ЛЕКЦИЯ 13
Тема. Основные системы обеспечения работы транспортных двигателей внутреннего сгорания
План лекции: 1. Система питания.
2. Цилиндропоршневая группа, кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы.
3. Система наддува.
4. Система охлаждения и смазочная система.
5. Система выпуска отработавших газов.
1. Система питания
Система питания предназначена для хранения топлива на борту автомобиля, транспортирования, очистки от механических примесей, дозирования в соответствии со скоростным и нагрузочным режимами работы двигателя и распыления в воздушном потоке для создания горючих топливовоздушных смесей.
В бензиновых двигателях с искровым зажиганием в настоящее время применяются карбюраторные системы питания и системы дозирования и впрыскивания топлива с электронным управлением. Различают системы центрального (с одновременным приготовлением смеси для всех цилиндров двигателя) и ) распределенного (с приготовлением смеси для каждого цилин-дра) впрыскивания топлива. Для эффективной работы трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов ОГ управление процессом смесеобразования в современных бензиновых двигателях осуществляется по сигналам датчика свободного кислорода (λ-зонда), устанавливаемого в системе выпуска ОГ перед каталитическим конвертером.
Для питания топливом дизельных двигателей предназначена топливные насосы высокого давления (ТНВД), трубопроводы высокого давления и форсунки, обеспечивающие дозирование, сжатие, транспортирование и распыление топлива в объёме камеры сгорания. В настоящее время нашли применение плунжерные ТНВД рядного (с плунжерной парой на каждый цилиндр и приводом от кулачкового вала) и распределительного (с плунжерными парами на несколько цилиндров и приводом от кулачковой шайбы) типов. В двигателях большегрузных автомобилей находят все большее применение насос-форсунки (совмещающие в одном агрегате дозирование, сжатие и распыление топлива), а также системы электронного управления топливоподачей.
2. Цилиндропоршневая группа, кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы
В состав системы ДВС, служащей для преобразования химической энергии топлива во вращательное движение вала, входят цилиндропоршневая группа (ЦПГ) и кривошипно-шатунный механизм (КШМ). В зависимости от конструктивного оформления КШМ возможны различные способы расположения цилиндров (рис. 1).
Рассмотрим конструктивные элементы, входящие в состав ЦПГ и КШМ.
Поршень обеспечивает передачу усилий на шатун, герметизирует камеру сгорания, отделяя её от картера двигателя и отводит излишки теплоты в систему охлаждения. Форма и конструкция поршня, включая геометрические характеристики его днища и поршневого пальца, в значительной степени определяются формой камеры сгорания. Другие параметры зависят от типа процесса сгорания и связанного с ним максимального давления в цилиндре. Приоритетным направлением конструирования является создание облегченных поршней, способных в то же время противостоять значительным усилиям и рабочим температурам.
Рис. 1. Рядное (а), V-образное (б), звездообразное (в), оппозитное (г), параллельное (д) и противоположное (е) расположение цилиндров в соответствии с конструкцией кривошипно-шатунного механизма:
1 — шатун; 2 — кривошип
Для изготовления гильз цилиндров и поршней обычно применяют серый чугун и алюминий. Хотя поршень и гильза имеют разные коэффициенты теплового расширения, зазор между ними должен быть минимальным, чтобы снизить шум и улучшить герметизацию камеры сгорания. Для уменьшения степени расширения поршня при нагревании в него иногда устанавливают стальные пластины.
Поршневые кольца образуют плотное соединение между поршнем и цилиндром. Два верхних поршневых кольца – компрессионные, препятствующие прорыву газов из камеры сгорания в картер. По меньшей мере одно кольцо маслосъемное, предотвращающее проникновение масла из картера в камеру сгорания. Из-за наличия больших радиальных давлений со стороны поршневых колец на стенки цилиндра и высоких скоростей скольжения эти пары являются основным источником трения в ДВС.
Шатун, обеспечивающий соединение поршня с коленчатым валом, подвергается воздействию высоких растягивающих, сжимающих и изгибающих усилий. Он имеет верхнюю и нижнюю головки, соединенные соответственно с поршневым пальцем и шатунной шейкой коленчатого вала. Длина шатуна определяет габариты двигателя.
Коленчатый вал вместе с шатунами обеспечивает преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала и передачу потребителям крутящего момента. Нагрузки, воздействующие на коленчатый вал, характеризуются высокой степенью цикличности и переменными значениями по длине коленчатого вала. Силы, изгибающие моменты и возникающая в результате их действия вибрация вызывают высокую концентрацию напряжений. Поэтому конструкция и колебательные характеристики коленчатого вала должны выбираться на основе специальных расчетов.
Для равномерного распределения рабочего давления все дизели изготавливают с полноопорными коленчатыми валами (в этом случае коренные подшипники расположены между всеми цилиндрами). Такая схема применима и для высокооборотных двигателей с искровым зажиганием. Число противовесов определяется количеством коренных опор.
Нагрузка двигателя является основным критерием при выборе материала и технологии изготовления коленчатых валов. Валы для высоконагруженных двигателей обычно изготавливают горячей штамповкой. В небольших малонагруженных двигателях применяют литые коленчатые валы. Их достоинства — меньшая масса и относительно низкая стоимость.
Вибрация коленчатого вала и изгибающие колебания в наибольшей степени проявляются только при работе двигателей с небольшим числом цилиндров, так как коленчатый вал и необходимый в этом случае маховик создают колебательную систему с низкой собственной частотой колебаний. Для двигателей с числом цилиндров, равным трем и более, изгибающие колебания не являются столь опасным фактором. В двигателях с большим числом цилиндров важным фактором становятся крутильные колебания системы, образуемой коленчатым валом, шатунами и поршнями. Для уменьшения крутильных колебаний применяют гасители (например, резиновые или вязкостные демпферы колебаний).
Блок цилиндров и картер двигателя являются корпусными деталями, воспринимающими усилия, которые возникают при сгорании рабочей смеси и передаются на коленчатый вал и его подшипниковые опоры. В конструкцию блока входят гильзы цилиндров, водяная рубашка охлаждения, а также герметизированные масляные полости и каналы.
Рабочие поверхности цилиндров двигателей с искровым зажиганием иногда растачивают непосредственно в литом блоке. В дизелях применяют сухие или мокрые (омываемые охлаждающей жидкостью) гильзы цилиндров. Блоки цилиндров для двигателей грузовых автомобилей изготавливают преимущественно из чугуна, а для создания двигателей легковых автомобилей все более широкое применение находят легкие алюминиевые блоки.
Головка цилиндров обеспечивает герметизацию блока и цилиндров в верхней части. В ней размещаются клапанный механизм, свечи зажигания и (или) форсунки. Днища поршней с огневыми поверхностями головки цилиндров образуют камеры сгорания. У большинства двигателей легковых автомобилей в головке цилиндров размещается привод клапанов газораспределительного механизма.
В зависимости от организации подвода рабочей смеси и отвода ОГ различают две конструктивные формы головок цилиндров: с односторонним расположением каналов, наиболее рациональным для автомобилей с поперечным размещением двигателя, и расположением каналов с противоположных сторон.
На двигателях грузовых автомобилей часто применяют отдельные головки для каждого цилиндра. Благодаря этому более равномерно распределяются нагрузки, упрощается герметизация камеры сгорания, облегчается техническое обслуживание и ремонт. Применение раздельных головок в двигателях с воздушным охлаждением позволяет улучшить циркуляцию воздуха и, следовательно, повысить эффективность охлаждения.
На двигателях легковых и грузовых автомобилей небольшой грузоподъемности обычно устанавливают одну головку для всех цилиндров. Головки дизелей с жидкостным охлаждением для грузовых автомобилей часто изготавливают из чугуна. Хороший теплоотвод при малой массе обеспечивают алюминиевые головки блоков.
Клапанный газораспределительный механизм включает в себя впускные и выпускные клапаны, пружины, обеспечивающие их закрытие, и распределительный вал с приводом. В настоящее время почти все механизмы газораспределения являются верхнеклапанными (рис. 2) и размещаются в головке блока цилиндров. В дизелях и многих двигателях с искровым зажиганием клапаны располагаются параллельно оси цилиндра и обычно приводятся в действие от двух коромысел через толкатели или каждый клапан — от своего коромысла.
Все большее распространение получают двигатели с искровым зажиганием, у которых впускные и выпускные клапаны располагаются напротив друг друга (с развалом). Это позволяет увеличить диаметры клапанов и оптимизировать конструкцию впускного и выпускного трактов. В форсированных двигателях все чаще применяют четыре клапана на один цилиндр и верхний распределительный вал с непосредственным приводом клапанов.
Рис. 2. Схемы приводов клапанов газораспределительного механизма:
а — штанговый привод; б — привод через коромысло; в — привод одним кулачковым валом; г — привод двумя кулачковыми валами; 1 — цилиндропоршневая группа; 2 — головка цилиндра; 3 — кулачковый вал с коромыслами
Материалы, используемые для изготовления клапанов, должны обладать высокой термостойкостью; контактная поверхность седла клапана подвергается закалке. Для интенсификации теплопередачи выпускные клапаны заполняют натрием. Для повышения долговечности и улучшения уплотнения клапанов применяют системы их вращения. Направляющие клапанов в двигателях высокой мощности должны обладать высокой теплопроводностью и хорошими антифрикционными свойствами. Износ седла клапана может быть снижен при изготовлении его из чугуна или металлокерамического материала.
Кулачок распределительного вала должен обеспечивать подъем клапана на заданную высоту с наибольшей скоростью и плавностью хода. Клапанная пружина осуществляет его закрытие, а также обеспечивает постоянный контакт сопрягаемых поверхностей элементов от кулачка к клапану. Максимально допустимое контактное напряжение, составляющее 600…750 МПа, зависит от характеристик выбранных материалов.
3. Система наддува
Назначение наддува. Мощность двигателя может быть увеличена дополнительной подачей топлива за счет предварительного сжатия воздуха перед поступлением его в цилиндры двигателя, т.е. путем так называемого наддува.
Коэффициент наддува характеризует увеличение плотности нагнетаемого воздуха по сравнению с атмосферным давлением. Одним из главных факторов при выборе параметров наддува является вид используемой системы наддува, определяющий возможную степень повышения давления. В двигателях с искровым зажиганием степень наддува ограничивается детонацией. В дизелях ограничивающим фактором является максимально допустимое давление рабочего цикла. Поэтому двигатели с наддувом обычно имеют более низкие степени сжатия, чем двигатели без наддува той же мощности. Рассмотрим основные системы наддува.
Динамический наддув. При этом простейшем способе наддува используются динамические свойства воздуха на впуске.
Инерционный наддув. Каждый цилиндр двигателя имеет специальный впускной канал определенной длины, который соединен с общей нагнетательной камерой.
Наддув с использованием специально сконструированных (настроенных) впускных каналов. При таком варианте наддува группы цилиндров двигателя соединяются короткими трубопроводами с резонансными ресиверами, причем длины патрубков подбираются в соответствии с интервалами времени между последовательными вспышками в цилиндрах. Ресиверы сообщаются с атмосферой или общей камерой посредством специально отрегулированных патрубков и работают подобно резонаторам Гельмгольца.
Впускной трубопровод с изменяемой геометрией. Ряд зарубежных фирм (BMW, Opel, Германия; Citroen, Франция; Ford, США) используют системы с динамическим наддувом, а также комбинацию разных систем наддува. Система с динамическим наддувом позволяет повысить коэффициент наполнения при малых частотах вращения коленчатого вала двигателя. В системе с изменяемой геометрией впускного трубопровода используются заслонки, с помощью которых обеспечивается соединение или разобщение впускных каналов, соединяющих разные цилиндры в соответствии с изменением частоты вращения коленчатого вала.
Механический наддув. При механическом наддуве нагнетатель приводится в действие непосредственно от двигателя (обычно с фиксированным передаточным отношением). Для управления работой нагнетателя часто используются электромагнитные муфты.
Преимущества механического наддува таковы: относительная простота конструкции нагнетателей; не используются нагретые до высокой температуры отработавшие газы, что в целом повышает надежность работы агрегатов наддува двигателя; практически мгновенное реагирование нагнетателя на изменение нагрузки, что очень важно для стабилизации подачи воздуха на переходных режимах работы двигателя.
Недостатком механического наддува является необходимость затраты дополнительной мощности на приведение в действие нагнетателя, что сопровождается определенным перерасходом топлива.
Турбонаддув с использованием отработавших газов. В современных двигателях с турбонаддувом используется турбина, приводимая в действие ОГ. Она обеспечивает преобразование тепловой энергии ОГ в механическую работу, которая в компрессоре расходуется на сжатие воздуха перед впуском его в цилиндры двигателя. Агрегат, называемый турбокомпрессором, является комбинацией турбины и центробежного компрессора.
Преимущества турбонаддува состоят в следующем: увеличение удельной мощности двигателя; повышение крутящего момента на частотах вращения коленчатого вала, близких к номинальной частоте; значительное снижение расхода топлива по сравнению с двигателями без наддува равной мощности; уменьшение выбросов токсичных продуктов с ОГ.
Недостатки турбонаддува: установка турбокомпрессора в одном тракте с горячими отработавшими газами требует применения термостойких материалов; необходимо дополнительное пространство для размещения турбокомпрессора и промежуточного охладителя воздуха; недостаточный крутящий момент при малых частотах вращения коленчатого вала; высокая чувствительность дроссельного управления рабочим зарядом к конструкции турбокомпрессора.
Наддув с использованием энергии волн сжатия. Нагнетатель имеет ротор, который сообщается одновременно с подаваемым воздухом и отработавшими газами.
Преимущества наддува с использованием энергии волн сжатия таковы: высокая чувствительность, так как обмен энергией между отработавшими газами и зарядом воздуха на впуске происходит при скоростях газовых потоков, близких к скорости звука; обеспечение относительно высоких значений коэффициента сжатия воздуха при малых частотах вращения коленчатого вала двигателя.
Недостатки наддува с использованием энергии волн сжатия: ограниченность пространства для размещения ротора из-за применения ременного привода и газоподводящих магистралей; необходимость увеличения подачи отработавших газов и продувочного воздуха; шумность при работе; высокая чувствительность к повышению сопротивления в зоне низкого давления.
4.Система охлаждения и смазочная система
Система охлаждения. Чтобы избежать тепловых перегрузок, повышенного выгорания смазочного масла на направляющей поверхности поршня и цилиндровой втулки из-за перегрева отдельных деталей при сгорании топлива в ДВС, все его элементы, расположенные вокруг камеры сгорания (гильза цилиндра, головка блока, клапаны и в некоторых случаях сами поршни), должны интенсивно принудительно охлаждаться.
Непосредственное воздушное охлаждение. Охлаждающий воздух напрямую контактирует с нагретыми частями двигателя и обеспечивает отвод от них теплоты. Основа данного способа охлаждения – пропускание воздушного потока через оребрённую охлаждаемую поверхность. Изначально этот способ применялся на мотоциклетных и авиационных двигателях. В настоящее время он также используется на некоторых дизелях и двигателях с искровым зажиганием. Преимущества такого охлаждения — надежность и почти полное отсутствие необходимости в техническом обслуживании. Недостаток данного метода связан с невысокой эффективностью рассеяния теплоты в охлаждающем воздухе.
Жидкостное охлаждение. Так как вода или другие охлаждающие жидкости обладают высокой теплоемкостью и обеспечивают эффективный отвод теплоты от нагретых поверхностей, большинство современных двигателей имеют жидкостные системы охлаждения. Система содержит замкнутый охлаждающий контур, позволяющий применять антикоррозионные и низкозамерзающие присадки (антифризы). Охлаждающая жидкость прокачивается насосом через двигатель и радиатор.
При движении автомобиля поток охлаждающего воздуха проходит через радиатор свободно и (или) с помощью вентилятора. Температура охлаждающей жидкости регулируется термостатическим клапаном (термостатом), обеспечивающим при необходимости ее перепуск в обход радиатора.
Современные охлаждающие жидкости представляют собой смесь воды, антифриза (в основном этиленгликоля) и различных ингибиторов коррозии, выбираемых в зависимости от назначения двигателя. При концентрации антифриза в охлаждающей жидкости 30…50 % возрастает температура, соответствующая точке кипения этой смеси, что позволяет использовать ее при температурах до 120 °С и давлениях до 140 кПа.
Смазочная система. В ДВС для смазки и охлаждения подвижных деталей применяется моторное масло. Кроме того, оно используется для удаления загрязняющих частиц и нейтрализации химически активных продуктов сгорания, а в ряде случаев — для передачи усилий и демпфирования колебаний в специальных системах двигателя и автомобиля. Масло выполняет эти функции только при поступлении к соответствующим точкам в нужном количестве и при наличии специально оговоренных фирмами-изготовителями физико-химических свойств.
Дозированную смазку осуществляет система, подающая масло порциями к точкам, где оно и расходуется. Особым вариантом данного способа смазки (используемого в основном в небольших двухтактных двигателях) является смешивание масла с топливом в соотношении от 1:20 до 1:100. На большинстве автомобильных двигателей применяется принудительная смазка. Она может осуществляться в комбинации со смазкой разбрызгиванием и «масляным туманом». Основным элементом принудительной смазочной системы является масляный насос (обычно шестеренный), нагнетающий масло под давлением к подшипникам и высоконагруженным парам трения.
После отработки масла во всех подшипниках и парах трения оно стекает и собирается в масляном поддоне. Здесь происходит его охлаждение, гашение пены и осаждение загрязняющих примесей. Высоконагруженные двигатели снабжаются масляным радиатором. Для улавливания из моторного масла твердых частиц (продукты сгорания, металлические частицы износа и пыль) в смазочной системе применяются масляные фильтры. Размеры фильтра определяются степенью загрязнения масла и интервалами между обслуживаниями, регламентированными изготовителем двигателя. Обслуживание или замена фильтра и масла должны осуществляться одновременно.
Полнопоточные фильтры защищают всю систему смазки, и поэтому посторонние частицы улавливаются этими фильтрами во время их первого прохода через систему. Полнопоточные бумажные фильтры тонкой очистки обладают фильтрующей способностью, значительно более высокой, чем у сетчатых или щелевых фильтров. Полнопоточный фильтр имеет перепускной клапан и размещается в системе смазки за редукционным клапаном.
Через неполнопоточные фильтры в современных двигателях проходит лишь 5… 10 % масла с его возвратом после фильтрации в поддон. Большинство таких фильтров, имеющих волокнистые заполнители, следует использовать только совместно с полнопоточными фильтрами. Неполнопоточный фильтр способен задерживать чрезвычайно мелкие частицы (в основном нагар), которые не могут быть удалены из масла полнопоточным фильтром.
5. Система выпуска отработавших газов
Система выпуска обеспечивает снижение концентрации загрязняющих веществ в отработавших газах, выделяемых двигателем. ОГ должны выходить в атмосферу с допустимой шумностью и при минимальных потерях мощности. Система выпуска отработавших газов легковых автомобилей (рис. 3) состоит из трех основных элементов (некоторые из этих элементов могут использоваться и в выпускных системах грузовиков).
Рис. 3. Системы выпуска отработавших газов легковых автомобилей без каталитического нейтрализатора (а) и с нейтрализаторами (б):
1 — передний глушитель; 2 — центральный глушитель; 3 — задний глушитель; 4 — каталитические нейтрализаторы
Каталитический нейтрализатор осуществляет очистку отработавших газов двигателей с искровым зажиганием (в настоящее время нейтрализаторы используются и в дизелях). Его размещают как можно ближе к двигателю для быстрого нагревания до рабочей температуры. Так как нейтрализатор должен играть роль первичного глушителя, его снабжают устройствами, которые кроме очистки отработавших газов обеспечивают снижение шума выпуска. В зависимости от размеров автомобиля и двигателя предусматривают установку одного или большего числа глушителей. На V-образных двигателях левые и правые ряды цилиндров часто имеют свои нейтрализаторы или глушители, которые затем объединяются трубопроводами в одну линию с установкой в ней еще одного общего нейтрализатора.
Выпускными патрубками обеспечивается объединение всех выпускных окон в головке цилиндров в один выпускной коллектор, или большее их число, а также соединение друг с другом каталитических нейтрализаторов и глушителей. Длина и площадь поперечного сечения патрубков и тип соединений влияют на мощность и акустические параметры двигателя. Поэтому система выпуска ДВС с большими рабочими объемами часто имеет две выпускные трубы.
Система выпуска крепится к днищу автомобиля с использованием упругих элементов. Так как вибрация от труб, вызываемая выпуском отработавших газов, может передаваться на кузов
выпуска должны тщательно выбираться. Шум выпуска у среза выпускной трубы может также привести к возникновению резонансных колебаний кузова. Общий объем глушителей на легковом автомобиле должен быть приблизительно в 3 – 8 раз больше рабочего объема двигателя. Масса системы выпуска составляет 8…40 кг.
Каталитический нейтрализатор содержит керамические блочные носители с покрытием из активного каталитического вещества. Для компенсации неодинакового теплового расширение стали, из которой изготавливают корпус нейтрализатора, и керамического материала и для защиты блочного носителя от ударных нагрузок и вибрации применяют два типа упругих монтажных элементов.
Монтажный элемент в виде проволочной сетки изготавливают из термо- и коррозионно-стойкой стали. Он должен противостоять довольно высоким температурам, а также пульсирующим воздействиям отработавших газов на режимах высоки) нагрузок и скоростей.
Монтажный элемент в виде «подушки» изготавливают и: керамического материала, состоящего из волокон силиката алюминия с вкрапленными частицами слюды, которые соединяют посредством акрилового латекса. Полученная таким образом «подушка» при высокой температуре растягивается и запрессовывается на заданное место с образованием монолита. Так как подушка сама по себе является хорошим изолятором, то исключается необходимость в дополнительной теплоизоляции.
Повышенная температура отработавших газов может привести к разрушению монолитных блоков при воздействии на них чрезмерных давлений газов. Если же температура отработавших газов недостаточно высока, то малое давление газов, воздействующее на монолитные блоки, может вызвать их перемещение и повреждение. Пульсирующий характер движения отработавших газов может стать причиной эрозии «подушки».
Часто для ограничения линейного расширения и обеспечения лучшего перемешивания отработавших газов используются несколько последовательно устанавливаемых монолитны блоков. Равномерность прохождения газов через монолитный блок достигается созданием в нейтрализаторе впускного канала определенной формы. Геометрическая форма керамического блока, определяемая монтажным пространством под кузовом автомобиля, может быть треугольной, овальной или круглой.
Альтернативой керамическому монолитному блоку являете каталитический нейтрализатор на металлическом носителе сотовой конструкции. Он изготавливается из гофрированной жаростойкой металлической фольги толщиной 0,05 мм, намотка и пайка которой твердым припоем осуществляется при высокой температуре. Поверхность фольги покрывается пористым слоем вторичного носителя с активным катализатором. Благодаря тонким стенкам фольги при тех же габаритах, что и у керамического нейтрализатора, может быть размещено большее число каналов. Это уменьшает сопротивление прохождению отработавших газов.
Каталитические нейтрализаторы создают дополнительный шум. Причина этого – наличие узких каналов, по которым распространяется газ, из-за чего образуется множество небольших источников звука. Звуковые волны частично гасятся за счёт интерференции и поглощения. При проектировании выпускной системы необходимо подбирать каталитический нейтрализатор таким образом, чтобы избежать высоких уровней сопротивления движению ОГ, в значительной мере влияющих на вибрационные характеристики всей системы выпуска ОГ и мощностные показатели двигателя.
Глушители предназначены для сглаживания пульсаций давления в потоке отработавших газов и максимально возможно снижения шума при их выпуске. В глушителях применяются основном два физических эффекта — резонанс и звукопоглощение. В большинстве глушителей используется сочетание этих эффектов. Так как глушитель вместе с выпускным трубопроводом образует звуковой генератор с собственной резонанс» частотой, его расположение влияет на уровень шумопоглощения. Желательно располагать выпускную систему под днищем кузова как можно дальше от него, чтобы ее собственные колебания не вызывали резонансных явлений в кузове автомобиля. Для максимального снижения звуковых колебаний в кузове теплоизоляции днища кузова от выпускной системы глушители часто изготавливают с двойными стенками и теплоизолирующим покрытием.
Резонаторные глушители состоят из камер различной длин соединенных между собой трубами. Различия в площадях поперечных сечений труб и камер, отклонения потока отработает газов и наличие резонаторов, образованных соединительными трубами и камерами, обеспечивают эффективное глушение шума, особенно на низких частотах. Чем больше камер, тем эффективнее процесс глушения. Однако такой глушитель имеет большую массу и характеризуется относительно большими потерями мощности.
Шумопоглощающие глушители имеют одну камеру, заполненную звукопоглощающим материалом, через которую проходит перфорированная труба. Звуковые колебания через отверстия в этой трубе взаимодействуют со звукопоглощающим материалом и преобразуются в теплоту. Звукоизолирующий материал обычно состоит из длинноволокнистой минеральной ваты (на основе базальта или силикатов), плотность которой составляет 120… 150 г/дм3. Степень глушения шума зависит от плотности и звукопоглощающих свойств материала, а также длины и толщины стенки камеры. Глушение происходит в широком диапазоне звуковых частот.
Для обеспечения требуемых акустических параметров глушителей, т.е. снижения отдельных спектральных составляющих нежелательных частот в суммарном шуме выпуска, применяют различные устройства.
Резонатор Гелъмголъца (сквозного типа) осуществляет снижение шума в области собственных частот колебаний.
Перфорированные трубки с отверстиями действуют подобно разбрызгивателям воды. Один большой источник шума, а именно трубка, преобразуется в множество небольших звукоизлучающих точек, образованных отверстиями в ней (аналогично отверстиям в распылителе). При этом вследствие интерференции звуковых волн и завихрения потока отработавших газов достигается эффект широкополосного фильтра.
Сопла Вентури уменьшают низкочастотный шум. Они сконструированы таким образом, что скорость газового потока в горловине сопла всегда меньше скорости звука. Расширяющийся патрубок должен устанавливаться под таким углом, при котором отсутствует свистящий звук.
Для удаления из отработавших газов дизелей твердых частиц в выпускной системе размещают сажевые фильтры: фильтры с металлической «шерстью», керамическими фильтрующими элементами, спиральные фильтры с керамическим заполнителем и др.
Фильтры с керамическими элементами находят наиболее широкое применение. В отличие от каталитического нейтрализатора со свободным проходом отработавших газов в сажевом фильтре каналы выполнены с чередованием открытых и закрытых концов, а отработавшие газы с частицами сажи пропускаются через пористые стенки ячеистой конструкции без покрытия. Сажевые частицы при этом осаждаются в порах стенок. В зависимости от пористости керамического материала эти фильтры могут задерживать 70… 90 % твердых частиц.
Для нормальной работы при длительных условиях эксплуатации такие фильтры должны подвергаться регенерации через определенные промежутки времени с дожиганием сажевых частиц. При использовании процесса химической очистки специальные присадки к топливу уменьшают температуру воспламенения сажевых частиц до температуры отработавшего газа. Недостатком этого процесса является дополнительный выброс вредных веществ в атмосферу из-за наличия этих специальных присадок.
При осуществлении процесса термической очистки к фильтру подключается нагревательный элемент, с помощью которого температура отработавших газов повышается приблизительно до 700 °С. Процесс регенерации фильтра чаще всего выполняется при неработающем двигателе. Выбор длительности регенерации фильтра зависит от продолжительности его работы или противодавления выпуску. Для регенерации фильтра во время работы двигателя используют два одинаковых фильтра, которые попеременно подвергают очистке. Однако такой способ считается весьма неэкономичным.
Еще один способ очистки связан с подачей части потока отработавших газов во время регенерации через глушитель; при этом оказываются неочищенными только 5 % отработавших газов. Проводится разработка нагревательных элементов, позволяющих одновременно фильтровать газы и регенерировать фильтр (полнопоточная регенерация).
Контрольные вопросы
1. Назовите основные типы транспортных силовых энергетических установок и их классификационные признаки.
2. В чем состоят различия между идеальным, теоретическим и действительным (рабочим) циклами транспортных силовых установок?
3. Что понимают под индикаторными и эффективными показателями работы транспортных ДВС?
4. Перечислите составляющие уравнения внешнего теплового баланса ДВС.
5. Каков оптимальный характер тепловыделения в дизельных двигателях и какими мерами он обеспечивается?
6. Назовите достоинства двигателей на ТЭ. Чем они обусловлены?
7. Какие основные агрегаты входят в состав топливной аппаратуры бензиновых транспортных двигателей и дизелей?
8. Как классифицируют транспортные ДВС по конструктивным особенностям исполнения ЦПГ и КШМ?
9. Каким требованиям должны удовлетворять система охлаждения и смазочная система транспортных ДВС и какими конструктивными приемами обеспечивается их выполнение?