Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы, цель и задачи исследования 12
1.1. Особенности рабочего процесса дизеля. Причины возникновения вредных веществ в отработавших газах 12
1.2. Современные и перспективные нормативы, ограничивающие вредное воздействие дизелей на окружающую среду 17
1.3. Основные способы снижения токсичности отработавших газов дизелей 24
1.4. Устройство и основные функции системы электронного управления топливоподачей дизеля 39
1.5. Обзор современных и перспективных топливоподающих систем дизелей 47
1.5.1. Топливоподающие системы с механическим приводом плунжера и гидроуправляемыми форсунками 47
1.5.2. Топливоподающие системы типа HEUI и их модификации 57
1.5.3. Аккумуляторные топливоподающие системы типа Common Rail 63
1.5.4. Аккумуляторные топливоподающие системы импульсного действия 70
1.6. Выводы 74
1.7. Цель и задачи работы 75
2. Методика построения математических моделей топливоподающих систем дизелей 76
2.1. Особенности рабочего процесса топливоподающих систем дизелей 76
2.2. Краткий обзор истории развития методов расчёта рабочих процессов топливоподающих систем дизелей 77
2.3. Методика построения математических моделей топливоподающих систем дизелей 80
2.4. Выбор внешнего управляющего фактора 84
2.4.1. Целесообразность применения эмпирических данных при задании внешних управляющих воздействий 84
2.4.2. Некоторые конструктивные особенности электроуправляемых клапанов 85
2.4.3. Разработка эмпирических формул кинематики управляющего клапана , 86
2.5. Выводы 88
3. Расчётное исследование характеристик топливоподающих систем различных типов 89
3.1. Общие технические требования к перспективным топливоподающим системам дизелей 89
3.1.1. Среднее за цикл давление впрыска топлива 89
3.1.2. Возможность независимого управления давлением впрыска топлива 91
3.1.3. Диапазон устойчиво дозируемых цикловых подач 92
3.1.4. Возможности управления фазовыми параметрами впрыскивания 94
3.2. Критерии сравнения топливоподающих систем различных типов 94
3.3. Определение области исследований 95
3.4. Основные технические характеристики теоретически исследуемых топливоподающих систем 96
3.5. Проведение расчётных исследований 101
3.6. Результаты расчётных исследований рассматриваемых топливоподающих систем 105
3.7. Выводы 118
4. Эксериментальное исследование топливоподающих систем дизелей с электронным управлением 119
4.1. Методика экспериментальных исследований топливоподающих систем на безмоторном стенде 119
4.2. Основные технические характеристики экспериментально исследуемой топливоподающей системы 126
4.3. Результаты экспериментальных исследований 127
4.4. Выводы 133
5. Анализ результатов 134
5.1. Оценка степени достоверности результатов расчётных исследований 134
5.2. Характерные особенности рабочего процесса топливоподающих систем с гидроуправляемыми форсунками 135
5.3. Характерные особенности рабочего процесса топливоподающих систем с электроуправляемыми форсунками 137
5.4. Энергетические показатели топливоподачи 139
5.5. Возможности управления давлением впрыскивания 139
5.6. Показатели точности дозирования сверхмалых объёмов топлива 140
5.7. Показатели быстродействия топливоподающих систем 141
5.8. Рекомендации 144
Общие выводы по работе 146
Литература 148
Приложения 163
- Современные и перспективные нормативы, ограничивающие вредное воздействие дизелей на окружающую среду
- Краткий обзор истории развития методов расчёта рабочих процессов топливоподающих систем дизелей
- Основные технические характеристики теоретически исследуемых топливоподающих систем
- Основные технические характеристики экспериментально исследуемой топливоподающей системы
Введение к работе
Среди известных типов двигателей для наземных транспортных средств в настоящее время экономически наиболее эффективным является дизель с непосредственным впрыском топлива и газотурбинным наддувом. Несмотря на интенсивные исследования и разработки других типов двигателей (тепловых, электрических и пр.), они уступают дизелю по основным эффективным показателям. Дизель с непосредственным впрыском топлива и газотурбинным наддувом обладает рядом преимуществ, важнейшим из которых является высокая степень использование теплоты, полученной при сгорании топлива (индикаторный КПД) в сравнении с другими типами ДВС. Например, дизели современных легковых автомобилей расходуют в среднем на (20...30) % меньше топлива по сравнению с бензиновыми двигателями равной мощности [83]. Бензиновые двигатели также постоянно совершенствуются, однако принципы их работы не позволяют значительно увеличить степень сжатия, которая является определяющим параметром топливной экономичности ДВС. Большинство научных исследований и разработок, направленных на повышение эффективности бензиновых двигателей, как правило, не затрагивают их индикаторных показателей [30, 46, 164, 166, 172, 173].
Расходы на топливо в течение жизненного цикла автотранспортного ДВС являются преобладающими и значительно превышают себестоимость изготовления двигателя и прочие расходы на его обслуживание и ремонт [7], поэтому топливная экономичность ДВС является одним из важнейших его показателей. Дизель, несмотря на несколько большую себестоимость изготовления по сравнению с бензиновым двигателем равной мощности, за счёт высокой топливной экономичности оказывается более предпочтительным в эксплуатации.
Очень высокими значениями КПД обладают электрические двигатели, но они не получили такого распространения в транспортных средствах, как ДВС, по причине отсутствия компактных, лёгких, высокоёмких и дешёвых электрических источников питания. Для обеспечения приемлемого запаса хода наземного транспортного средства с электродвигателем масса традиционных электрических аккумуляторов недопустимо велика и соизмерима с полной массой транспортного средства.
Известны компактные электрические источники питания, например, топливные элементы, использующие водород или метанол для получения электрического тока, но существующие технологии производства топливных элементов пока ещё нельзя признать эффективными. По данным отечественных и зарубежных публикаций, в настоящее время себестоимость электрического источника питания на базе топливных элементов для автомобиля значительно превышает себестоимость традиционного ДВС. В ряде промышленно развитых стран применение топливных элементов признано перспективным, и в этом направлении ведутся интенсивные исследования [85, 143, 144]. Актуальность разработки топливных элементов для транспортных средств объясняется тем, что такие агрегаты обладают высокими значениями КПД, а также оказывают гораздо меньшее вредное воздействие на окружающую среду по сравнению с традиционными ДВС.
ДВС загрязняет окружающую среду, так как при работе выбрасывает отработавшие газы, выделяет значительное количество теплоты, а также создаёт шум и вибрацию. Наличие больших количеств и концентраций транспортных средств с ДВС (например, в условиях крупных промышленных городов) может привести к значительному загрязнению окружающей среды и оказать отрицательное воздействие на здоровье людей. Загрязнение воздуха представляет наибольшую опасность. Впервые эта проблема была поднята в Калифорнии (США) в 60-х годах XX века. Климатические условия этого штата препятствуют рассеянию отработавших газов автомобилей, что обусловило рост заболеваемости населения. Вредные вещества в отработавших газах ДВС вызывают заболевания не только органов дыхательной системы, но и многих других [15, 48, 87].
В Калифорнии были впервые в мире приняты законодательные акты, ограничивающие содержание вредных веществ в отработавших газах автомобилей. К настоящему времени подобные законы приняты практически во всех промыш-ленно развитых странах, в том числе и в Российской Федерации [55, 127, 128]. Периодически требования этих нормативов ужесточаются.
Так, в настоящее время в Российской Федерации токсичность отработавших газов серийно выпускаемых автомобилей ограничена нормами, предписываемыми Правилами № 49 и № 83 ЕЭК ООН [55].
Выполнение требований указанных Правил на бензиновом двигателе не требует значительных изменений его конструкции и заключается в оснащении его систем питания и зажигания электронным управлением, а также установке окислительного каталитического нейтрализатора и датчика кислорода (X - зонд) в выпускном тракте. Ведущие российские производители бензиновых ДВС (ВАЗ, ГАЗ и др.) освоили подобные технологии и применяют их в серийном производстве.
Однако сопоставление требований и методик измерения токсичности ОГ при сертификации ДВС свидетельствует о том, что масса вредных выбросов с ОГ бензиновых двигателей значительно больше по сравнению с дизелями [15, 66]. Кроме того, содержание вредных веществ в ОГ бензинового двигателя, в отличие от дизеля, значительно зависит от степени его прогрева и на холодном двигателе многократно увеличивается [15].
Улучшение показателей дизеля сопряжено с определёнными трудностями, так как подразумевает тщательную многофакторную оптимизацию его рабочего процесса [16, 17, IS]. Достигнутый уровень эффективности современных дизелей является достаточно высоким, и дальнейшее их совершенствование, даже незначительное, сопряжено с проведением обширных научных исследований и технических разработок.
Можно выделить следующие основные направления совершенствования транспортных дизелей:
Оптимизация рабочего процесса для снижения расхода топлива и выбросов вредных веществ с ОГ [18, 71]. Это направление подразумевает обеспечение требуемого протекания процессов наполнения цилиндра воздухом, впрыскивания топлива, смесеобразования, предпламенных химических реакций, сгорания топлива, тепловыделения и т.д. Для этого необходима в первую очередь ТПС, позволяющая осуществлять эффективное управление параметрами впрыскивания топлива. Соответственно, для получения требуемых характеристик воздушного заряда в цилиндре необходимы: оптимизация конструкции системы впуска, применение устройств для управления производительностью турбокомпрессора и интенсивно стью вихревого движения воздуха в цилиндре, охлаждение наддувочного воздуха, рециркуляция части ОГ и т.д.
• Последующая очистка ОГ от вредных веществ. Осуществляется посредством каталитических нейтрализаторов, фильтров и т.д. [56, 58, 69, 150, 190].
• Утилизация энергии ОГ. Характерным примером является применение газотурбинного наддува для более полного использования теплоты, полученной от сгорания топлива. Оснащение дизеля системой турбонаддува, как правило, повышает показатели его топливной экономичности. Кроме того, известны так называемые турбокомпаундные дизели, в которых отработавшие газы после турбокомпрессора приводят во вращение ещё одну турбину, передающую дополнительную мощность на коленчатый вал дизеля. Для таких дизелей характерно достижение наивысших показателей топливной экономичности [15, 76].
• Оптимизация систем управления двигателем. Осуществляется за счёт повышения эффективности средств управления двигателя с целью согласования работы его отдельных систем и агрегатов и повышения эффективных показателей [47, 65, 67, 107, 118, 121, 163, 165]. Наиболее широкими возможностями обладают электронные системы управления, выполненные на базе микропроцессорной техники. Степень насыщенности современных ДВС различными электронными устройствами контроля и управления постоянно повышается [128, 157].
• Снижение уровня шума работающего ДВС. Для этого применяются как активные методы, воздействующие непосредственно на источник шума (снижение «жёсткости» процесса сгорания топлива, оптимизация конструкции деталей и кинематики механизмов), так и пассивные, в основе которых лежит свойство поглощения шумов материалами. Хорошими звукопоглощающими свойствами обладает чугун, а также композитные и комбинированные материалы, например «металл - вязкий полимер - металл». В настоящее время ведущими производителями ДВС применяются полимерные и композитные материалы при изготовлении таких деталей, как впускной коллектор, крышка головки цилиндров, направляющая шина цепи привода ГРМ и т. п. [167, 182]. К пассивным методам снижения шумности ДВС также можно отнести его капотирование.
• Повышение механического КПД двигателя за счёт снижения потерь мощности на трение и на привод вспомогательных систем и агрегатов. Данное направление интересно тем, что позволяет совершенствовать различные узлы и агрегаты двигателя независимо друг от друга. Учитывая большое количество потребителей мощности в составе современного транспортного дизеля (КШМ, ГРМ, ТПС, система подачи воздуха и рециркуляции ОГ, система выпуска ОГ, система смазки, система охлаждения, система электропитания, различные навесные агрегаты и т.д.), можно сделать вывод, что даже незначительное повышение КПД каждого из них приводит к заметному снижению расхода топлива.
• Увеличение пробега до очередного технического обслуживания и ремонта. Достигается, в основном, за счёт совершенствования процессов и условий смазки двигателя: оптимизация геометрических параметров деталей, управление производительностью масляного насоса, оптимизация расположения каналов подвода масла к узлам трения, применение поршневой группы с малым расходом масла на угар, снижение общей тсплона-пряжённости двигателя для продления срока службы моторного масла (применение охладителей масла и охладителей надувочного воздуха), применение более качественного моторного масла, многоуровневые системы очистки масла и т.д.
Несмотря на возросшую роль ряда вспомогательных агрегатов в составе дизеля, повышающих его технико-экономические показатели, ТПС продолжает оставаться важным фактором совершенствования его рабочего процесса [21, 24, 63, 127,131,142,145,158].
Сложность совершенствования дизельной ТПС обусловлена следующими причинами:
• высокое рабочее давление, превышающее в некоторых системах величину 200 МПа (что в десятки и сотни раз выше, чем давления в типичных системах впрыска топлива бензиновых двигателей);
• малая продолжительность процесса впрыскивания, как правило, не превышающая (2...3) мс;
• необходимость дозирования малых объёмов топлива (для автотранспортных дизелей характерный диапазон (0...300) мм3) с высокой степенью точности.
Очевидно, что повышение эффективности управления такими процессами всегда сопряжено с решением ряда конструкторских и технологических задач.
В нашей стране совершенствование дизелей в направлении снижения токсичности их ОГ в силу ряда обстоятельств осуществлялось недостаточно эффективно, в результате чего в настоящее время наблюдается заметное отставание по этим показателям от ведущих зарубежных дизелестроитсльных предприятий.
В настоящее время многие серийно выпускаемые в нашей стране дизели для грузовых автомобилей соответствуют стандарту «Euro - 1». Дизели, соответствующие стандарту «Euro - 2», находятся на различных стадиях внедрения в серийное производство и выпускаются в ограниченных количествах [55, 71]. 1 Іесоответствие международным нормативам является серьёзным препятствием для распространения отечественных дизелей за рубежом. Учитывая достигнутые высокие показатели топливной экономичности (ge min = (190...200) г/(кВт час) ) и надёжности (ресурс до капитального ремонта (10 000... 12 000) моточасов) отечественных дизелей с рабочим объёмом цилиндра (1.5...2) л, а также меньшую себестоимость в сравнении с зарубежными аналогами, можно сделать выводы об их потенциально высокой конкурентоспособности.
Дизели малого и среднего классов в диапазоне мощностей до 120 кВт (с рабочим объёмом цилиндра до 1.2 л) очень эффективны при применении в составе транспортных средств промышленного и коммерческого назначения, сельскохозяйственных машин, средств малой механизации, различных передвижных установок и т.д., поэтому пользуются большим спросом. Потребители в нашей стране ввиду ограниченно представленной отечественной продукции в этом секторе рынка вынуждены использовать менее эффективные бензиновые двигатели или зарубежные дизели. Одной из причин сложившейся ситуации является фактическое отсутствие конкурентоспособных современных дизельных ТПС отечественного производства.
Как показывает практика, разработка новых поколений автомобильных дизелей с малой токсичностью ОГ неразрывно связана с разработкой соответствующих ТПС, возможно даже с отличающимися от традиционных принципами работы [7, 10, 134, 151]. Ведущие зарубежные производители дизельных ТПС в связи с ужесточением нормативов, ограничивающих токсичность ОГ, в течение последнего десятилетия внедрили в серийное производство и продолжают совершенствовать оригинальные высокоэффективные системы с электронным управлением, такие, как HEUI, Common Rail, MEUI-B и т.д.
Совершенствование автомобильных дизелей является наукоёмким процессом и признано в нашей стране на государственном уровне одним из приоритетных направлений развития промышленности. Исходя из этого можно сделать выводы об актуальности разработки ТПС для новых поколений дизелей, соответствующих перспективным нормативам по ограничению вредного воздействия ДВС на окружающую среду.
Современные и перспективные нормативы, ограничивающие вредное воздействие дизелей на окружающую среду
Европейские директивы, на основании которых производится оценка вредных выбросов с отработавшими газами ДВС, разделяют транспортные средства по суммарной массе на две группы: до 3.5 т и свыше 3.5 т. Для первых оценка вредных выбросов осуществляется при работе двигателя в составе с машиной, установленной на специальном стенде с беговыми барабанами, по принятым «ездовым» циклам. Для вторых оценка вредных выбросов осуществляется, в основном, при работе двигателя на тормозном стенде по специальным режимам (Правила № 24, № 49 ... ЕЭК ООН), а также на режимах свободного ускорения [46,62,126].
Российская Федерация присоединилась к Женевскому Соглашению и, соблюдая международные обязательства, Госстандарт принял постановление № 184 от 26.05.1999 г. о применении правил ЕЭК ООН по безопасности автотранспорта. Государственные стандарты серии ГОСТ Р 41... являются стереотипом процедур и норм Правил № 49 и № 83 ЕЭК ООН в отношении ограничения вредных выбросов автомобилей. За последние 10 лет предельно допустимые нормы выбросов вредных веществ в Европе были уменьшены в 7...8 раз и продолжают снижаться. В Российской Федерации с 2002 г. вступают в действие нормы «Euro-2» для автомобилей массой до 3.5 т. Технически готовы выпускать легковые автомобили, соответствующие этим нормам, ОАО «АвтоВАЗ» и ГАЗ. Для грузовых автомобилей и автобусов с дизелями действуют нормы «Euro - 2». Ведущие российские производители дизелей (ОАО «Автодизель» и ОАО «КамАЗ») сертифицировали на соответствие стандарту «Euro - 2» основные модификации своих двигателей, однако объёмы их выпуска пока ограничены.
АМЗ 46053 (2002 г.) В таблице 2 представлены действующие и перспективные нормы и соответствующие российские стандарты серии ГОСТ Р 41... для автомобилей категорий Ml и N1 массой до 3.5 т и сроки их введения [55, 127].
Кроме поэтапного ужесточения норм меняются и процедуры сертификации двигателей легковых автомобилей на соответствие стандартам «Euro - 3» и «Euro - 4»: исключается режим предварительного прогрева двигателя (40 с); ужесточается процедура испытаний на топливные испарения; вводится испытание «Тип 6» охлаждённого автомобиля при температуре - 7 С в камере по городскому ездовому циклу; становятся обязательными системы бортовой диагностики; ужесточаются процедуры контроля стабильности производства органами сертификации. По дизелям большегрузных автомобилей и автобусов с введением международных норм «Euro - 3» и «Euro - 4» также ужесточаются нормы выбросов вредных веществ и изменяется процедура сертификационных испытаний (испытательные циклы). В частности, вводятся изменённый 13-ступенчатый испытательный цикл для определения токсичных газовых выбросов и выбросов частиц на установившихся режимах - European Stationary Cycle (ESC), испытательный цикл двигателя на неустановившихся режимах - European Transient Cycle (ETC) и испытательный цикл для оценки дымности ОГ при работе двигателя с резкими изменениями нагрузочного режима - European Load Response (ELR).
Правила 83-03 ЕЭК ООН («Euro - 2») 1996 г. ГОСТ Р 41.83-99 2002 г. 1.00 — - 0.70 0.08 Ужесточение норм. Цикл UDC + EUDC. Облегчённые нормы для оценки производств не предусматриваются Правила 83-04 ЕЭК ООН («Euro - 3») 2000 г. ГОСТ Р 41.83-99 2004 г. (проект) 0.64 — 0.50 0.56 0.05 Ужесточение норм. Цикл UDC + EUDC без 40-секундного прогрева. Новая процедура оценки выделения паров топлива. Обязательное применение бортовой диагностики антитоксичных систем в эксплуатации. Новая процедура проверки производства
Правила 83-05 ЕЭК ООН(«Euro - 4») проект 2005 г. ГОСТ Р 41.83-99 не определён 0.50 0.1 0.25 0.30 0.025 Ужесточение норм. Холодные испытания автомобиля (- 7 С). Бортовая система диагностики нового поколения. Применение топлива с ограничениями по бензолу, сере, ароматике В таблице 3 и на рис. 1.4 представлены параметры и весовые факторы нового 13-ступенчатого испытательного цикла ESC.
Норматив Срок введения Предельно допустимые выбросы вредных веществ,г/(кВт-час) Nx, дымность Сверхнизкие выбросы вредных веществ не определён не определён 1.5 0.25 2 0.02 0.15 для двигателей с Vh 0.75 л и п 3000 мин. Норматив Срок введения Выбросы вредных веществ при испытаниях по циклу ETC,г/(кВт-час)
Сверхнизкие выбросы вредных веществ не определён не определён 4 0.4 0.65 2 0.02 для двигателей с Vh 0.75 л и п 3000 мин."1; только для газовых двигателей; не определяется для газовых двигателей, за исключением их моделей с предельно низкими выбросами вредных веществ. Главным отличием стандартов «Euro - 3» от предшествующих является наличие новых испытательных циклов двигателей на неустановившихся режимах работы. Возможности традиционных механических средств управления для организации качественного рабочего процесса дизеля в таких условиях, вероятнее всего, окажутся недостаточными. Наиболее рациональным средством повышения показателей двигателя при этом представляется применение системы электронного управления.
Для реализации указанных испытательных циклов на неустановившихся режимах работы требуется новое оборудование, способное в автоматическом режиме их воспроизводить
Краткий обзор истории развития методов расчёта рабочих процессов топливоподающих систем дизелей
Экспериментальное исследование дизельной ТПС является достаточно длительным и трудоёмким процессом. Параметрический анализ ТПС, осуществляемый экспериментальными методами, в каждом конкретном случае весьма сложен и требует значительных затрат, что ограничивает многофакторные экспериментальные исследования дизельных ТПС.
Наряду с экспериментальными, большое значение имеют теоретические методы исследования ТПС, основанные на гидродинамических расчётах. Теоретические (расчётные) методы предоставляют возможность разностороннего исследования рабочего процесса ТПС и её параметрического анализа. По мере роста производительности ЭВМ и появления специализированного программного обеспечения расчётные методы становятся всё более эффективными [24]. Использование современных методов расчётов на ЭВМ позволяет с малыми затратами и высокой степенью достоверности оперативно получить необходимые характеристики ТПС и провести её оптимизацию на стадии проектирования.
Применение ЭВМ позволяет проводить исследования характеристик рабочего процесса ТПС в весьма широком диапазоне изменений величин и факторов, оказывающих влияние на характеристики топливоподачи. Точность выполнения расчётов зависит от корректности построения математической модели ТПС и задания граничных условий, от корректности принятых допущений, от эффективности численных методов расчёта, производительности ЭВМ и т.д. Рабочий процесс дизельной ТПС рассчитывается и оценивается преимущественно по гидравлическим характеристикам. В основе расчётов лежат уравнения баланса топлива. Динамика подвижных деталей описывается уравнениями классической механики твёрдого тела.
Первые методы расчётов рабочего процесса дизельных ТПС, разработанные ещё в начале 30-х годов XX века были неприемлемы, поскольку основывались на теории установившегося движения жидкости в трубопроводе. Ввиду быстротечности рабочего процесса дизельной ТПС и резких изменений давления и скорости потока топлива энергетические факторы оказывают влияние на процесс впрыскивания не меньше, чем гидравлические. Это подтверждается тем, что теория гидравлического удара, разработанная Н. Е. Жуковским в 1897 г. и по существу являющаяся энергетической теорией неустановившегося движения невязкой сжимаемой жидкости, в 30-х годах XX века была положена в основу оценки и расчёта рабочего процесса дизельной ТПС. До указанного времени использовалась статическая теория движения жидкости, не учитывающая динамику процесса.
Применение на теории Жуковского было осуществлено в связи с тем, что при увеличении частоты вращения коленчатого вала дизеля результаты расчётов по статической теории стали значительно расходиться с экспериментальными данными, вследствие того, что с уменьшением времени впрыскивания возрастает значение продолжительности распространения импульсов давления в топливопроводе. Применение статической теории ограничилось расчётами рабочих процессов насос-форсунок, где длина ЛВД, как правило, составляет 100...200 мм. Состояние жидкости (давление, скорость) в ЛВД насос-форсунки в любой момент времени можно условно считать одинаковым по всей длине топливопровода.
Таким образом были разработаны достаточно достоверные математические средства для описания гидродинамических процессов в акустически длинных топливопроводах. Величины давления и скорости топлива в любой точке топливопровода в заданный момент времени определяются их начальными значениями, а также амплитудами прямой и обратной волн давления в рассматриваемой точке в заданный момент. Колебательные процессы в топливопроводе описываются волновыми уравнениями (2.2). Общий интеграл волнового уравнения получен задолго до теории гидравлического удара в связи с исследованиями других волновых явлений.
Дальнейшему совершенствованию и уточнению методик расчёта, а также применению ЭВМ для гидродинамического расчёта дизельных ТПС в большой мере способствовали работы отечественных учёных И. В. Астахова [6, 122], Б. В. Павлова [88], Ю. Я. Фомина [153], А. И. Исаева [49, 51], С.И.Барсукова, Л. Н. Голубкова [21, 22], А. П. Перепелина [22, 115], Л. В. Грехова [24] и др. В работах указанных исследователей решены многие проблемы, связанные с переменностью свойств и фазовых состояний топлива, силами трения, тепловыми эффектами и т.д., что позволило значительно уточнить исходную методику и повысить достоверность результатов расчётов.
Зарубежными исследовательскими центрами (AVL, Bosch, Ricardo и др.) выпущены и постоянно совершенствуются программные продукты, специализированные для расчётных исследований дизельных ТПС.
Следует отметить профессиональный программный комплекс «Впрыск» для расчётного исследования ТПС, разработанный в нашей стране коллективом учёных МГТУ им. Н. Э. Баумана (Л. В. Грехов, Н. А. Иващенко и др.). В этом комплексе нашли применение многие передовые научные разработки, касающиеся повышения достоверности и оперативности расчётов, и сервисные функции, повышающие эффективность построения и оптимизации модели и т.д. По количеству реализованных исследовательских функций программный комплекс «Впрыск» превосходит ряд зарубежных аналогов
Основные технические характеристики теоретически исследуемых топливоподающих систем
Применение мультипликаторов давления означает, как правило, увеличение количества прецизионных деталей в составе ТПС (мультипликатор давления содержит помимо прочих деталей две плунжерные пары), а также может потребовать внедрения дополнительных электроприводных клапанов (при необходимости независимого управления мультипликатором). Указанные обстоятельства приводят к значительному повышению сложности и стоимости ТПС.
В случае применения в составе секции ТПС мультипликатора целесообразно приспосабливать под него всю систему топливоподачи, а не наоборот. Это подтверждается концепцией ТПС типа HEUI, в которой мультипликатор давления является основным элементом [74, 134].
Таким образом, применение мультипликаторов давления можно признать целесообразным лишь при востребованности их характерных свойств, указанных выше, и при невозможности реализации этих свойств с помощью других средств.
Системы с мультипликаторами давления в данной работе не рассматриваются, так как реализация большинства функций ТПС, необходимых для организации малотоксичного рабочего процесса перспективного дизеля, представляется принципиально возможной и без применения мультипликаторов.
В данной работе расчётными методами исследуются рабочие процессы следующих ТПС: ИТН с быстродействующим дозирующим ЭУК, коротким топливопроводом и традиционной гидроуправляемой форсункой; насос-форсунка с быстродействующим дозирующим ЭУК; аккумуляторная система типа Common Rail с электроуправляемой форсункой; аккумуляторная система импульсного действия, состоящая из ИТН с быстродействующим дозирующим ЭУК, короткого топливопровода и электроуправляемой форсунки со встроенным в неё одноцикловым аккумулятором давления.
Также рассматриваются возможности независимого управления давлением впрыскивания в ТПС с механическим приводом плунжера и гидроуправляемой форсункой посредством применения в насосной секции двухступенчатого дозирующего клапана.
Рассматриваемые в данной работе ТПС с механическим приводом плунжера и гидроуправляемыми форсунками достаточно хорошо известны и широко применяются в настоящее время. Исходя из этого подробное рассмотрение указанных систем здесь не проводится, а основные технические характеристики представлены в табл. 10. Таблица 10. Основные технические характеристики рассматриваемых ТПС
Устройство и принципы функционирования рассматриваемой аккумуляторной ТПС типа Common Rail достаточно подробно описаны в специальной литературе [2, 23, 47, 120], а также в первой главе данной работы.
Аккумуляторная система импульсного действия является комбинированной, сочетающей в себе преимущества ТПС на основе индивидуальных для каждого цилиндра насосных секций с механическим приводом (максимальные возможности изменения параметров впрыскивания от цикла к циклу и даже в течение единичного цикла, импульсный характер нагружения высоким давлением) и аккумуляторных ТПС типа Common Rail с электроуправляемыми форсунками (независимое управление фазовыми и амплитудными параметрами впрыскивания, повышенные энергетические показатели топливоподачи и показатели быстродействия форсунок и т.д.). Аккумуляторы давления в ТПС импульсного действия предполагаются индивидуальными для каждой секции, при этом объём каждого аккумулятора должен быть достаточно малым, чтобы эффективно управлять давлением в нём.
В составе аккумуляторных ТПС рассматриваются новые предложенные электроуправляемые форсунки на основе трёхпутевого клапана, их принципиальные схемы представлены на рис. 3.4 и рис. 3.5.
В составе аккумуляторной системы типа Common Rail принята форсунка с клапаном-замедлителем в линии управления (рис. 3.4). Клапан-замедлитель, состоящий из включенных параллельно дросселя 1 и обратного клапана 2, встроен в конструкцию форсунки для формирования «трапецеидальной» характеристики впрыскивания топлива с плавным началом и резким завершением подачи. Интенсивность нарастания подачи в данном случае определяется преимущественно величиной эффективного проходного сечения дросселя 1. Обратный клапан 2 обеспечивает резкое завершение впрыскивания. Предполагается, что такая форсунка на всех режимах работы будет точно дозировать топливо, начиная со сверхмалых объёмов (1 ...2 мм3), и при этом обладать более высокими динамическими показателями по сравнению с наиболее распространённой элек-троуправляемой форсункой, выполненной по схеме Fiat - Bosch (см. В составе аккумуляторной ТПС импульсного действия рассматривается электроуправляемая форсунка без управляющего поршня (см. рис. 3.5). Рабочий процесс форсунки в такой ТПС принципиально схож с рабочим процессом форсунки аккумуляторной ТПС типа Common Rail.
Применение отдельного управляющего поршня в составе электроуправляе-мой форсунки нежелательно по следующим причинам: Для безотрывного движения иглы распылителя и управляющего поршня приходится сообщать полость между данными деталями с дренажной магистралью (см. рис. 1.33 а, 3.4). Это вызывает постоянное однонаправленное перетекание топлива из линий высокого давления в дренаж через прецизионные зазоры, что может привести к засорению указанных зазоров и потере подвижности иглы или (и) поршня; Управляющий поршень и его втулка являются прецизионной кинематической парой, наличие которой заметно повышает себестоимость изготовления форсунки; Наличие управляющего поршня ухудшает массо-габаритные и динамические показатели форсунки.
Конструкция форсунки без управляющего поршня позволяет устранить указанные выше проблемы, а также максимально приблизить аккумуля гор дав ления к распылителю.
Однако, при этом для гарантированного запирания форсунки необходимо в камере управления над иглой наличие пружины, сила сжатия которой должна быть достаточной для начала процесса посадки иглы при одинаковых давлениях в камере управления и в кармане распылителя. Согласно данным предварительных расчётов, достаточной является сила сжатия пружины порядка 60-90 Н. При размещении запирающей пружины в камере управления объём последней заметно возрастает. Для эффективного управления давлением в такой камере необходим клапан с увеличенной пропускной способностью. В данной работе в качестве базового принят трёхпутевой клапан, разгруженный от сил давления топлива. Гидравлическая уравновешенность клапана позволяет значительно увеличить диаметр его запирающих кромок и, соответственно, пропускную способность без повышения мощности привода. Высокая пропускная способность управляющего клапана способствует росту быстродействия форсунки, но также повышает и расход топлива на управление. Экономичное расходование потенциальной энергии сжатого топлива для управления иглой распылителя в случае малого объёма аккумулятора является необходимым условием для получения высоких динамических показателей впрыскивания, так как повышенный расход через клапан может привести к значительному снижению давления в аккумуляторе
Основные технические характеристики экспериментально исследуемой топливоподающей системы
В ходе проведения данной работы были определены основные характеристики опытного образца ТПС с быстродействующим электроуправляемым дозирующим клапаном. Исследуемая ТПС предназначена для автомобильного дизеля с рабочим объёмом цилиндра - Vf,= 1.8...2 л. ТПС исследовалась в односекци-онном исполнении и состоит из индивидуального ТНВД, установленного в технологический корпус и соединённого коротким топливопроводом с традиционной гидроуправляемой форсункой. Основные технические характеристики экспериментально исследуемой ТПС представлены в таблице 13. Продолжение табл. Узел ТПС Изготовитель, модель Параметр, размерность Значение Дозирующийклапанс электромагнитнымприводом ЯЗТАЭ46 1111 500 Диаметр направляющей части клапана, мм Полный ход клапана, мм 0.16 Топливопровод высокого давления Внутренний диаметр топливопровода, мм Длина ЛВД от среза штуцера насосной секции до запорного конуса распылителя, мм 540 Гидроуправляемая форсунка ЯЗТА267 Давление открывания форсунки, МПа 31 Распылитель АЗПИ ЗЭ69 Диаметр направляющей части иглы распылителя, мм 4.5 Полный ход иглы распылителя, мм 0.28 Эффективное проходное сечение распылителя, мм 0.17 - определено путём пролива распылителя топливом при перепаде давлений 30 МПа.
В ходе экспериментальных исследований ТПС была подтверждена возможность определения фактического момента геометрического начала нагнетания по началу возрастания («выбросу») силы тока в обмотке электромагнита в момент посадки клапана на седло. Указанное увеличение силы тока в обмотке электромагнита в момент посадки клапана наблюдалось на большинстве режимов работы ТПС и составляет не менее 1 А. При варьировании параметров конструктивных элементов клапанного узла (сила затяжки возвратной пружины клапана, остаточный магнитный зазор, полный ход клапана) и параметров ШИМ-сигнала происходило изменение амплитудных параметров «выброса», но собственно начало повышения силы тока всегда соответствовало моменту посадки клапана на седло.
Характеристики производительности ТПС, полученные в ходе экспериментальных исследований, представлены в табл. 14 и на диаграммах рис. 4.4. Данные, представленные на рис. 4.4 свидетельствуют, что на большинстве скоростных режимов работы рассмотренной ТПС зависимость величины цикловой подачи топлива от длительности электрического управляющего сигнала близка к линейной. Это обстоятельство в значительной степени упрощает процесс автоматического управления такой ТПС посредством электронных цифровых устройств. Например, на основании диаграмм, представленных на рис. 4.4 может быть разработана достаточно простая эмпирическая формула хупр -= хупр (n Qu), позволяющая электронной системе управления с высокой точностью определять длительность управляющего электрического сигнала, обеспечивающую необходимую цикловую подачу на любом режиме работы дизеля.
Относительно низкая точность дозирования малых объёмов топлива, имеющая место при высоких частотах вращения вала ТНВД, может ухудшить работу дизеля на холостом ходу. Для решения данной проблемы в случае многоцилиндрового дизеля возможно отключение нескольких его цилиндров. При этом для поддержания заданного скоростного режима работающие цилиндры переводятся в более благоприятный нагрузочный режим, характеризующийся большими цикловыми подачами и, следовательно, более устойчивым их дозированием.
Высокий потенциал форсирования давления, заложенный в конструкцию экспериментально исследованной ТПС (увеличение хода плунжера и значительное усиление механизма его привода, применение моновтулки с «глухим» отверстием под плунжер, повышение гидроплотности плунжерной пары, минимизация паразитных объёмов и т.д.), позволил уже в начальных стадиях экспериментальных исследований без проведения доводочных работ получить значительно больший уровень давления впрыска, чем для большинства серийно выпускаемых отечественных ТПС.
Для указанной комплектации ТПС уровень максимального давления впрыска на номинальном режиме превысил величину 160 МПа. Наиболее распространённые ТПС на базе ТНВД серий 60, 80 и 90 производства ЯЗТА развивают максимальное давление впрыска в диапазоне (50...70) МПа. Выпускаемые малыми сериями ТПС на базе ТНВД «Компакт - 40» производства ЯЗТА развивают максимальные давления впрыска в диапазоне (80... 130) МПа.
Результаты измерения показателей быстродействия экспериментально исследованной ТПС в зависимости от скоростного режима её работы представлены в табл. 16 и на диаграммах
Инерционность рассматриваемой ТПС, заключающаяся в задержке начала подачи после включения управляющего сигнала, принципиально присуща любым ТПС и зависит от быстродействия управляющего элемента (характеризуется временем его срабатывания) и от собственной гидравлической инерционности системы.
В данном случае режим работы ТПС не оказывает заметного влияния на динамические показатели работы клапана (клапан является частично гидравлически разгруженным, и его включение всегда происходит при низком давлении в топливопроводе), а также имеется определённый потенциал для повышения его быстродействия. Анализ расчётных и экспериментальных данных (см. рис. 4.6) показывает, что на всех исследованных скоростных режимах работы
ТПС её гидравлическая инерционность соизмерима или превосходит инерционность клапана, то есть оказывает существенное влияние на общее быстродействие системы. Исходя из этого можно сделать вывод, что повышение быстродействия только управляющего клапана не позволит значительно снизить общую инерционность данной ТПС. 1. Подтверждена возможность определения фактического момента ГНН на большинстве режимов работы ТПС по кратковременному возрастанию тока в обмотке электромагнитного привода в момент посадки клапана на седло. 2. Определены основные характеристики секции дизельной ТПС с быстродействующим электроуправляемым клапаном в функции скоростного и нагрузочного режимов её работы. 3. Получены опытные данные, позволившие определить направления дальнейших доводочных работ исследуемой ТПС для повышения динамических параметров процесса впрыскивания, повышения точности дозирования топлива, повышения межсекционной стабильности характеристик ТПС и т.д
