Управление процессом впрыска топлива в дизельных двигателях

УДК 621.436

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ВПРЫСКА ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

А. В. Филатов

Аннотация. В статье показано, что комплексная интенсификация с механическим управлением форсунки позволяет получить П-образную форму характеристики процесса впрыска топлива. Для интенсификации и управления подачей топлива рекомендуются системы с аккумулированием высокого давления и подачей топлива отдельными порциями при помощи форсунок с электронным и пьезокварцевым управлением.

Ключевые слова: интенсивность, впрыск, давление, управляемость,

аккумулятор, форсунка, катушка, пьезокварц, электроника.

Введение

Под интенсификацией процесса впрыскивания топлива понимается увеличение объемной скорости истечения топлива из сопловых отверстий распылителя за счет увеличения давления топлива, что обычно приводит к сокращению продолжительности впрыскивания. Для увеличения давления повышают скорость движения плунжера, уменьшают объем системы, повышают давление начала впрыскивания, увеличивают жесткость системы «насос-топливопровод-форсунка», применяют насос-форсунки.

Интенсификация процесса впрыскивания необходима в том случае, если она повышает экономичность дизеля, снижает токсичность отработавших газов. Процесс

интенсификации не сложный. Достаточно, например, уменьшить объем системы, и давление топлива существенно возрастает. Но при этом увеличивается и цикловая подача. Снижая ее до уровня требуемого значения, например уменьшением хода плунжера, мы вновь возвращаемся к первоначальным параметрам процесса топливоподачи.

В данной работе указаны способы интенсификации процесса впрыска топлива с механическим управлением и ее сохранения при уменьшении подачи топлива. Расчеты выполнялись с использованием ЭВМ для

топливной аппаратуры дизеля Д-440 с номинальной цикловой подачей, равной 93 мм3 при п = 875мин-1.

Исходный вариант имел объем штуцера 2,3 см3, объем над плунжером 0,6 см3, давление начала подъема иглы Рф0=19 МПа, эффективное проходное сечении

распылителя /л F = 0,27 мм2,

продолжительность впрыскивания фв=11,3°, максимальное давление в полости форсунки Рфм= 32,5 МПа, среднее давление Рфс= 19,3 МПа.

Основная часть

Интенсификацию процесса впрыскивания осуществляли путем уменьшения объема штуцера до 1 см3 и пространства над плунжером до 0,2 см3. Подача топлива за цикл увеличилась с 93 мм3 до 110 мм3. Для обеспечения мощности дизеля Д-440, равной 66 кВт, топливная система должна подавать в камеру сгорания 93 мм3, а не 110 мм3. Подачу топлива удалось снизить известным способом

- за счет перемещения хода рейки Ср и снижения активного хода плунжера (рис. 1).

Из анализа рисунка 1 следует, что уменьшение цикловой подачи qu привело к снижению РфМ и РфС и увеличению фв. Данный способ снижения цикловой подачи не сохраняет ранее созданную интенсивность процесса впрыскивания.

2.5 2.75 3 325 3.5 т

4 -------*

Рис. 1. Зависимость параметров процесса впрыска топлива отхода рейки

К числу основных конструктивных параметров форсунки, определяющих

гидродинамику процесса впрыскивания, следует отнести давление начала подъема иглы Рф0, диаметр иглы <Н и , эффективное проходное сечение распылителя ^ F, массу подвижных деталей форсунки тпод. и

жесткость пружины 5пр.

Оптимальное значение Рфо выбирается с учетом качественного распыливания топлива, долговечности запорного конуса иглы, отсутствия прорыва газов в полость

распылителя.

3

%

р

мм

100

во

МПа

1+0

20

О

I

щ

р ' Фм

р Гфс

На рисунке 2 показано влияние Рф0 на изменение цикловой подачи. При увеличении Рф0 снижается подача топлива с малым ростом Рф0 и РфС и уменьшением фв. Данный способ снижения цикловой подачи qц путем увеличения Рф0 является прогрессивным с точки зрения сохранения и повышения интенсивности впрыскивания. Но следует помнить, что при Рфо более 30 МПа снижается долговечность запорного конуса иглы и корпуса распылителя.

град 11 9 7

20

25 30

Рл,п

35 Ь0 МПа

Рис. 2. Влияние давления начала подъема иглы на параметры процесса впрыска топлива

Особый интерес представляет [1] увеличение Рфо без изменения усилия на пружине и контактных напряжений в запорном конусе распылителя. Для получения интенсивного впрыскивания топлива необходимо к моменту открытия иглы

максимально повысить давление в камере распылителя. Давление начала подъема иглы определяется выражением

Рфо =

F„

/« - /к

где Fn - сила сжатия пружины; - площадь

поперечного сечения иглы; ґк - площадь посадочного конуса иглы.

Из анализа выражения (1) следует, что при неизменной величине Fп значение Рф0 МОЖНО увеличить путем уменьшения /и.

На рисунке 3 показано влияние С и соответственно /и на параметры процесса впрыскивания. При уменьшении С с 6 до 4,5 мм значение Рф0 увеличилось с 19 до 50 МПа. При этом снизилась цикловая подача и повысилась интенсивность процесса

впрыскивания. Значение усилия на пружине оставалось постоянным и соответствовало 340 Н.

Данный способ накопления энергии в полости форсунки является наиболее перспективным, особенно для двигателей, форсированных по мощности. Снижение диаметра иглы не только интенсифицирует топливоподачу, но и увеличивает давление Рп, при котором происходит посадка иглы на седло.

I

б

Ш мм

й

V

Рис. 3. Зависимость параметров процесса впрыска топлива от диаметра иглы

Значительное влияние на процесс

топливоподачи оказывает изменение

эффективного проходного сечения

распылителя и F. Так, при снижении /и F с 0,3 до 0,2 мм2 среднее давление в каналах форсунки возрастает с 25 до 29 МПа, но увеличивается продолжительность

впрыскивания с 9,5 до 10 град. При этом цикловая подача уменьшается со 110 до 90 мм3.

Для перспективных дизелей требуются достаточно высокие объемные скорости и средние давления впрыскивания, соответствующие максимальному давлению впрыскивания до 100 МПа и более. Для снижения нагрузок на детали топливной аппаратуры необходимо стремиться к сближению максимального и среднего давлений впрыскивания, приближая форму характеристики впрыскивания на номинальном и близких к нему режимах к П - образной форме [1].

На рисунке 4 показаны расчетные зависимости характеристик впрыска серийной и опытной системы питания дизеля 8ЧHV13/15. Насос высокого давления имел тангенциаль-

ный профиль кулачка с ходом и диаметром плунжера 10 мм при номинальной частоте вращения 1000 мин и цикловой подачей 150 мм3. Исследования проводились с целью определения совместного влияния конструктивных параметров насоса высокого давления и форсунки на протекание процесса впрыскивания топлива, а также повышения интенсификации и получение прямоугольной характеристики впрыскивания как наиболее перспективной.

Из анализа рисунка 4 следует, что опытная система обеспечивает меньшую продолжительность впрыскивания и прямоугольную характеристику впрыскивания. Система топливоподачи с механическим управлением простая в конструктивном исполнении, надежна и долговечна. Ее применение, с оптимальной настройкой на определенный режим, целесообразно для дизель-генераторных установок, судовых и тепловозных двигателей.

Основным недостатком форсунок с гидромеханическим управлением является неизменность (не управляемость) характеристики

подачи топлива на конкретном режиме работы двигателя. Механическое управление не позволяет изменить форму характеристики впрыскивания, разбить ее на требуемые участки.

В таблице 1 приведены конструктивные и регулировочные параметры серийной и опытной топливной аппаратуры.

Таблица 1- Конструктивные и регулировочные параметры серийной и опытной топливной аппаратуры.

Параметры Р фo, МПа мм dM, мм V,, см3 mпoд, Г 8ПР, Н/мм

Серийная ТА 18 0,3 6 2,3 30 200

Опытная ТА 38 0,4 5 1 15 300

а

%

6

2

33 М 35 36 3738 39 Ш И 12 ІЗ и град

9 ---------

Рис. 4. Характеристики процесса впрыска топлива при серийной и опытной комплектации аппаратуры

Применение форсунок с электронным управлением позволяет получать характеристики различной формы - ступенчатой и многофазной [2,3]. Управление подачей топлива позволяет снизить расход топлива, шум двигателя и токсичность отработавших газов.

На рисунке 5 приведена аккумуляторная система впрыска с электрогидравлическим управлением иглы распылителя форсунки (Common Rail).

Рис. 5. Схема системы питания Common Rail дизельных двигателей:

1 - топливный бак; 2 - сливная магистраль; 3 - ТНВД; 4 - регулятор давления; 5 - топливопровод высокого давления; 6 - топливоподкачивающий насос; Т - фильтр; 8 - предохранительный

клапан; 9 - гидроаккумулятор; 10 - датчик давления; 11 - электрогидравлическая форсунка; 12

- датчик педали акселератора; 13 - датчик частоты вращения и положения коленчатого вала; 14 - датчик для измерения температуры; 15 - другие датчики; 16 - блок управления; 1Т - другие исполнительные устройства

Система работает следующим образом. Из бака 1 топливо при помощи насоса низкого давления 6 подается через фильтр 7 в головку насоса высокого давления 3. Насос имеет три плунжера малого диаметра, расположенные радиально по окружности через 1200. Три рабочих хода каждого плунжера за один оборот позволяют обеспечить незначительную нагрузку на вал привода с эксцентриковыми кулачками. Величина создаваемого давления регулируется клапаном, открытие которого регулируется при помощи электромагнита, управляемого при помощи электронного блока 16.

На режиме холостого хода давление достигает 40 - 50 МПа, а на режиме номинальной мощности и близких к нему - 100 - 200 МПа. Давление, создаваемое насосом, по трубопроводу высокого давления 5 передается в

аккумулятор 9. Для уменьшения колебаний давления его объем рекомендуется более 100 см3. Аккумулятор 9 и форсунка 11 соединены при помощи трубопровода высокого давления. Полость распылителя заполнена топливом под давлением, которое создается в аккумуляторе 9. Дополнительно топливо под давлением поступает через впускное отверстие в камеру управления иглой форсунки.

На рисунке 6 показаны различные формы дифференциальных характеристик подачи топлива. Для получения двухфазной подачи топлива желательно применение электрогид-равлического управления движением иглы (рисунок 6, а и б). Для многофазных характеристик необходимы форсунки с быстродействующим пьезокварцевым управлением иглы (рисунок 6, е и г).

1 —1—

— "ч ---

г а б

/

/- л 6 л г л А г

Рис. 6. Ступенчатая (а) и многофазные дифференциальные характеристики впрыска топлива

На рисунке 7 и 8 приведены принципиальные схемы форсунок с электрогидравличе-ским и пьезокварцевым управлением иглы.

Под действием пружины 2 (рис. 7.) якорь 3 находится в нижнем положении и конусом штока закрывает отсечное отверстие 4. Из

аккумулятора 12 с постоянным давлением, например, 100 МПа топливо поступает в подводящий канал 10 форсунки и через впускной канал 11 в камеру управления 13. Давление топлива во всех полостях форсунки выравнивается.

Рис. 7. Схема форсунки с электромагнитным управлением:

1 - электромагнит; 2, 7- пружины; 3 - якорь с уплотняющим конусом; 4 - отсечное калиброванное отверстие (жиклёр); 5 - поршень; 6 - корпус форсунки; 8 - игла распылителя; 9 - сопловые отверстия; 10 - подводящий канал; 11 - впускное отверстие (жиклёр); 12 - аккумулятор;

13 - камера управления

Рис. 8. Форсунка с пьезокварцевым управлением:

1 - разъем; 2 - пьезокварцевые пластинки; 3 - медные пластины; 4 - рычаг качающийся; 5 -шток с запорным конусом; 6 - сливное отверстие (жиклёр); 7 - шток управления; 8 - корпус форсунки; 9 - пружина; 10 - игла распылителя; 11 - сопловые отверстия; 12 - подводящий канал к распылителю; 13 - канал (жиклёр) подвода топлива в камеру управления; 14 - аккумулятор; 15 - камера управления; 16 - пружина

Так как площадь управляющего поршня 5 больше площади иглы, то сила со стороны поршня превышает силу со стороны иглы 8 и она находится в закрытом состоянии. Впрыск топлива в камеру сгорания не происходит. При подаче управляющего сигнала на обмотку электромагнита 1 якорь 3, преодолевая усилие пружины 2, движется вверх, открывая отсечное отверстие 4. Давление в камере управления 13 резко снижается, усилие со стороны иглы 8 будет превышать усилие со стороны поршня 5 и она будет двигаться вверх. Топливо из аккумулятора 12 поступает к сопловым отверстиям 9 и в распыленном виде подается в камеру сгорания. Напряжение питания обмотки 1 равно 6 вольтам. Для сопротивления катушки 0,3 Ома величина тока достигает 20 А.

Объемная подача топлива за впрыск зависит от величины давления в аккумуляторе 12 и продолжительности управляющего сигнала в обмотке электромагнита 1. Форсунка данного типа позволяет изменять угол опережения подачи топлива и форму характеристики впрыска.

На рисунке 9 показана зависимость величины цикловой подачи от продолжительности

впрыска в мс ив градусах от давления топлива в аккумуляторе.

ММ' 120 110 100 90 80 70 60 50

Уц ьо

30

20

10

у

Г.АК

'ф

НПО

1 9

9

12 , град

0,25

0,5

0,75

Ю

Рис. 9. Зависимость цикловой подачи топлива от давления в аккумуляторе и продолжительности впрыска {^F = 0,15 мм

2 п,,= 2000 мин-1'

Из анализа рисунка 9 следует, что требуемое количество топлива за цикл можно подать в камеру сгорания при различных давлениях в аккумуляторе и длительностью сигнала на катушке управления (продолжительность впрыска). Управлять интенсивностью и формой характеристики впрыска можно величиной давления в аккумуляторе, длительностью и паузами сигнала, поданного на катушку форсунки с электрогидравлическим управлением движения иглы распылителя. На рис. 9 по оси абсцисс номерами 1, 2, 3 показаны время первой фазы впрыска (0,25 мс) при давлении в аккумуляторе 100 МПа, время паузы 2 (0,25 мс) и время второй (основной) фазы впрыска 3 продолжительностью 0,5 мс.

При эффективном проходном сечении распылителя ц Р = 0,15 мм2 и частоте циклов

ёУ

Ш'

мм3/с*103 35 30

1

впрыска топлива пц = 2000 мин' для одного впрыска топлива продолжительностью 12 градусов (0,001 с) при РАК =100 МПа теоретическая цикловая подача составит 70 мм3. При двухфазном впрыске (пауза на участке 2) запальная порция (участок 1) составит 18 мм3, а основная (участок 3) 35 мм3. Общая подача топлива за цикл составит 53 мм3.

На рисунке 10 приведена характеристика с запальной и основной подачей топлива (двухфазная характеристика) аккумуляторной системой с электромагнитным управлением иглы форсунки. Площадь под кривой в определенном масштабе представляет собой действительную подачу топлива за цикл (впрыск).

\

25

20

15

10

5

0 0,0002 0.000І 0,0006 0,0008 0,001 0,0012 1, с

Рис. 10. Дифференциальная характеристика дополнительной (запальной) и основной подачи топлива

Высокое давление впрыскивания повышает объемную скорость подачи, улучшает рас-пыливание топлива, уменьшает удельный расход топлива, снижает образование твердых частиц (сажи) в ОГ и обеспечивает получение высокой мощности двигателя. Однако характерная для этого процесса короткая продолжительность впрыскивания вызывает резкое повышение давления сгорания (жесткость), что приводит к высокой шумности работы двигателя, износу деталей КШМ и повышенной эмиссии оксидов азота в ОГ.

Оптимальные условия в камере сгорания создаются применением предварительного впрыскивания топлива. Впрыскивание небольшой дозы топлива (10 - 20 %) усиливает предварительный подогрев камеры сгорания и повышает интенсивное (турбулентное) движение в ней потока воздуха. Основная порция топлива при последующем впрыскивании сгорает с коротким периодом задержки самовоспламенения, меньшим шумом работы двигателя, и вредных компонентов ОГ.

В настоящее время совместно с электромагнитным управлением иглой распылителя форсунки применяют пьезокварцевое управление (см. рис 8). При подаче высокого напряжения на столбик пьезокварцевых пластин его длина изменяется, что позволяет осуществлять несколько подъемов и посадок иглы форсунки за время подачи топлива в камеру сгорания.

Время срабатывания пьезоэлектрической форсунки - менее 0,0001 с. В ней используется пакет из нескольких сотен миниатюрных кристаллов, встроенных в корпус форсунки. Повышение быстродействия дает возможность уменьшить интервал между последовательными впрысками и повысить управляемость процесса впрыска и сгорания топлива. Принцип работы данной форсунки подобен действию форсунки с электромагнитным управлением.

Заключение

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:

- интенсивность впрыскивания топлива с механическим управлением возрастает с увеличением давления начала подъема иглы, уменьшением диаметра иглы и проходного сечения распылителя;

- комплексная интенсификация процесса впрыскивания с механическим управлением позволяет повысить давление и получить П -образную характеристику впрыскивания для требуемой цикловой подачи топлива;

- для управления процессом подачи топлива необходимо использовать системы с регулируемым давлением в аккумуляторе и форсунки с электронным или пьезокварцевым управлением, позволяющие осуществлять несколько впрысков в процессе подачи топлива в камеру сгорания дизеля;

- предложен график зависимости цикловой подачи от продолжительности впрыска топлива для различных давлений в аккумуляторе.

Библиографический список

1. Макушев Ю. П. Системы питания быстроходных дизелей: учебное пособие / Ю. П. Макушев. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2004. - 181 с.

2. Макушев Ю. П. Расчет систем и механизмов двигателей внутреннего сгорания математическими

методами / Ю. П. Макушев, Т. А. Полякова, Л. Ю. Михайлова, Филатов А. В.: учебное пособие. -Омск: СибАДИ, 2011. - 284 с.

3. Системы управления дизельными двигателями. Перевод с немецкого. Первое русское издание. - М.: ЗАО «КЖИ За рулем», 2004. - 480 с.

PROCESS CONTROL OF FUEL INJECTION IN DIESEL ENGINES

A. V. Philatov

The article shows that the comprehensive intensification with mechanically controlled injector allows to receive a U-shaped characteristics of fuel injection. For intensification and the fuel control system recommended systems with accumulation of high pressure and fuel delivery in batches using injectors with electronic and piezoelectric control.

Филатов Алексей Владимирович - аспирант Сибирской государственной автомобильнодорожной академии. Основное направление научных исследований - совершенствование топливной аппаратуры дизелей путем интенсификации и управления процессом впрыска топлива. Имеет более 10 опубликованных работ. E-mail: hronus-fill@mail.ru

УДК 681.5:621.22+625.76

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

В. С. Щербаков, В. Н. Галдин

Аннотация. Приведены основные сведения о показателях гидравлических импульсных систем, применяемых для разработки различных грунтов.

Ключевые слова: гидравлическая импульсная система, моделирование.

Введение

Гидравлическая импульсная система включает следующие основные функциональные элементы: источник питания (насос) базовой машины и гидроударное устройство, состоящее из энергетического блока, блока управления рабочим циклом и инструмента. В гидравлическом ударном устройстве энергия подводимой жидкости генерируется в импульсы силы определенной частоты и интенсивности, воздействующие на обрабатываемую среду.

Применение гидравлической импульсной техники позволяет выполнять разрушение и разработку мерзлого грунта, скальных пород и полотна дорог, проходку скважин в грунте, забивание и извлечение свайных элементов, уплотнение грунта.

Эффективность использования гидравлической импульсной системы зависит от большого числа факторов и свойств системы [1, 3]. Блок-схема рабочего процесса щцравлической импульсной системы представлена на рис. 1.