) i zupaste regulacione poluge (7), koja je vezana za ureaj za upravljanje reimom rada motora (kod vozila je to pedala gasa),

- rasteretni ventil sa klipom (4), koji se nalazi u kuitu (12) sa oprugom (13), koja obezbjeuje odgovarajui pritisak otvaranja ventila; kuite je preko zaptivke (3) spojeno sa nosaem klipa rasteretnog ventila (14) i kouljice pumpe (11), a na drugoj strani se nalazi prikljuak (2) za cijevi visokog pritiska.

U nastavku e biti dati konstruktivni detalji najvanijih elemenata jedne sekcije pumpe visokog pritiska i njihove karakteristike. Brijeg bregastog vratila Oblik brijega na bregastom vratilu definie karakteristiku potiskivanja goriva, zbog ega je vrlo vano poznavati osnovne karakteristike brijega. U praksi se susreu bregasta vratila sa grubom formom bregova prikazanom na slici 3.8.

X

X X

Sl. 3.8 Oblici brijegova bregastih vratila kod pumpi visokog pritiska Sa stanovita karakteristike potiskivanja goriva, najvaniji dio brijega je oznaen sa X na slici 3.8, jer on najdirektnije utie na karakteristiku potiskivanja. Drugim rijeima, profil dijela brijega X i dimenzije valjia direktno kreiraju promjenu hoda klipa (hk) na pumpi visokog pritiska, odnosno brzinu potiskivanja goriva klipom (vk). Posebno vaan segment, na brijegu bregastog vratila je ovaj segment pri kom se odvija proces tzv. geometrijskog potiskivanja goriva (faza g), kada je zatvoren i usisni i prelivni otvor na kouljici pumpe visokog pritiska. Ovo se najbolje moe slikovito pokazati na slici 3.9, gdje je na lijevom dijelu slike (a) data efektivna protona karakteristika (p Ap) usisno-prelivnih otvora na kouljici pumpe u funkciji ugla obrtanja bregastog vratila (), gdje je Ap - geometrijski presjek (povrina) usisnih i prelivnih otvora, a p koeficijent gubitka uslijed proticanja goriva i gubitaka uslijed kontrakcije (suenja) toka goriva. Karakteristika (pAp) bie detaljno objanjena u sklopu segmenta klip-kouljica pumpe. Na istom dijelu slike oznaeni su uglovi A - poetak geometrijskog potiskivanja goriva i B - kraj geometrijskog potiskivanja. Na desnom dijelu slike 3.9. b) dat je tok promjene puta (hk) i brzine klipa (vk) sa promjenom ugla obrtanja bregastog vratila (). Ovdje je oznaena i vrijednost srednje brzine potiskivanja goriva klipom (vksr) u toku geometrijskog potiskivanja, gdje je oznaen i hod geometrijskog potiskivanja klipa (hkg).


32

Sl. 3.9 Efektivni protoni presjek usisno-prelivnih otvora na kouljici pumpe a) i dijagrama hoda i brzine klipa b) u funkciji ugla bregastog vratila Iz ovoga primjera vidi se da dio krive brzine klipa (vk), izmeu A i B, odnosno taki A i B, u funkciji ugla obrtanja bregastog vratila () ima presudnu ulogu na karakteristiku potiskivanja goriva koje ini pumpa visokog pritiska (dio profila brijega oznaenog sa X na slici 3.8). Na osnovu ovoga moe se definisati i srednja zapreminska brzina potiskivanja goriva kao:

s/mvAV 3ksrksr , (3.1) gdje je 4/dA 2kk - povrina poprenog presjeka ela klipa pumpe visokog pritiska (dk - prenik klipa pumpe). Iz prethodnog primjera se jasno vidi vanost oblika profila brijega, posebno dijela X (slika 3.8), zbog ega mu se i poklanja posebna panja. Detaljnijim uvidom u formu brijegova, u toku procesa potiskivanja goriva, najee se profil ovog dijela brijega sastoji od tri do pet razliitih funkcija koje u dodirnim takama imaju iste tangente. Oblikovanje ovakvih brijegova danas ne predstavlja nikakav problem, s obzirom na numerike maine koje vrlo jednostavno prave tzv. kopir brijegove za odreeni profil realnog brijega. Zbog svega ovoga vano je istai da su osnovne karakteristike brijega: dijagram puta (hk), brzine (vk) i ubrzanja (ak) klipa pumpe visokog pritiska, u funkciji ugla obrtanja bregastog vratila (). Zbog univerzalnosti, najee se ove karakteristike izraavaju u formi:

- dijagram puta klipa )(fh 1k , - dijagram relativne brzine klipa )(fvh 2k

'k i

- dijagram relativnog ubrzanja klipa )(fah 32k"

k ,


33

gdje sve tri veliine imaju istu dimenziju (dimenziju duine) i ne zavise od ugaone brzine (), odnosno od broja obrtaja bregastog vratila (n). Primjer kako se odreuju prethodne karakteristike dat je na slici 3.10.

h km

ax

rv

rG

hk

H=h

+r

+

kG

valjipodizaa

Sl. 3.10 Sklop brijeg bregastog vratila- valji podizaa sa osnovnim dimenzijama

Na osnovu oblika i dimenzija brijega i valjia moe se odrediti trenutna vrijednost hoda klipa (hk) u funkciji ugla obrtanja bregastog vratila. Brzina kretanja klipa rauna se kao:

'k

kkk hdt

dddh

dtdhv , (3.2)

odnosno, relativna brzina klipa ( 'kh ), neovisna od ugaone brzine, je:

k'

kvh . (3.3)

Na slian nain se odreuje i ubrzanje klipa kao:

"k

22k

22kkk

k hdhd

ddh

dd

dtd

ddv

dtdva

, (3.4)

odnosno, relativno ubrzanje klipa je:

2k"

kah . (3.5)

Veliine 'k,k hh i "kh imaju iste dimenzije i predstavljaju univerzalne karakteristike profila brijega za odgovarajui valji podizaa. Primjeri kako izgledaju ove karakteristike za konkretne sluajeve vide se na slici 3.11 a) b) i c) za tri razliite konstrukcije profila brijegova.


34

h[m

m]

I k

14

12

10

8

6

4

2

0

h[m

m]

k

14

12

10

8

6

4

2

0

h[m

m]

k

0

h[m

m]

II k

10 20 30 40 50 600

4

8

12

16

20

24

28

-100

-50

0

40

80

h[m

m]

I k

10 20 30 40 50 600

4

8

12

16

20

24

-100

-60

-20

20

60

[ BV]o

h[m

m]

II k

[ BV]o

010 20 30 40 50 60

60

80

40

20

-20

-40

0

-60

-80

-100

AB

h[m

m]

I k

hI

ksr

hI

k

h[m

m]

II k

hk

2

4

6

8

10

12

14

h[m

m]

k

0

4

8

12

16

20

24

28

hII

k

A

B

hI

ksr

hI

k

hII

k

hk

A

Bh

I

ksr

hI

k

hII

k

hk

[ BV]o

28

a)

b)

c) Sl. 3.11 Karakteristike 'k,k hh i

"kh za tri

razliita profila brijega

Na slici 3.11 prikazane su karakteristike za tri razliita profila brijega. Na slikama je oznaen poetak (A) i kraj (B) geometrijskog potiskivanja (veza slika 3.9), kao i parametar srednje brzine potiskivanja ( 'ksrksr hv ) goriva u fazi tzv. geometrijskog potiskivanja. Ove slike pokazuju da se sa formom profila brijega moe znaajno uticati na tok i nivo brzine potiskivanja goriva u fazi aktivnog potiskivanja goriva, odnosno da karakteristika potiskivanja goriva zavisi najvie od profila brijega bregastog vratila. Na slici 3.11 date su i karakteristike ubrzanja klipa ( "kh ). Po njihovom izgledu to su karakteristike klasinih udarnih brijegova, gdje nagla promjena predznaka ubrzanja izaziva velike udarne sile, koje mogu da ugroze sklop brijeg-valji, odnosno da izazovu prekomjerno habanje brijega bregastog vratila. U cilju prevazilaenja ovog problema, pored uobiajenih mjera obezbjeenja podmazivanja, noviji razvoj profila brijgova ide na tzv. bezudarne brijegove, gdje kriva ubrzanja nema naglih skokova. Pored ovih mjera, problem habanja brijega bregastog vratila ostaje prisutan u zonama malih radijusa zaobljenja na profilu brijega. Za osiguranje pravilne funkcije brijeg-valji-podiza klipa, potrebno je poznavati odnos dozvoljenog pritiska u nadklipnom prostoru ( dozkp ) i stvarnog pritiska u nadklipnom

prostoru ( kp ) (slika 3.12).


35

F

rv

hk

rG

t F

0

H=h

+r

+k

Gr v

F cos

p d /4k doz k2

C hk k

Fk0

m h kII 2

b)

x

vk

e (irinavaljia)

pk

dk

pok

C ,k Fko

a)

b b

Sl. 3.12 Sklop brijeg-valji-podiza klipa a) i optereenje sklopa brijeg-valji b) Dozvoljeni pritisak u nadklipnom prostoru se definie na osnovu dozvoljenog kontaktnog pritiska (pok) izmeu brijega i valjia. Naime, koristei teoriju o dozvoljenom kontaktnom pritisku izmeu dva zakrivljena tijela od istog materijala, moe se napisati izraz za pritisak pok, kao:

v

vvok re

ErF418,0p (3.6)

i na osnovu ravnotee sila (slika 3.12 b), koje djeluju na sklop valji-brijeg, tj.:

0hmFhC4dpsinFcosF 2"kkokk

2k

dozkt (3.7) moe se izraunati dozvoljeni pritisak u nadklipnom prostoru dozkp , kao:

sincosrE418,0p

d4p t

vv2

2ok

2k

dozk

2"kkokk hmFhC . (3.8)


36

Zanemarujui silu trenja (tF), silu u opruzi (Fko+Ck hk) i inercionu silu 2"khm , gdje je (m) masa pokretnih dijelova, u poreenju sa silom od pritiska goriva, koja je daleko vea, dobiva se izraz:

vv22ok

2k

dozk rE418,0cosep

d4p , (3.9)

koji se esto susree u literaturi i na osnovu koga se jednostavno odreuje vrijednost dozkp za razne uglove obrtanja bregastog vratila (). U prethodnim izrazima veliina predstavlja radijus zakrivljenja profila brijega na mjestu kontakta, koji se moe sraunati kao:

v"k

2'k

2

2/32'k

2

rhHhH

hH . (3.10)

Ugao , oznaen na slici 3.12 b), rauna se kao:

Hharctg

'k . (3.11)

S obzirom na karakter izraza (3.6) vano je koristiti odgovarajue dimenzije pojedinih veliina koje se nalaze u izrazu (3.6), (3.8) i (3.9). To su sljedee veliine:

- pritisci pok i pk doz [N/mm2]; - irina kontakta brijeg-valji e [mm]; - radijus valjia vr [mm], radijus zakrivljenja [mm]; - sile F, Fko [N]; - krutost opruge Ck [N/mm]; - modul elastinosti materijala od koga je napravljen brijeg i valjii Ev [N/mm2]; - prenik klipa dk [mm]; - karakteristike 'kk h,h i

"kh [mm];

- masa pokretnih dijelova m [kg]; - ugaona brzina [s-1] i - koeficijent trenja t [-].

Koristei podatke da je modul elastinosti elika od koga se radi bregasto vratilo i valji

25 mm/N102,06E i dozvoljeni kontaktni pritisak 2ok mm/N1765p , za konkretan primjer sistema ubrizgavanja, sa poznatim svim konstruktivnim i kinematskim karakteristikama, izvren je proraun dozvoljenog pritiska u nadklipnom prostoru pumpe visokog pritiska i prikazan na slici 3.13. Na istoj slici ucrtan je i stvarni pritisak (pk) u nadklipnom prostoru, kao i karakteristike brijega 'kk h,h i

"kh . Sa slike 3.13 vidi se da je

uvijek zadovoljen uslov pk doz>pk, to znai da profil brijega bregastog vratila nije ugroen


37

od kontaktnog pritiska. Ovo istovremeno predstavlja metod kako podesiti period geometrijskog potiskivanja goriva, uz maksimalno iskoritenje brzine potiskivanja ( 'kh ) i zatitu profila brijega od prevelikog kontaktnog pritiska. Najbolja preporuka je podeavanje poloaja geometrijskog potiskivanja (g) preko podloki (1) (slika 3.7) za promjenu predpodizanja klipa, tako da su krive (pk ) i (pk doz) na slici 3.13 to blie jedna drugoj, a da se ne presijecaju. Minimalno rastojanje ovih krivih iznosi 0,5 1 BV u najnepovoljnijim uslovima rada sistema. Ovim je obezbijeen i izbor optimalnog poloaja geometrijskog potiskivanja goriva.

Sl. 3.13 Dijagram dozvoljenog (pk doz) i stvarnog (pk) pritiska u nadklipnom prostoru sa ucrtanim kinematskim karakteristikama brijega "k

'kk h,h,h

Sl. 3.14 Primjer dijagrama dozvoljenog pritiska (pk doz) i stvarnog pritiska(pk) u nadklipnom prostoru za razliite prenike klipa (dk)

Drugi primjer prorauna pritiska pk doz dat je na slici 3.14, a odnosi se na profil brijega sa slici 3.11 b). Na slici 3.14 vidi se i uticaj prenika klipa ( kd ) pumpe visokog pritiska na dozvoljeni pritisak (pk doz) u nadklipnom prostoru. Na slici 3.14 ucrtana je i pozicija stvarnog pritiska (pk) u nadklipnom prostoru. Slina procedura prorauna parametara pokazanih na slici 3.13 i slici 3.14 je i kod varijanti pumpi visokog pritiska koje imaju brijeg sa ravnim podizaem, samo se umjesto izraza (3.6) koristi izraz za dozvoljeni kontaktni pritisak za sluaj kontakta ravnog sa zakrivljenim dijelom, to se ovdje nee posebno objanjavati.


38

Pored naprijed datih karakteristika brijega bregastog vratila, vaan aspekt je i optereenje bregastog vratila na uvijanje. Trenutna vrijednost momenta uvijanja, koji optereuje jedan brijeg, prema slici 3.12 b) je:

bt

2"kkokk

2k

kbt1 bsincos

hmFhC4dp

bF M (3.12)

ili, zanemarujui lanove sa znaajno niim vrijednostima u izrazu (3.12), gdje se pravi greka 1015 % maksimalno, moe se pisati:

cos4

dpb2kk

bt1M . (3.13)

Za viecilindrine redne pumpe moe se odrediti ukupan moment uvijanja bregastog vratila kao:

cpi

1iitit )()( MM . (3.14)

Srednja vrijednost ovog momenta je:

d)(21M

0tt

2

M , (3.15)

gdje je k - broj cilindara pumpe visokog pritiska, a ugao i predstavlja fazni ugao pomaka pojedinih brijegova u odnosu na prvi brijeg. Veliina momenta (Mt), pored toga to definira snagu potrebnu za pogon bregastog vratila ( tp MP ) definira i ugao uvijanja bregastog vratila, koji se rauna kao:

o

maxt

IGlM , (3.16)

gdje je: maxtM - maksimalna vrijednost momenta uvijanja, l - duina bregastog vratila, G - modul klizanja materijala,

32

dI4

o - polarni moment inercije najmanjeg presjeka (d) bregastog vratila.

Izraunata veliina ugla uvijanja bregastog vratila ( ) je vaan parametar, iz razloga to ima direktno uticaj na ugaoni poloaj poetka i

Documents

Sistemi Za Dobavu Goriva Kod Dizel Motora