Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Выбор оптимальной конструктивной схемы электроуправляемой форсунки 12
1.1. Направления развития современных систем управления дизелем 12
1.2. Требования к электроуправляемым форсункам 17
1.3. Электромеханические форсунки 18
1.4. Особенности конструкции и преимущества использования электрогидравлических форсунок (ЭГФ) в дизеле 19
1.5. ЭГФ с дроссельным гидравлическим приводом 20
1.6. ЭГФ с пьезоэлектрическим приводом 25
1.7. ЭГФ с однозатворным управляющим клапаном и обратными связями 28
1.8. ЭГФ с двухзатворным управляющим клапаном 35
1.9. ЭГФ с двухзатворным разгруженным клапаном и электромагнитным приводом двойного действия 39
1.10. Выводы 44
ГЛАВА 2. Выбор оптимальной конструкции электроуправляемого привода ЭГФ ... 46
2.1. Привод на основе геленоида 46
2.2. Привод на основе коленоида 49
2.3. Привод на основе сектороида 51
2.4. Привод на основе соленоида 53
2.5. Выбор конструкции электроуправляемого привода для ЭГФ 55
2.6. Основные этапы процесса срабатывания соленоида 56
2.7. Выводы 62
ГЛАВА 3. Математическое описание процессов в электрогидравлической форсунке с электромагнитным клапаном двойного действия и обратными связями по относительному положению двухзатворного клапана поршня 63
3.1. Расчетная схема ЭГФ с электромагнитным приводом двойного действия и двухзатворным управляющим клапаном 63
3.2. Этапы процесса впрыскивания 67
3.3. Уравнения расходов топлива в камерах ЭГФ 69
3.4. Определение границы и щели между распылительной камерой и распылительным каналом 70
3.5. Вычисление площадей щелей и объемов камер ЭГФ 81
3.6. Расчет сил на неподвижном управляющем клапане 87
3.7. Вычисление основных рабочих характеристик соленоида 88
3.8. Расчет электромагнитного привода ЭГФ 94
3.9. Аппроксимация кривой изменения электромагнитной силы 101
3.10. Уравнения движения 104
3.11. Математическая модель ЭГФ с электромагнитным приводом двойного действия и двухзатворным управляющим клапаном 111
3.12. Выводы 116
ГЛАВА 4. Исследования ЭГФ с клапаном двойного действия и обратными связями по относительному положению двухзатворного клапана и поршня 117
4.1. Таблица основных параметров форсунки в математической модели и программе INJECT 2.0 117
4.2. Основные допущения, принятые в аналитических исследованиях 123
4.3. Моделирование процессов и выбор оптимальных конструктивных параметров форсунки 124
4.3.1. Выбор параметров обратной связи 125
4.3.2. Изучение характеристики цикловой подачи для ЭГФ со штифтом оптимальной длины 135
4.3.3. Исследование процесса впрыскивания в зоне малых подач 137
4.4. Анализ работы форсунки при оптимальных конструктивных параметрах 153
4.5. Экспериментальные исследования 164
Выводы 176
Список литературы 180
- Направления развития современных систем управления дизелем
- ЭГФ с двухзатворным разгруженным клапаном и электромагнитным приводом двойного действия
- Расчетная схема ЭГФ с электромагнитным приводом двойного действия и двухзатворным управляющим клапаном
- Таблица основных параметров форсунки в математической модели и программе INJECT 2.0
Введение к работе
Ведущие автомобилестроительные фирмы расширяют применение дизелей на легковых и малотоннажных грузовых автомобилях. Рынок дизелей в Западной Европе переживает подъем. По исследованиям фирмы Perkins (Великобритания) на 53 % новых французских и 20 % новых германских легковых автомобилей устанавливаются дизели. И эта доля, по мнению фирмы, будет возрастать. По данным фирмы Peugeot (Франция) 62 % покупателей среднего класса во Франции и 29,8 % в Европе предпочитают автомобиль с дизелем [73, 81]. Причина необычного роста спроса на автомобили с дизелями проста: расход дизельного топлива на 100 км составляет от 5 до 7 л и с учетом более низкой цены по сравнению с бензином «евросупер» расходы на эксплуатацию таких автомобилей могут снизиться почти в два раза. Кроме того, низкий расход дизельного топлива ведет к снижению общего выброса оксидов углерода. Дизельное топливо не содержит токсичных соединений свинца, присущих этилированному бензину, который все еще находит применение в нашей стране [37, 70].
В 90-е годы ведущие автомобильные фирмы разработали и освоили производство новых дизелей, охватывающих диапазон мощностей 37 - ПО кВт и номинальных частот вращения коленчатого вала 3400 - 5800 мин "\ Эти двигатели с рабочим объемом 1,5 - 3,5 л устанавливаются на легковые автомобили, небольшие грузовики, микроавтобусы и специальные автомобили [52, 84].
К лучшим образцам зарубежных дизелей можно отнести дизели фирмы Mercedes-Benz модели ОМ-602 и модели ОМ-611 [96]; семейство турбодизелей фирм Volkswagen и Audi; дизели М14 ТСА фирмы Steyr-Daimler-Puch AG и разработку фирмы AVL (Австрия) — дизель LEADER, который, по мнению руководства этой фирмы, определяет направление развития дизелей в XXI в.
В целом сложились два направления в создании автомобильных дизелей: первое — специализированное проектирование, второе — переоборудование в дизель хорошо зарекомендовавшего себя бензинового двигателя с достаточно
прочной конструкцией базовых деталей. Первое направление доминирует в ди-зелестроении большого литража и в создании авангардных двигателей (типа LEADER), второе — у большинства автомобильных фирм, обеспечивших массовое применение дизелей на легковых и малотоннажных грузовых автомобилях.
Первое направление облегчает разработчикам задачу создания автомобильных дизелей с запланированными параметрами, но усложняет организацию промышленного производства двигателя в связи с необходимостью чрезвычайно больших капитальных вложений. Второе направление усложняет разработчикам задачу создания дизеля, однако не требует больших капитальных вложений и сокращает сроки до начала производства новой модели дизеля. Примером второго направления может служить опыт фирмы BMW, которая в 1983 г. на базе серийных бензиновых 6-цилиндровых двигателей разработала вихрекамерный дизель с турбонадцувом для легкового автомобиля 524td. При разработке в конце 80-х годов нового дизеля для автомобилей 325td и 525td эта фирма допускала значительную свободу в выборе конструктивных решений. Ограничения касались только обусловленной производством унификации ряда конструктивных размеров (расстояния между цилиндрами, диаметров коренных и шатунных подшипников). В итоге экономичность нового дизеля повысилась более чем на 10 %, при значительном улучшении экологических показателей^].
Двадцать шесть ведущих автомобильных фирм Западной Европы, США и Японии наряду с бензиновыми двигателями устанавливают дизели на 135 моделях легковых и малотоннажных грузовых автомобилей. Наличие дизельной модификации, дополняющей ряд бензиновых моторов, стало уже традицией. Дешевый и легко устанавливаемый в подкапотное пространство дизель удовлетворяет определенные потребности автомобильного рынка.
Ежегодный мировой рост числа автомобилей предъявляет жесткие требования к экологическим параметрам дизеля. Особенно остро эта проблема встает
в мегаполисах и крупных промышленных центрах. Ограниченность мировых запасов топливных ресурсов требует от современного дизеля высокой экономичности. Для соответствия российских дизелей экологическим нормам, уже действующим в развитых странах мира, необходимо гибкое управление параметрами впрыскивания топлива и переход на качественно иной уровень управления дизелем [22, 50, 79].
Существенное улучшение эксплуатационных характеристик двигателей внутреннего сгорания, возможно, главным образом, за счет выхода за освоенные в серийных образцах предельные значения параметров рабочего процесса и реализации новых конструктивных схем двигателей. Наряду с применением для этого новых материалов и технологий необходимо одновременное совершенствование систем автоматического управления дизелей. Для серийно производимых дизелей также необходимо управление, обеспечивающее наиболее полное использование возможностей, заложенных в их конструкции. Поэтому важнейшей целью внедрения новых систем управления в дизелестроении является повышение эффективности использования дизелей за счет совершенствования управления.
Анализ состояния и тенденций развития дизелестроения в России и за рубежом показывает, что традиционные механические и гидромеханические управляющие системы исчерпали свои возможности и радикальное совершенствование технических, экономических и, в особенности экологических характеристик двигателей возможно только при эффективном использовании электронных систем управления. Эти системы должны обеспечивать индивидуальное импульсное оптимальное управление рабочим процессом в каждом цикле каждого цилиндра двигателя как в установившихся, так и в переходных процессах [4,51].
Многообразие и сложность функций, которые должны выполняться системами управления современных транспортных средств и стационарных энергетических установок, предопределили их реализацию на основе цифровой, в
настоящее время главным образом микропроцессорной технике [36]. Важнейшей частью, зачастую определяющей экологическую и экономическую эффективность транспортной или стационарной установки, являются электронные системы управления первичными тепловыми двигателями.
Электроуправляемые форсунки (ЭУФ) представляют собой главный элемент наиболее совершенных электронных топливных систем (ЭТС) дизелей. Они обеспечивают оптимизацию рабочих процессов в цилиндрах по расходу топлива при ограничении вредных выбросов автомобильными дизелями. Для обеспечения этого требуются повышение быстродействия ЭУФ и уменьшение расхода энергии на управление [49].
Для достижения максимального эффекта от применения ЭУФ необходимо их тщательное исследование и оптимизация их параметров. ЭУФ представляет собой сложный элемент в системе управления дизелем с массой нелиней-ностей и многочиленных связей. В форсунках этого типа нельзя рассматривать электрическую часть отдельно от гидравлической составляющей. Только совместный учет влияния гидравлических и электромагнитных сил позволяет получить оптимальные характеристики впрыскивания. Для обеспечения максимального быстродействия работы электромагнита необходима точная обработка его рабочих поверхностей. Но ни один производитель в мире не будет изготавливать прецензионные пары специально для электромагнитного привода, так как это связано с большими затратами и существенно повышает стоимость изделия. В форсунке использование прецензионной обработки является обязательным условием их изготовления, которое обеспечивает необходимую точность перемещения основных деталей в районе нескольких сотых миллиметра. Поэтому высокую точность обработки поверхностей форсунки можно успешно параллельно использовать и в электромагнитном приводе, что существенно повышает его быстродействие и как следствие, улучшает основные характеристики форсунки.
Общей целью излагаемых ниже работ было улучшение технических характеристик электроулравляемой форсунки за счет выбора эффективной конструктивной схемы и оптимизации конструктивных параметров.
В соответствии с этим непосредственными задачами диссертационной работы были:
разработка конструктивной схемы электроулравляемой форсунки для дизелей с микропроцессорной системой управления;
создание математического описания электроулравляемой форсунки;
исследование процессов в электроуправляемой форсунке;
оптимизация конструктивных параметров форсунки по быстродей
ствию и гидравлическому КПД;
Методы исследования. Теоретическое исследование процессов в электрогидравлической форсунке проводилось с помощью программы Inject 2.0, разработанной в среде C++. Процесс впрыскивания топлива в электрогидравлической форсунке исследовался на безмоторном стенде «Фридман и Майер».
Научная новизна работы заключается:
в математической модели, отражающей специфические отличия форсунки с электромагнитным приводом двойного действия и обратными связями по относительному положению двухзатворного клапана и поршня;
в установлении существенного влияния положительной обратной связи по относительному положению двухзатворного клапана и поршня на повышение скоростных показателей и гидравлического КПД форсунки;
в выявлении причин нарушения монотонности зависимости цикловой подачи топлива в цилиндр от длительности управляющего импульса в зоне малых подач;
в определении средств оптимизации по быстродействию и гидравлическому КПД конструктивных параметров форсунки с электромагнитным приводом двойного действия и обратными связями по относительному положению
двухзатворного клапана поршня.
Практическую ценность представляют:
оригинальная конструктивная схема электрогидравлической форсунки с электромагнитным приводом двойного действия и обратными связями по относительному положению двухзатворного клапана и поршня, позволяющая повысить быстродействие и снизить расход топлива на управление с учетом ограничений на ее габаритные размеры;
ускоренная методика аналитического исследования процессов, протекающих в электрогидравлической форсунке, позволяющая в сжатые сроки проверить влияние предполагаемого изменения конструктивных параметров форсунки на её технические показатели;
рекомендации по устранению явления нарушения монотонности функции в зоне малых подач на характеристике циклового расхода топлива в цилиндр.
Практическая реализация. Математическая модель и результаты исследования процессов в электрогидравлической форсунке приняты в НИИД (г. Москва) для разработки электрогидравлической форсунки с повышенными технико-экономическими показателями.
На защиту выносится следующее:
конструктивная схема электрогидравлической форсунки с электромагнитным приводом двойного действия и обратными связями по относительному положению двухзатворного клапана поршня;
математическая модель электрогидравлической форсунки с электромагнитным приводом двойного действия и обратными связями по относительному положению двухзатворного клапана поршня;
методика оптимизации конструктивных параметров форсунки по быстродействию и гидравлическому КПД на основе результатов аналитических исследований ее математической модели;
результаты исследования причин нарушения монотонности функции в зоне малых подач на характеристике циклового расхода топлива в цилиндр.
Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось на Международной научно-технической конференции "Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий" (Сочи, 1999), XXXI и XXXIX Международных научно-технических конференциях ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки кадров» (Москва, МГТУ «МАМИ», 2000, 2002), Международной научно-технической конференции "MotoAuto 2000й (София, 2000), Всероссийском научно-техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок (Москва, МГТУ им. Баумана, 2003).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 статей и тезисы 5 докладов.
Направления развития современных систем управления дизелем
Форсунка является главным элементом топливной системы дизеля. Для разработки перспективной конструкции форсунки для современного дизеля необходимо провести анализ тенденций развития топливных систем.
Дизели с непосредственным впрыском топлива, благодаря своей высокой топливной экономичности и низкой эмиссии окиси углерода [24], еще на долгое время останутся основной энергетической установкой грузовых автомобилей. На рынке легковых автомобилей дизель также имеет большие перспективы, особенно если будет снижена его шумность и улучшены динамические характеристики [4, 6, 22].
На современном этапе простая замена всего или части механического или гидромеханического регулятора дизеля электронным не может дать радикального улучшения параметров и характеристик дизелей, позволяя в то же время реализовать электронное управление без существенного изменения конструкции собственно дизеля [41, 49, 51, 72].
Новые поколения дизельных двигателей требуют применения сложных систем управления процессом сгорания, высокая стоимость которых снижает эффект от улучшения топливной экономичности и повышения удельной мощности двигателя. По данным исследовательской фирмы KGP (Великобритания), применение электронного регулирования топливоподачи увеличивает удельную мощность двигателей с разделенной камерой сгорания на 5 %, но стоимость двигателя при этом возрастает на 20 %, а двигателя с непосредственным впрыском - на 30 %. Однако, такие дополнительные затраты являются неизбежными, поскольку основным фактором, определяющим в настоящее время развитие дизелестроения, является постоянно ужесточаемое нормирование эмиссии токсичных веществ. Жесткие нормы ЕВРО-4 и ЕВРО-5 по токсичности, а также жесткие нормы по шуму требуют от дизелестроителей и их партнеров по комплектации провести радикальную модернизацию дизелей, одним из важнейших элементов которой является переход на дизельную топливную аппаратуру нового поколения с электронным или микропроцессорным управлением [25, 50, 90, 91, 92, 94, 95, 97]. В основе такой топливной аппаратуры: насос - форсунки с механическим приводом, индивидуальные насосные секции с короткими нагнетательными топливопроводами [2, 75]. Для быстроходных малолитражных дизелей необходимы новые, форсированные по давлению впрыскивания распределительные топливные насосы с электронным управлением [101,105, 106].
На сегодня уже практически повсеместно внедрены простейшие электронные регуляторы стабилизирующего типа для многоплунжерных топливных насосов и насос-форсунок с золотниковым способом дозирования [5, 10, 13, 17], и все более широко применяемые многоплунжерные топливные насосы заменяются насосами следующего поколения (индивидуальными насосными секциями) и насос-форсунками с дозированием топлива с помощью быстродействующих электромагнитных клапанов, управляемых программируемыми микроконтроллерами [15, 22, 27, 52, 62, 88, 102, 103]. Создание и массовое производство быстродействующих электромагнитов с большой перестановочной силой значительно ускорило разработку топливной аппаратуры нового поколения.
Одной из проблем, возникающих при применении насос - форсунок с механическим приводом плунжера [29], является необходимость перекомпоновки головки блока цилиндров для размещения верхнего распределительного вала и самой насос-форсунки, что затрудняет их использование на существующих дизелях. Индивидуальные насосные секции с приводом от кулачков распределительного вала, имеют те же преимущества, как и насос - форсунки, но их компоновка на двигателе облегчена, что делает их более предпочтительными по сравнению с насос - форсунками. Системы подобного типа обеспечивают максимальные давления впрыскивания до 180 МПа и в настоящее время серийно выпускаются ведущими зарубежными фирмами Bosch, Detroit Diesel, Zexel и другими [85, 87, 98, 99]. Однако, общим недостатком этих топливных систем является трудность управления величиной давления впрыскивания в зависимости от режима работы из-за механического привода плунжера.
Учитывая сложность решения проблем компоновки, обеспечения низкой стоимости, получения более широких возможностей управления параметрами впрыскивания, все ведущие специализированные фирмы интенсивно разрабатывают принципиально новые топливные системы, главным образом аккумуляторные [1, 22, 39, 49, 93]. Первые в мире разработки аккумуляторных топливных систем были сделаны в России [49]. Такие системы позволяют существенно облегчить компоновку двигателя за счет упрощения конструкции топливного насоса и обеспечить гибкое управление всеми необходимыми параметрами впрыскивания. За рубежом аккумуляторная топливная система (АТС) называется системой "Common Rail" - "Общая магистраль".
Многие автомобильные компании уже наладили серийный выпуск двигателей с системой Common Rail. Например, новый седан Alfa Romeo 156 оснащается турбодизелем с этой системой. Систему впрыскивания на этом автомобиле назвали Unijet Система была разработана Fiat Group при поддержке Magneto Marelli, Fiat Research Centre и Elasis. Конечную доработку и производство Unijet осуществил Bosch [66]. Давление впрыскивания достигает 160 МПа (по сравнению с традиционными 90-100 МПа). Давление может изменяться от 15 до 160 МПа для адаптации к условиям работы. Более высокое давление создает лучшее разбрызгивание топлива, что приводит к лучшему смешиванию топлива с воздухом и более полному сгоранию рабочей смеси [17]. С середины 1997 г. аккумуляторную систему топливоподачи устанавливают на новые дизели для легковых автомобилей фирмы Daimler-Benz классов А и С. Detroit Diesel Corp. (DDC) ввел в 1999 году новую линию двигателей с системой Common Rail объемом 2,5 и 4,2 л. Новые двигатели меньше своих предшественников, обладают улучшенными характеристиками, позволяющими сочетать резвость бензинового двигателя с экономичностью дизеля [18].
Новый Opel Vectra комплектуется как бензиновыми двигателями, так и тремя дизелями серии Ecotec [44]. Обновленный Fiat Punto оснащается 1,3-литровым турбодизелем Murajet мощностью 70 л. с [45]. Новейший BMW 530d несет под своим капотом дизель мощностью 218 л. с. и крутящим моментом 500 Нм [32]. Не отстает от современных тенденций и концерн «VW Group» - их новый VW Phaeton имеет в линейке двигателей и 10-цилиндровый турбодизель (5,0 л., 310 л.с.) [80]. Дизели всех перечисленных современных автомобилей построены с использованием системы Common Rail.
Новые двигатели с системой Common Rail способны отвечать нормам по вредным выбросам Еиго-4 и Euro-5 [52].
ЭГФ с двухзатворным разгруженным клапаном и электромагнитным приводом двойного действия
Схема электрогидравлической форсунки с двухзатворным разгруженным клапаном и электромагнитным приводом двойного действия, в разработке которой принимал участие автор, показана на рис. 1.9.1. Главной целью разработки новой конструктивной схемы - приблизиться по скоростным характеристикам и форме силовой характеристики к поляризованному пьезоприводу, используя при этом технологические и экономические преимущества хорошо освоенного в производстве электромагнитного привода. Для многих функций, выполняемых ЭГФ, быстродействие при закрытии играет такую же важную роль, как и при открытии. Например, крутизна заднего фронта характеристики впрыскивания во всех случаях целесообразна не ниже, чем у переднего. Обеспечение этого в ЭГФ с двухзатворным разгруженным управляющим клапаном целесообразно применением электромагнитного привода двойного действия, состоящего из открывающего и закрывающего электромагнитов [54, 59].
Электрогидравлическая форсунка с двухзатворным разгруженным клапаном с обратной связью по положению клапана и поршня, представленная на рис. 1.9.1, содержит корпус 1, иглу (игольчатый клапан) 15, перекрывающую подачу топлива к распыливаюшим отверстиям, сопряженный с иглой поршень 2, диаметр которого больше диаметра цилиндрической направляющей и уплотняющей поверхности иглы, управляющую камеру 3, в которую выходит верхний свободный торец поршня. Управляющая камера питается топливом из аккумулятора через нормально открытый затвор 12 управляющего клапана 11 в подводящем канале и сообщается со сливом через сливной канал, в котором размещен нормально закрытый затвор управляющего клапана 11с цилиндрической направляющей поверхностью, сопряженной с соответствующей поверхностью в корпусе форсунки, с возвратной пружиной 10, приводимого открывающим электромагнитом-соленоидом (нижний электромагнит) 4.
Закрывающий соленоид (верхний электромагнит) 5 срабатывает при отключении открывающего соленоида. Использование дополнительного соленоида позволяет сократить время перелета клапана и повысить быстродействие форсунки [23]. Управление фазами и выбор оптимальных режимов работы соленоидов осуществляется микроконтроллером. Верхний электромагнит дополняет или даже заменяет другие средства создания сил, возвращающих якорь в исходное положение и удерживающих его в этом положении. Функцией пружины может остаться только исключение утечек топлива на неработающем двигателе. В таком исполнении нижнему электромагниту, обеспечивающему открытие форсунки, противодействует уменьшенная сила, что позволяет повысить его быстродействие или снизить энергопотребление.
Управляющий клапан 11 соединен с двухтарельчатым якорем 9. Пружина 14 служит для фиксации иглы при неработающем двигателе в закрытом положении для предотвращения протекания топлива в цилиндр.
Для повышения быстродействия электромагнитных управляющих клапанов с наиболее современными коническими или шаровыми затворами, исключающими утечки топлива через закрытый затвор, то есть в паузах между впрыскиванием топлива, целесообразна максимальная разгрузка управляющих клапанов от сил, создаваемых давлением топлива [59]. Возможна, по крайней мере, частичная, такая разгрузка путем подачи на неработающий торец управляющего клапана в специальной уравновешивающей камере 7 компенсирующего давления топлива. Уравновешивающая камера на управляющем клапане может быть создана одеванием на свободный конец клапана разгружающей самоустанавливающейся втулки 6, внутренняя поверхность которой сопрягается с наружной поверхностью клапана, образуя направляющую для этой втулки и уплотнение зазора. Уравновешивающая камера втулки (за нормально закрытым затвором управляющего клапана) сообщается с каналом слива топлива одним или несколькими отверстиями 8. Внутри управляющего клапана выполняется канал 12, сообщающий внутреннюю полость разгружающей втулки с выходом из управляющей камеры форсунки. Перемещение втулки по клапану в сторону от затвора ограничивается упором, в качестве которого удобно использовать верхнюю часть корпуса 1. Двухзатворный разгруженный клапан обеспечивает требуемый рабочий ход 0,05 мм, что в 3 раза меньше, чем у однозатворного клапана [49].
При достаточном давлении топлива в управляющей камере втулка, как показано на рис. 1.9.1, находится в крайнем верхнем положении и позволяет электромагниту перемещать управляющий клапан вниз.
В ЭГФ с разгруженными клапанами могут быть применены все указанные ранее варианты использования дифференциальных эффектов и обратных связей в управляющих клапанах. Целесообразно использовать эти эффекты в работе форсунки. Характер дифферинциального эффекта зависит от соотношения диаметров управляющего клапана. Если диаметр нижней части управляющего клапана больше эффективного диаметра верхнего нормально закрытого затвора, но меньше диаметра верхней части управляющего клапана, то в исходном состоянии разность сил на клапане от давления в управляющей камере направлена в сторону запирания клапана Этот вариант, при котором величина диаметра нормально открытого затвора меньше диаметра клапана в корпусе, но больше диаметра клапана на седле во втулке, на сегодняшний день является предпочтительным и позволяет ослабить или даже полностью исключить пружину. Причем эта гидравлическая запирающая сила существует только на закрытом клапане.
После отрыва от седла во втулке давление перед и за затвором изменяется, площадь клапана, на которую действует давление во втулке, увеличивается, разность сил на клапане изменяет направление и суммируется с силой электромагнита, ускоряя движение клапана и якоря.
Расчетная схема ЭГФ с электромагнитным приводом двойного действия и двухзатворным управляющим клапаном
На рис. 2.6.1 показаны основные этапы процесса срабатывания электромагнита-соленоида. Для сравнения временных показателей на графике приведены закон изменения тока i=f(t) и закон движения якоря (клапана), совпадающий с зконом изменения рабочего зазора 5=f(t), для нефорсированного и форсированного режимов работы электромагнита. Пунктиром показаны значения тока при искусственно заторможенном, лишенном возможности двигаться якоре. Без учета насыщения магнитопровода можно считать, что нарастание тока происходит по экспоненте с постоянной времени Тэм. Установившиеся в конце процесса значения тока отмечены индексом «у», Un - напряжение питания [21, 67].
При свободном якоре, когда ток достигнет значения трогания Ітр, электромагнитная сила на якоре превысит силы, противодействующие его движению, якорь тронется из исходного положения. В результате уменьшения воздушного зазора при перемещении якоря уменьшается магнитное сопротивление зазора Это создает дополнительное увеличение магнитного потока, создающее э.д.с, уменьшающую ток в обмотке. При выходе якоря на упор дополнительное увеличение магнитного потока и соответственно указанная э.д.с. прекращаются, и ток продолжает нарастание по экспоненте до тех же установившихся значений [12].
Время нарастания тока от 0 до 1 называется временем трогания Ц. При движении якоря изменяется индуктивность и постоянная времени Тэм электромагнита Время, за которое якорь проходит расстояние от исходного положения (с момента начала движения) до конечного положения (конца рабочего хода), называется временем движения t . Время, равное сумме t , и t ,, называется временем срабатывания электромагнита t .
Нефорсированный режим работы электромагнита длительно допустимым нагревом обмотки. Времена трогания и срабатывания в случае использования нефорсированного режима довольно велики. Даже при использовании конструктивных средств совершенствования электромагнитов трудно достижимо быстродействие, необходимое для управления характеристикой впрыскивания в цилиндры двигателя топлива под высоким давлением. Целесообразно повышение эффективности электромагнитов без или в дополнение к конструктивным алгоритмическими средствами. Они выражаются в управлении микроконтроллером параметрами электрических импульсов, подаваемых на электромагниты. Этот путь, безусловно, наиболее экономичен. Для повышения быстродействия необходимо увеличить электромагнитную силу, что можно достичь без увеличения габаритных размеров электромагнита форсированием - кратковременным повышением напряжения управляющего импульса [31].
Для ускорения срабатывания на электромагнит подают повышенное напряжение, на рис. 2.6.1 примерно в 5 раз больше, чем для номинального режима. Реально кратность увеличения может быть и больше 10. Очевидно, что такое форсирующее увеличение напряжения, а соответственно и тока, допустимо только на очень короткое время. Кривые и их временные параметры для форсированного режима отмечены индексом «ф».
Постоянная времени Тэм и идуктивность обмотки электромагнита изменяются при движении якоря особенно при форсировании [63]. Видно, что при повышенном напряжении время трогания значительно сокращается. Время движения также сокращается, хотя и в меньшей степени. В конкретных образцах электромагнитов соотношение этих сокращений может быть иным, но в любом случае уменьшение времени срабатывания и его составляющих безусловно. Форсирование необходимо не дольше, чем до момента выхода в окрестности упора Практически целесообразен разгон якоря только до некоторой максимально достижимой скорости. Эта скорость определяется соотношением электромагнитной силы и силы сопротивления движению. Электромагнитная сила, создаваемая током в обмотке, не может быть существенно выше значения, соответствующего неизбежному при форсировании выходу материала магнитопровода в насыщение. Сила сопротивления движению растет со скоростью якоря. Поэтому скорость якоря в конце хода постоянна и не зависит от дальнейшего нарастания тока. Микроконтроллер на этом интервале форсирования ограничивает уровень тока.
На рис. 2.6.2 показан типичный состав управляющего импульса форсированного электромагнита. Напряжение и длительность форсирующего импульса отмечены индексом «ф». Дополнительное ускорение срабатывания может быть достигнуто подачей на электромагнит предваряющего импульса, который к моменту прихода форсирующего импульса создает в обмотке ток меньший тока трогания, но достаточно близкий к нему. Параметры этого импульса на рис. 2.6.2 имеют индекс «пр».
Для удержания притянутого якоря вследствие уменьшения воздушного зазора достаточен ток меньше тока трогания. Если необходимая длительность управляющего импульса больше длительности форсирующего импульса, микроконтроллер формирует удерживающий импульс, параметры которого отмечены индексом «уд». В процессе удерживающего импульса ток в обмотке спадает от форсирующего до номинального уровня. При достаточно длительном удерживающем импульсе ток может достигнуть достаточного для удержания якоря установившегося значения [50].
Для форсирования отпадания якоря микроконтроллер может формировать размагничивающий импульс. Он должен создавать магнитный поток, направленный встречно основному. Этим ускоряется спадание результирующего потока, трогание якоря с упора и его движение к упору. Излишние величина или длительность размагничивающего импульса могут вызвать повторное не нужное срабатывание электромагнита. Размагничивающий импульс может иметь обратную полярность для подачи его в ту же обмотку.
Этот пример и показан на рис. 2.6.2. Параметры его обозначены индексом «р». Размагничивающий импульс может быть подан в дополнительную обмотку. Закрывающий электромагнит не требует удержания, поскольку используется только для перемещения клапана в исходное положение, а удержание клапана в исходном положении до следующего цикла впрыскивания осуществляется посредством пружины либо использованием дифференциальных эффектов. Поэтому форсирующий импульс закрывающего электромагнита для электромагнитного привода двойного действия совпадает с размагничивающим импульсом открывающего электромагнита. В форсированном режиме несколько возрастет нагрев обмотки, но при возможности охлаждения электромагнита топливом и с учетом кратковременности этого режима, это обстоятельство существенно не отразится на надёжной работе электромагнита [64].
Таблица основных параметров форсунки в математической модели и программе INJECT 2.0
После отрыва от седла во втулке давление перед и за затвором изменяется, площадь клапана, на которую действует давление во втулке, увеличивается, разность сил на клапане изменяет направление и суммируется с силой электромагнита, ускоряя движение клапана и якоря (участок be).
При приближении штифта ко входу во внутренний канал клапана ускоряющая открытие гидравлическая сила уменьшается из-за увеличения гидравлического сопротивления на входе внутреннего канала управляющего клапана (участок cd). После перекрывания штифтом хотя-бы частично внутреннего канала клапана продолжается увеличение гидравлического сопротивления между управляющей камерой и внутренней камерой во втулке за счет уменьшения площади отверстия в канале, давление в управляющей камере растет, движение поршня замедляется вплоть до полной его остановки, а на управляющем клапане за счет разности давлении на его торцах появляется дополнительная сила, действующая в сторону подъема клапана (участок de), т. е. гидравлическая сила еще раз меняет свой знак.
Действия гидравлической Fr, электромагнитной силы открывающего электромагнита F3M0 и силы пружины F , создают результирующую силу на управляющем клапане Fp. В процессе открытия форсунки закрывающий электромагнит не работает, поэтому его электромагнитная сила F3M3 показана на диаграмме горизантальной линией (F3M3 = 0).
Штриховыми линиями показан процесс открытия форсунки с уменьшением открывающей электромагнитной силы в конце рабочего хода управляющего клапана. Изменение F3Mo по закону, представленной кривой ghk, помогает создать результирующую силу (кривая Imo), которая удерживает клапан в открытом состоянии благодаря удерживающему импульсу, снижающему нагрев обмотки электромагнита При законе изменения эмо, показанной на кривой ghp, возможно получить результирующую силу (кривая lmf), которая действует в сторону закрытия клапана, что сокращает время перелета клапана в исходное положение и повышает быстродействие работы форсунки. На рис. 3.10.2 представлен процесс закрытия форсунки. После снятия управляющего сигнала с обмотки открывающего электромагнита электромагнитная сила F3MO уменьшается от значения ТЭМОК ДО нуля. Электромагнитная сила F3MO показана на рисунке горизонтальной линией. Одновременно с этим процессом на обмотку закрывающего электромагнита подается управляющий сигнал, в результате чего начинается рост электромагнитной силы F3M3 от начального значения F3M3H до конечного этк во время движения клапана из начального положения х - Хктах, соог-ветствущего начальному воздушному зазору закрывающего электромагнита бзн, в конечное положение Хкк, соответствующее конечному воздушному зазору закрывающего электромагнита 8ЗК.
До начала движения управляющего клапана вверх на него действует ускоряющая закрытие гидравлическая сила, обусловленная перекрыванием штифтом входа во внутренний канал клапана. Дополнительная гидравлическая сила может существенно превосходить силу возвратной пружины или закрывающего электромагнита, или даже их сумму. При необходимости возможно и совместное использование любых комбинаций возвращающих сил (электромагнитной, гидравлической, силы упругости возвратной пружины), но, как правило, достаточно одной гидравлической для существенного увеличения скорости закрытия клапана.
При движении клапана вверх гидравлическая сила сначала растет (участок fg). После выхода штифта из внутреннего канала клапана гидравлическая сила уменьшается вследствие снижения гидравлического сопротивления между управляющей камерой и внутренней камерой во втулке (участок qr).
При необходимости (в случае испльзования короткого штифта) можно получить минимальную гидравлическую силу на конечном участке движения клапана для мягкой посадки клапана на седло во втулке (участок its), которой соответствует результирующая сила, описываемая участком vxw.
Обратная связь, создаваемая штифтом, может проявиться только при указанном относительном положении клапана и поршня, то есть только после установившегося процесса впрыскивания топлива
На процесс открытия ЭГФ и установившийся процесс впрыскивания топлива эта обратная связь влияния не оказывает. Но в начале закрытия ЭГФ при начале открывания нормально открытого затвора управляющего клапана (в результате отпадания электромагнита) вход в канал клапана прикрыт и имеет увеличенное гидравлическое сопротивление. Рост давления во втулке существенно отстает от роста давления в управляющей камере. Создается дополнительная временная гидравлическая сила на клапане, ускоряющая его движение вместе с якорем электромагнита к исходному положению. Несколько ускоряется и трогание поршня в сторону закрытия.
Дальнейшее увеличение числа затворов у управляющих клапанов или увеличение числа одно - или даже двухзатворных управляющих клапанов в одной ЭГФ, не создавая очевидных преимуществ по сравнению с введением обратных связей, существенно усложняет устройство, стоимость и увеличивают габариты ЭГФ [50].
