Содержание к диссертации
Введение 9
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 13
1.1. Методы математического моделирования рабочих
процессов автотракторных дизелей 13
1.1.1. Методы расчета процессов впрыскивания и
распыливания топлива в дизелях 14
1.1.2.Методы расчета процессов испарения, тепловыделения
и образования токсичных веществ 26
1.1.3. Методы расчета показателей рабочего цикла дизеля 39
1.2. Направления совершенствования ТПА современных
дизелей 41
1.2.1.Способы реализации требований, предъявляемых к ТС
современных дизелей 45
1.3. Анализ конструкций АТС с ЭУФ 55
1.3.1. Анализ конструкций ТНВД, используемых в АТС 57
1.3.2.Требования, предъявляемые к аккумулятору топлива
составе АТС 63
1.3.3. Анализ конструкций ЭУФ 63
Выводы по обзору и постановка задачи исследования 70
струи
2.1.2. Расчет испарения и выгорания распыленного
топлива 80
2.1.3. Метод расчета содержания в ОГ дизеля углерода и
окислов азота 87
2.1.4. Метод расчета показателей рабочего цикла дизеля 89
2.2. Сопоставление результатов опыта и расчета 92
2.3. Расчетный анализ влияния интенсификации процесса
впрыскивания на содержание сажи и окислов азота в ОГ
дизеля 98
Выводы по главе 2 101
Глава 3. Расчетное исследование АТС с ЭУФ 102
-
Метод и программа гидродинамического расчета АТС с ЭУФ 102
-
Результаты расчетного исследования АТС с ЭУФ 115
-
Сопоставление результатов опыта и расчета 138
-
Оптимизация конструктивных параметров АТС с ЭГФ с учетом эффективных и токсичных показателей
четырехтактного дизеля 142
Выводы по главе 3 148
Глава 4. Экспериментальное исследование АТС 152
-
Система управления ЭУФ 153
-
Результаты пробных испытаний макетного образца АТС с ЭУФ 160
4.2.1. Исследование возможности регулирования давления в
аккумуляторе дросселированием на впуске ТНВД 160
4.2.2. Исследование двух комплектаций ЛВД макетного
образца АТС 165
4.2.3. Оценка погрешностей при проведении исследований на
безмоторной установке 173
Выводы по главе 4 175
Выводы по диссертации 176
Литература 178
Приложения 198
5 Основные условные обозначения и сокращения:
а - скорость распространения звука в топливе;
с - скорость движения топлива;
с0 - начальная скорость движения топлива;
с, с' - скорости движения топлива в начальном и конечном сечении
топливопровода;
си, ск, с„ - скорости движения иглы и движущихся с ней частей,
нагнетательного клапана (или клапана электрогидравлической
форсунки) и плунжера ТНВД;
dqp, d/o, d2o, (ho, dJ2 - средние диаметры капель;
du, d'u, dnop, dcm - диаметр иглы, запорного конуса, диаметры поршня
ЭГФ, компенсатора ЭМФ;
dK, d\ - внешний и внутренний диаметры запорного конуса клапана
электрогидравлической форсунки;
dc - диаметр соплового отверстия распылителя;
fmn, fm Ги, Л, /'к, fUf - площадь поперечного сечения топливопровода,
площадь поперечного сечения иглы и площадь, ограниченная
запорной кромкой иглы, площадь поперечного сечения по пояску,
перьям нагнетательного клапана (или площади поперечного сечения
капана электрогидравлической форсунки) и щели между клапаном и
седлом;
fyu - частота следования управляющих импульсов;
F(t+L/a), F(t) - прямая волна давления в топливопроводе высокого
давления на выходе и на входе из него;
Gm- массовая цикловая подача топлива;
Gu - масса топлива, испарившегося к заданному моменту времени;
К, К,ша - текущий и максимальный ход клапана (ТНВД или ЭГФ);
К, k - диссипативный множитель, фактор гидравлического
сопротивления;
L - длина топливопровода высокого давления;
1р - перемещение переднего фронта факела распыленного топлива;
М- массы движущихся элементов топливной аппаратуры;
Ми, Мк - масса иглы, клапана и движущихся с ними частей;
п, птнвд - частота вращения коленчатого вала дизеля и кулачкового
вала насоса;
р - давление топлива (давление рабочей смеси в цилиндре дизеля);
Ро - начальное давление топлива в топливопроводе высокого
давления;
Рн, р'н, Рф, р'ф - давление топлива в над плунжером ТНВД, в штуцере,
в каналах форсунки и перед распыливающими отверстиями;
Ри, p'w Ра, ~ давление топлива в полостях ЭГФ над поршнем и в
сливном канале;
q - расход топлива;
Як, с1ж, Чф - расход топлива через клапан, жиклер, распылитель
электрогидравлической форсунки
Qx- количество теплоты, выделяющейся при сгорании топлива;
G - масса заряда;
Qynp - количество топлива, затрачиваемое на управление
электрогидравлической форсункой;
R - частотная характеристика распределения капель в факеле
распыленного топлива в уравнении Розена-Рамлера;
гк - радиус капли в факеле распыленного топлива в уравнениях
суммарных и частотных характеристик;
S - суммарная характеристика распределения капель в факеле
распыленного топлива в уравнении Розена-Рамлера;
Г-температура заряда;
7 iiko - скорость истечения топлива из распыливающих отверстий
распылителя;
их- скорость перемещения порции распыленного топлива;
Vy -объемная цикловая подача топлива;
Уи, Ум - текущий и начальный объем топлива в гидрозапорной камере
электрогидравлической форсунки;
Ун, У'„ Уф, Уф - объем топлива в надплунжерной полости и штуцере
ТНВД, в каналах и кармане распылителя форсунки;
W(t+L/a), W(t) - обратная волна давления в топливопроводе высокого
давления на выходе и на входе из него;
х - общая доля выгоревшего топлива;
У, Умах - текущий и максимальный подъем иглы форсунки;
zKn - общее число капель;
z„, in - утечки через зазоры игла - корпус распылителя и плунжер -
гильза ТНВД;
а - коэффициент избытка воздуха;
ат - коэффициент теплоотдачи;
аи, Оф, ан, а'н - коэффициент сжимаемости топлива в гидрозапорной
камере электрогидравлической форсунки, в каналах форсунки, в
надплунжерной полости ТНВД, в штуцере ТНВД;
ут - угол конуса распыленной топливной струи;
S, '-жесткость пружин нагнетательного клапана и форсунки;
5К - жесткость пружины электромагнитного клапана
электрогидравлической форсунки;
Л - размер фаски клапана электрогидравлической форсунки;
(рк - текущий угол поворота кулачкового вала насоса;
(ров - угол опережения впрыскивания;
// - коэффициент расхода;
do, сть &ь сг2, а2 - логические ступенчатые функции.
8 Принятые сокращения:
АТС - аккумуляторная топливная система;
АЦК - аналого-цифровой канал;
АЦП -аналого-цифровой преобразователь;
БЭУ - блок электронного управления;
БСК - блок силовых ключей;
ГМФ - гидромеханическая форсунка;
МСУ - микропроцессорная система управления;
ТА - топливная аппаратура;
ТНВД - топливный насос высокого давления;
ТП - топливоподача;
ТПА - топливоподающая аппаратура;
ТС - топливная система;
ЭГФ - электрогидравлическая форсунка;
ЭМ - электромагнит;
ЭМК - электромагнитный клапан;
ЭМФ - электромеханическая форсунка;
ЭУФ - электроуправляемая форсунка.
Введение к работе
Актуальность работы. Задача создания двигателей внутреннего сгорания с высокими технико-экономическими показателями в современных условиях решается путем повышения литровой и удельной мощности, экономичности и надежности этих двигателей. В последние годы все большее внимание уделяется снижению токсичности новых двигателей. Это обусловлено ухудшением экологической обстановки в крупных городах и связанным с этим ужесточением норм токсичности ОГ ДВС.
При создании двигателей с высокой степенью форсировки, высокими экономическими и экологическими показателями возникает ряд новых и сложных технических проблем. Их условно можно разделить на три группы [51]. К первой группе можно отнести обоснование рационального максимального давления цикла, выбор оптимального соотношения между степенью сжатия и давлением наддува. Ко второй группе относятся проблемы, возникающие при создании топливоподающей аппаратуры (ТПА). Это обеспечение удовлетворительных характеристик впрыскивания в широком диапазоне изменения цикловых подач, определение оптимальных значений объемной скорости подачи топлива насосом, выбор оптимального числа и диаметра сопловых отверстий распылителя форсунок. Третья группа проблем связана с оптимизацией формы камеры сгорания, согласования формы камеры сгорания с динамикой и геометрией топливных факелов и движения воздушного заряда, поиском рациональных методов интенсификации процесса смесеобразования.
Решение названных проблем требует многолетних экспериментальных исследований и доводочных работ, тогда как ужесточение экологических норм идет значительно быстрее. В связи с
10 этим возникла необходимость в разработке методов расчета процессов топливоподачи, смесеобразования и сгорания в дизелях.
Рациональное сочетание расчета и эксперимента позволяет расширить границы исследования, уменьшить объем экспериментов и ускорить доводочные работы по созданию и совершенствованию перспективных двигателей.
Для достижения высоких экологических и экономических показателей дизеля необходимо обеспечить высокое качество управления топливоподачей во всем диапазоне рабочих режимов дизеля. Нужно учитывать все большее число факторов, влияющих на работу дизеля, и иметь возможность управлять процессами топливоподачи по более сложным законам. Возможности управления процессами топливоподачи значительно расширяются при применении электронных средств контроля и управления вместе с топливной системой, способной обеспечивать независимые от режима работы двигателя характеристики впрыскивания и распыливания топлива. Одной из таких систем является аккумуляторная топливная система с электроуправляемыми форсунками (АТС с ЭУФ). Совершенствование данной системы требует проведения трудоемкой и сложной научно-исследовательской работы.
Цели работы. Создание интегрированного расчетного комплекса, позволяющего моделировать процессы топливоподачи, смесеобразования и сгорания в дизелях на ПЭВМ, и исследование способов совершенствования рабочих процессов АТС с ЭУФ.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились по методикам и программам, как созданным ранее в Проблемной лаборатории транспортных двигателей (ПЛТД) МАДИ (ГТУ), так и разработанным автором с использованием современной вычислительной техники. Экспериментальные исследования макетного образца проводились на безмоторном стенде HARTRIDGE
1100. Для регистрации быстропеременных процессов в микропроцессорной системе управления (МСУ) и макетном образце АТС применялись датчики давления пьезоэлектрического типа, плата аналого-цифрового преобразователя ЛА-2МЗ производства ЗАО «Руднев&Шиляев», сопряженная с персональным компьютером типа IBM AT, осциллограф.
Научная новизна. Разработан метод расчета показателей процесса ТП и рабочего цикла дизеля, включающий в себя математические модели процессов подачи, распыливания, испарения и сгорания топлива, а также математическую модель рабочего цикла 4-тактного дизеля. Метод реализован в виде законченного программного продукта, разработанного ассистентом кафедры «Теплотехника и автотракторные двигатели» С.Д. Скороделовым с участием автора.
Разработаны математические модели и программы расчета четырех расчетных схем АТС с ЭУФ. Проведены расчетные параметрические исследования различных расчетных схем АТС с ЭУФ, позволяющие установить связь между конструктивными параметрами ЭУФ и показателями процесса ТП (дифференциальной характеристикой и давлением впрыскивания, количеством топлива на управление электрогидравлической форсункой (ЭГФ), зависимостью величины цикловой подачи от продолжительности управляющего импульса). С помощью программ расчета процессов ТП, тепловыделения и показателей рабочего цикла дизеля проведена расчетная оптимизация конструктивных параметров ЭГФ на режиме номинальной мощности четырехтактного безнаддувного дизеля.
Разработана МСУ для стендовых испытаний АТС с ЭУФ и проведены исследования параметров управляющего импульса на электромагнитном имитаторе.
12 Практическая ценность. Программа для ЭВМ, реализующая метод гидродинамического расчета АТС с ЭУФ, позволяет с достаточной для практики точностью решать задачи проектирования, доводки и модернизации ЭУФ. С помощью программы расчета процессов ТП, тепловыделения и показателей рабочего цикла дизеля можно быстро и качественно решать задачи по разработке и оптимизации ТС современных дизелей.
Предложена модернизированная конструктивная схема ЭГФ (патент № 2193103 РФ). На основании результатов расчетного исследования процессов ТП, тепловыделения и показателей рабочего цикла установлена связь между конструктивными и регулировочными параметрами АТС с ЭГФ и показателями рабочего цикла дизеля и рассчитаны оптимальные конструктивные соотношения модернизированной ЭГФ.
Разработанный автором макетный образец МСУ может быть использован для исследования и доводки АТС с ЭУФ.
Реализация работы. Метод и программа гидродинамического расчета АТС с ЭУФ внедрены в НАМИ. Программа расчета процессов ТП, тепловыделения и показателей рабочего цикла дизеля используется в учебном процессе специальности «Двигатели внутреннего сгорания» МАДИ (ГТУ).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технических конференциях 1999, 2000, 2002 гг. в МАДИ(ГТУ) и получили положительные оценки.
