Содержание к диссертации
Введение
Глава I Обзор научно-исследовательских работ по электронно-управляемым дизельным топ-ливоподающим системам
1.1 Классификация электронно-управляемых систем топли-воподачи .
1.2 Электронно-управляемые системы подачи топлива с позиционным воздействием на процесс топливоподачи.
1.3 Электронно-управляемые системы подачи топлива с дискретным воздействием на процесс топливоподачи.
1.3.1 Электронно-управляемые топливоподающие системы аккумуляторного типа. , ( .
1.3.2 Электронно-управляемые тргд'^ШЬЬйодающие системы непосредственного действия.
Выводы по главе. 36
Цель и задачи исследований. 37
Глава II Разработка системы топливоподачи с насосом непосредственного действия и электромагнитно управляемым дозирующим устройством
2.1 Выбор конструктивной схемы топливоподающей системы с насосом непосредственного действия и электромагнитным дозирующим устройством.
2.2 Разработка и доводка конструкции электромагнита. 40
2.3 Уточнение конструкции кольцевого клапана. 47
2.4 Уточнение конструкции гнезда кольцевого клапана. 49
2.5 Выбор конструктивных размеров и материала деталей 50 клапанного узла, уточнение их конструкции.
Глава III Разработка математической модели топливоподающей системы непосредственного действия с электромагнитно управляемым дозирующим устройством
3.1 Математическая модель процесса топливоподачи предложенной системы с электромагнитным дозирующим устройством .55
3.1.1 Расчет процесса во входном сечении у насоса. 5 7
3.1.2 Расчет процесса в выходном сечении нагнетательного трубопровода у форсунки.
3.1.3 Программа расчета процесса топливоподачи разработанной топливоподающей системы.
3.2 Расчетные исследования по оптимизации параметров разработанной системы топливоподачи применительно к тракторным дизелям.
Глава IV Методика проведения исследований. измерительная аппаратура. оценка погрешностей измерений
4.1 Методика экспериментальных исследований . 66
4.2 Стенды, приборы и аппаратура, используемые для исследования топливоподающей системы.
Глава V Экспериментальные исследования топливоподающей системы непосредственного действия с электромагнитно управляемым дозирующим устройством
5 Л Теоретические основы разработки блока управления и конструкции узлов экспериментальной топливоподающей системы.
5.1.1 Разработка блока управления. 82
5.2 Безмоторные испытания разработанной топливоподающей системы.
5.3 Моторные исследования. 93
Глава VI Технико-экономическая эффективность 97
Применения топливоподающей системы с электромагнитно управляемым дозирую- щимустройством
Общие выводы 100
Библиография 102
- Классификация электронно-управляемых систем топли-воподачи
- Разработка и доводка конструкции электромагнита.
- Математическая модель процесса топливоподачи предложенной системы с электромагнитным дозирующим устройством
- Методика экспериментальных исследований
Классификация электронно-управляемых систем топли-воподачи
Классификация электронно-управляемых систем топливоподачи. Важнейшая функция, реализуемая исполнительными устройствами электронных систем управления ДВС - воздействие на процесс топливоподачи [31]. В зависимости от способа воздействия на топливоподачу и места расположения соответствующих электромагнитных исполнительных устройств, системы топливоподачи с электронным управлением могут подразделяться на две большие группы (рис Л .1):
а) системы с позиционным воздействием;
б) системы с дискретным воздействием.
Приняв за основу эту классификацию, проанализируем известные электронно- управляемые системы подачи топлива дизельных двигателей.
Электронно-управляемые системы подачи топлива с позиционным воздействием на процесс топливоподачи.
Электронно-управляемые системы, осуществляющие позиционное воздействие на органы управления топливоподачей, обычно объединяются под названием системы с электронными регуляторами скорости.
В настоящее время разрабатываются и находятся в эксплуатации регуляторы скорости, управляющие рейкой топливного насоса высокого давления с линейным перемещением выходного органа. К ним относятся регуляторы американских фирм "ADECO" [84] и "Ledex" [90]. Регуляторы с электронным управлением (ЕДС) фирмы "Robert Bosch Gmb Н" в ряде случаев оснащаются
электромагнитными исполнительными устройствами, сблокированными с топливным насосом высокого давления (ТНВД). Электромагнитный привод обеспечивает перемещение рейки ТНВД на 12мм за IO...I5 мс, возврат в прежнее положение - 100 мс [95]. По сходной схеме выполнен исполнительный привод японской фирмы "Nippo Denso"[95, 96].
Однако конструкции с линейным перемещением выходного органа получили малое распространение, в основном из-за пониженной надежности и меньшей универсальности. Поэтому исполнительные устройства в автономном исполнении имеют выходной элемент в виде поворачивающегося вала.
На рис. 1.2 показана конструкция топливного насоса, у которого выходной элемент выполнен в виде поворачивающегося вала, предложенного фирмой "Robert Bosch Gmb Н" [78]. Работает устройство следующим образом. Сигналы от катушки 1 измерителя скорости, датчика 2 положения привода дозатора и от блока опережения поступают в электронный регулирующий блок 3. Этот блок вырабатывает электрический сигнал, поступающий через усилитель 4 на катушки 5 электромагнитного привода. Катушки 5 управляют магнитным потоком, замыкающимся через сердечник 6 и якорь 7, в результате чего якорь занимает положение, соответствующее управляющему сигналу. Якорь, с помощью вала 8, перемещает муфту 9, которая приводит количество подаваемого насосом топлива в соответствие с электрическим сигналом электронного блока.
Электромагнитные исполняющие устройства "поворотного" типа фирмы " Хайцман" [77] имеют поляризованную магнитную систему с постоянным магнитом. По данным фирмы, такая конструкция, по сравнению с исполнительными устройствами с возвратной пружиной, отличается меньшей теплонапряженностью и более равномерной характеристикой крутящего момента в обоих направлениях, а также повышенным быстродействием. Перемещение рейки ТНВД при скачкообразном изменении нагрузки дизеля осуществляется за время не менее 10 мс. Такой привод предназначен для дизелей мощностью от 5 до 100 кВт [89].
Следует отметить, что топливоподающие системы описанного типа имеют сравнительно небольшое быстродействие по сравнению с классическими системами топливоподачи и в основном позволяют влиять только на величину подаваемого топлива. В связи с этим они не находят широкого распространения.
1.3 Электронно-управляемые системы подачи топлива с дискретным воздействием на процесс топливоподачи.
К топливоподающим системам этой группы относятся системы в которых выходной импульсный сигнал определяет непосредственно моменты начала и окончания впрыска топлива. Их иногда называют электронными системами впрыска [2].
1.3.1 Электронно-управляемые топливоподающие системы аккумуляторного типа.
В последние годы широкое распространение получили гидроаккуму-лирующие системы впрыска топлива с электронным управлением.
В их дозирующих устройствах используются такие физические эффекты как: изменения в кристаллической решетке, электрогидравлический удар в объеме жидкости и взаимодействие полей.
Из эффектов изменения в кристаллической решетке используются пьезоэлектрический и магнитострикционный эффекты.
Разработка и доводка конструкции электромагнита.
Выбор конструктивной схемы топливоподающей системы с насосом непосредственного действия и электромагнитным дозирующим устройством. На основе литературного анализа известных электронно-управляемых топливоподающих систем разработана конструктивная схема насоса непосредственного действия с электромагнитным дозирующим устройством, показанная на рис. 2.1. При этом конструкция топливного насоса высокого давления за счет использования гладкого плунжера (без канавок и каналов), отсутствия прецизионного нагнетательного клапана, механического регулятора и центробежной муфты угла опережения впрыска топлива значительно упрощается.
При выборе типа электромагнитно-управляемого клапана исходили из того, что при использовании шарикового или игольчатого клапана требуется использование электромагнита большой мощности (так как необходимо преодолеть усилие возвратной пружины, что в свою очередь повышает механическую и магнитную инерционность системы). С целью исключения механических упругих элементов, представляющих собой колебательную систему, способную нарушить работу запорных органов, был принят клапан кольцевого типа конструкции Башкирского ГАУ, так как он позволяет уменьшить механическую инерционность системы, упрощает конструкцию топливного насоса, он более технологичен в изготовлении и удобно приспосабливается к любой конструкции электромагнита.
Система включает: насосный элемент, состоящий из втулки 3 с впускным каналом 2 и плунжера 1 простейшей формы; клапанного узла, установленного над насосным элементом, состоящим из кольцевого клапана 7, один конец которого закреплен штифтом 9; электромагнита 10, расположенного в полости 8 клапанного узла и обратного клапана 13; а также электронный блок управления 15. Работает система следующим образом. При нагнетательном ходе плунжера 1, совершаемого под действием кулачкового вала насоса, закрывается впускной канал 2 втулки 3 и топливо, заключенное в надплунжерной полости 5, подается по каналу 6, приподнимая кольцевой клапан 7, во внут-риклапанную полость 8. Поскольку один конец кольца жестко закреплен штифтом 9, то при подъеме кольца на величину h его свободный конец перемещается на величину %h. Кольцо первоначально установлено так, что это перемещение недостаточно для закрытия отверстия сливного канала 12. В связи с этим топливо, поступающее в полость 8, сливается, через обратный клапан 13, в полость низкого давления.
Для подачи топлива к форсунке через канал 11 необходимо закрыть отверстие сливного канала 12 свободным концом кольцевого клапана 7. Это достигается дополнительным перемещением клапана путем притягивания его к электромагниту 10.
При обесточивании электромагнита кольцевой клапан возвращается, за счет сил упругости, в исходное положение и открывает, тем самым, отверстие сливного канала и прекращает впрыск топлива.
За моментом подачи управляющего напряжения к обмотке электромагнита 14 (т.е. опережением впрыска топлива) и его длительностью (величиной цикловой подачи) следит электронный блок управления 15. Благодаря принятому принципу работы он может обеспечивать раздельное регулирование как опережения впрыска топлива, так и количества впрыскиваемого топлива в цилиндр двигателя.Из анализа существующих электромагнитов в качестве исходного варианта был выбран нейтральный электромагнит постоянного тока.
В этих электромагнитах рабочий магнитный поток создается с помощью обмотки постоянного тока. Действие электромагнита зависит только от величины этого тока и не зависит от его направления, а следовательно, от направления тока в обмотке электромагнита. При отсутствии тока магнитный поток и сила притяжения, действующая на якорь, практически равны нулю [58].
Нейтральные электромагниты постоянного тока наиболее экономичны и благодаря большому разнообразию конструктивных исполнений эти электромагниты легко приспосабливать к различным условиям работы и характерам нагрузок, при которых они используются.
Для изготовления магнитопровода электромагнита использовали низкоуглеродистую электротехническую сталь марки Э 12 (содержаннШ углерода до 0,04%), т.к. она имеет низкую коэрцетивную силу (30 ... 120 А/м) при высокой проницаемости (/лмск доходит до 6х10"3 г/м) и индукцию насыщения до 2,3 Т. Благодаря этому можно допускать значительно больрше значения индукции, что существенно для электромагнитов с большими рабочими усилиями [28].
В качестве исходного варианта был изготовлен клапанный узел, показанный на рис. 2.2. Сердечник электромагнита 3 в целях удобства расположения его в полости гнезда клапана располагался так, что его силовые линии проходили перпендикулярно образующей корпуса гнезда и в сборе с эбмоткой закреплялся к днищу гнезда при помощи винтов 6.
На начальном этапе работы визуально определялась максимальная іастота, на которой происходил срыв колебаний кольцевого клапана-якоря. Іри этом продолжительность включения и выключения (притягивания и отыскания клапана) определялась с помощью осциллографа.
Математическая модель процесса топливоподачи предложенной системы с электромагнитным дозирующим устройством
Исследованию процессов подачи и распыливания топлива в дизельных двигателях посвящено много работ [3, 6, 7, 41, 56, 63, 66, 36]. В наиболее законченном виде метод гидродинамического расчета топливных систем был предложен профессором И. В. Астаховым. В дальнейшем метод уточнялся [4, 5, 19,25].
Основная задача гидравлического расчета процесса впрыска - определить количество топлива поданного в цилиндр двигателя за цикл. Решению этой задачи должны быть подчинены и уравнения граничных условий, что необходимо учитывать при их составлении. Следовательно, уравнения граничных условий должны быть уравнениями баланса топлива, учитывающими в рассматриваемом сечении поступление и расход топлива.
На рис.3.1 приведена расчетная схема экспериментальной топливо-под ающей системы. Процесс впрыска рассчитываем при следующих условиях:
уравнения процесса решаются приближенно методом конечных разностей;
обратный клапан и игла форсунки в промежутке времени At движутся равномерно ускоренно;
давление топлива в объеме VK И ВО ВХОДНОМ сечении нагнетательного топливопровода равны;
давление топлива в выходном сечении нагнетательного топливопровода и в объеме Уф равны;
мгновенные значения скорости неустановившегося истечения топлива определяются по формулам установившегося движения жидкости;
не учитывается влияние объема канала под конусом иглы (ввиду его малой величины) на процесс впрыска;
процессы перекрытия и открытия сливного канала (притяжение и отпускание кольцевого клапана) считаются мгновенными; не принимаются во внимание утечки топлива через зазор между плунжером и втулкой.
3.1.1 Расчет процесса во входном сечении у насоса. При составлении уравнений граничных условий у насоса принимаем следующие допущения:
1) в рассматриваемый момент времени давление топлива в любой точке над-плунжерного объема одинаково, так же как и давление в любой точке полости кольцевого клапана равно между собой;
2) не учитываем трение кольцевого клапана о гнездо и упругость привода плунжера;
3) динамическую составляющую силы действия потока топлива на кольцевой клапан принимаем равной нулю;
4) плотность топлива постоянна.
Граничные условия у насоса описываются следующей системой уравнений:
Первое уравнение системы 3.1 является уравнением объемного баланса в надплунжерной полости. Следующие два уравнения являются уравнениями объемного баланса в полости кольцевого клапана. Если отсутствует разрыв сплошности, то в расчете участвует второе уравнение системы, если же сплошность не восстановлена - третье уравнение. Четвертое уравнение системы описывает динамическое равновесие кольцевого клапана. Перед отдельными членами уравнений и в целом перед правами частями уравнений введены ступенчатые функции ai , где і = 0, 1, 2, 3. Функции ai, принимая значение нуля или единицы в зависимости от положенных на них логических условий, определяют вид и количество уравнений для каждого этапа расчета.
Система уравнений граничных условий у насоса (3.1) решается совместно с уравнениями, описывающими процессы в топливопроводе, численным интегрированием (методом Эйлера). При этом расчет выполняется поэтапно:
1) от начала движения плунжера до начала движения кольцевого клапана;
2) от начала движения кольцевого клапана до полного перекрытия всасывающего окна;
3) от момента притягивания кольцевого клапана к электромагниту (перекрытия отсечного канала) до момента его посадки (открытия отсечного канала); 4) от момента посадки кольцевого клапана до полного прекращения движения топлива в нагнетательном топливопроводе.
Методика экспериментальных исследований
Топливопроводы, распылители, плунжерные пары подбирались с номинальными эксшгутационными показателями.
Внутренний объем клапанного узла определялся заливкой топлива. При этом объем топлива измерялся градуированной трубкой с ценой деления 0,02 мл (ГОСТ 1170-74).
Внутренний объем топливоприводов определялся аналогично.
До начала исследований экспериментальный насос подвергался обкатке с соблюдением установленных правил [74].
Безмоторные испытания топливоподающей системы велись по общепринятой методике [29, 30].
При испытаниях использовалось летнее дизельное топливо (ГОСТ 4749-73) и моторное масло М10В.
Тарировка датчиков производилась по известным методикам [57, 62] путем создания давления прибором КИ-562. Величина давления регистрировалась при этом по образцовому манометру класса точности 0.3 (ГОСТ 6521-60).
Датчик хода иглы форсунки тарировался с использованием микрометра.
При использовании тензорезисторов стабильность работы аппаратуры проверялась путем подключения дополнительного сопротивления масштабного устройства усилителя, величина которого вызывала заранее известный разбаланс полумоста (моста). Расчет значений эффективных мощности и удельного расхода топлива, коэффициентов избытка воздуха и наполнения производился по ГОСТ 18509-80 [73].
Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась на персональном компьютере при помощи стандартных программ STATGRAPHICS и SuperCalc4.
Стенды, приборы и аппаратура, используемые для исследования топли воподающей системы. Схема установки для безмоторного исследования экспериментальной электронно-управляемой топливоподающей системы, на базе стенда для испытания и регулировки дизельной топливной аппаратуры КИ-22205-01 ГОСНИТИ приведена на рис. 4.1 циллограф; 10- датчик Хола; 11- тензопреобразователь регистрации давления у штуцера подвода топлива в подыгольную полость; 12- датчик хода иглы форсунки.
Установка позволяет определять начало впрыска и продолжительность подачи топлива, а так же измерять: производительность насосной секции; давление подъема нагнетательных клапанов; начало подачи топлива (методом проливки от стендового насоса) и геометрическую продолжительность подачи.
Стенд КИ - 22205-01 для плавного измерения частоты вращения приводного вала до 1500 мин-1 имеет электродвигатель постоянного тока со встроенным тахогенератором и тиристорный блок управления. Укомплектован манометрами и термометром. Лопастной насос типа Г 12-31 с подачей 5 л/мин и развивающий давление 5 Мпа позволяет производить проливку элементов топливоподающей системы.
Для определения производительности насосной секции применялись мензурки - первого ряда СТА ТУ 25-11(190)-84 (с ценой деления 1 см3) и второго ряда СТА ТУ 25-11(190)-84 (с ценой деления 0,2 см3).
Начало впрыска топлива через форсунку определялось с помощью контактных датчиков стенда.
Контроль параметров топливного насоса - частоты вращения вала, угла начала подачи топлива, длительности впрыска, числа циклов впрыснутого топлива осуществляется стендовым блоком электроники 11.М0.342.219ТУ.
Установка для безмоторного исследования была оборудована датчиками давления топлива у штуцера форсунки, закона подъема иглы распылителя форсунки, начала отсчета блоком управления (начала геометрической подачи топлива) и сигнала переменной частоты, пропорциональной частоте вращения вала насоса. Датчики соединялись с усилителем экранированными проводами. В процессе испытания провода располагались так, чтобы исключить их перемещение и нагрев от посторонних источников.
Для усиления сигналов от тензометрических и индуктивных датчиков использовался тензоусилитель 8АНЧ-26 (ТУ-25.06.1377-82), а для регистрации и записи этих сигналов - осциллограф С1-91 и светолучевой осциллограф Н-117/1. В качестве источника питания применялся Б5-46. Замер сигнала переменной частоты осуществлялся частотомером-хронометром Ф5080.
При осциллографировании процесса топливоподачи и рабочего процесса двигателя были использованы электрические методы измерения.
В процессе тарировки использовался аналогово-цифровой преобразователь на основе БИС К1108ПА1А, подключенный в интерфейс персонального компьютера типа IBM 386 PC, с тактовой частотой 62МГц и оперативной памятью 1 Мбайт.
В процессе записи сигналов использовалась осциллографическая фотобумага марки 135 и самопроявляющаяся - УФ-67. Скорость протяжки осциллографией бумаги выбиралась с учетом частоты протекания исследуемого процесса.
Для моторных испытаний (ГОСТ 18509-80) была собрана установка на базе электрического тормозно-обкаточного стенда КИ-5527-ГОСНИТИ (рис.4.4), оборудованного четырехтактным одноцилиндровым дизелем водяного охлаждения 14 12.5x14 производства Владимирского тракторного завода с номинальной мощностью Ne=13.2 кВТ и эксплутационной 11.8 кВт при пн=1600 мин" . Камера сгорания неразделенная (в поршне), смесеобразование объемно-пленочное.
Дизель был укомплектован штатной штифтовой форсункой ФШ с распылителем Б80.16.032Б и трубопроводом высокого давления длиной 700 мм и внутренним диаметром 2 мм. Давление начала впрыскивания отрегулировано на величину 11.0 МПа. Они же использовались при безмоторных испытаниях. Штатная топливоподающая система была несколько изменена по результатам доводочных испытаний.
Крутящий момент двигателя определяли по показаниям весового механизма стенда, полная шкала которого составляет 45 кгс (с интервалом деления 0.5 кгс).
Расход топлива замерялся весовым способом (ГОСТ 5072-79) с помощью весов ВЕПД (цена деления 2 г.), а время расхода - секундомером с ценой деления 0.2 с.
