Анализ формирования утечек топлива в электрогидравлических форсунках автомобильного дизельного двигателя

Оригинальная статья / Original article УДК: 629.113.004

DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-163-168

АНАЛИЗ ФОРМИРОВАНИЯ УТЕЧЕК ТОПЛИВА В ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ФОРСУНКАХ АВТОМОБИЛЬНОГО ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

© И.В. Якимов1, С.Н. Кривцов2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Резюме. Цель. В рамках исследования применимости метода диагностики аккумуляторных топливоподающих систем автомобильных дизельных двигателей по обратной топливной магистрали для диагностики технического состояния инжекторов (ЭГФ), как наиболее ответственных и уязвимых составляющих этих топливных систем, проанализированы утечки топлива в механизме электрогидравлической форсунки. Это необходимо для выявления зависимости между этими утечками и внутренними параметрами ЭГФ. Методы. Для анализа утечек использовался метод математического моделирования. Результаты. В ходе исследований выявлено, что наиболее информативным параметром, характеризующим качество работы ЭГФ, является расход топлива на управление цикловой подачей, который зависит в первую очередь от величины износа рабочих поверхностей подвижных деталей инжектора, а значит, позволяет прогнозировать его дальнейший ресурс. Очевидно, что расход топлива на управление зависит не только от износа деталей инжектора, но и от нарушения их динамики по причине этого износа. Заключение. Изучив движение топлива в обратной магистрали ТПС с ТАВД, можно получить значительный объем диагностической информации о техническом состоянии электрогидравлического инжектора. Ключевые слова: электрогидравлическая форсунка ЭГФ, топливный аккумулятор высокого давления ТАВД, диагностика, топливоподающая система ТПС, дизель, обнаружение утечек.

Формат цитирования: Якимов И.В., Кривцов С.Н. Анализ формирования утечек топлива в электрогидравлических форсунках автомобильного дизельного двигателя // Вестник ИрГТУ. 2016. № 6 (113). С. 163-168. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-163-168

ANALYSIS OF FUEL LEAK FORMATION IN AUTOMOTIVE DIESEL ENGINE ELECTROHYDRAULIC NOZZLES I.V. Yakimov, S.N. Krivtsov

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Abstract. Purpose. Fuel leaks in an electrohydraulic injector nozzle have been analyzed within the study of the applicability of the diagnostic method of accumulator fuel feed systems for automotive diesel engines by the fuel return line to diagnose the technical condition of electrohydraulic nozzle (EHN) injectors as the most important and vulnerable components of fuel systems. It is required for the identification of dependence between these leaks and EHN internal parameters. Methods. The method of mathematical simulation has been used for the analysis of leaks. Results. The study has shown the fuel consumption for cyclic feeding control to be the most informative parameter characterizing the EHN operation quality. It primarily depends on the wear rate of the working surfaces of the injector moving parts and, therefore, allows to predict its future life. Apparently, the fuel consumption for control rather depends on the failure of injector components dynamics due to part wear than on part wear and tear alone. Conclusion. The study of the fuel flow in the fuel feed system return line with the common rail allows to receive a significant amount of diagnostic information about the technical condition of the electrohydraulic injector.

Keywords: electrohydraulic nozzle (EHN), common rail, diagnostics, fuel feed system (FFS), diesel, leak detection

For citation: Yakimov I.V., S. Krivtsov S.N. Analysis of fuel leak formation in automotive diesel engine electrohydraulic nozzles. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 6, pp. 163-168. (In Russian) DOI: 10.21285/18143520-2016-6-163-168

1Якимов Игорь Владимирович, аспирант кафедры автомобильного транспорта, e-mail: igor_auto@mail.ru Yakimov Igor, Postgraduate of the Department of Motor Transport, e-mail: ig-or_auto@mail.ru

2Кривцов Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта, e-mail: krivcov_sergei@mail.ru

Krivtsov Sergey, Candidate of Engineering sciences, Associate Professor of the Department of Motor Transport, e-mail: krivcov_sergei@mail.ru

Введение

Электрогидравлическая форсунка (ЭГФ, или инжектор) дизеля, оснащенного аккумуляторной топливной системой, является важнейшим компонентом, отвечающим за качество подачи топлива. Это в итоге сказывается на эксплуатационных показателях дизеля и автомобиля в целом. Большая часть отказов аккумуляторных систем приходится именно на ЭГФ [1].

Инжектор автомобильного дизеля работает в достаточно широком диапазоне изменения подач. В качестве критериев правильного функционирования инжекторов запишем следующее выражение [2]:

qf < q <

Q, <Qi0n l '

где - цикловая подача /-го режима работы, мм3; qimln, цтах - значения минимально и максимально допустимых цикловых подач /-го режима работы, мм3; 0/ и 0?°" - соответственно номинальная и допустимая величина расхода топлива на управление, мм3.

На качество работы ЭГФ оказывают влияние структурные (не подлежащие регулировке) и регулировочные параметры. Каждый из них влияет на цикловую подачу топлива, однако именно величина утечек в обратной магистрали связана со структурными параметрами наиболее тесно. В связи с этим детальный анализ причин их возникновения является актуальной задачей.

Анализ структурной схемы

Рассмотрим утечки топлива в механизме типичного инжектора дизельной топливной системы с ТАВД (рис. 1). Утечки происходят в магистраль слива - полость с низким давлением, близким к атмосферному. Они подразделяются на статические (при отсутствии сигнала управления) и динамические (при его присутствии). Топливо в обратную магистраль проникает через зазоры запорной иглы и ее направляющей, плунжера-мультипликатора и его уплотнения, управляющего клапана.

Утечки в обратную магистраль запишутся как

Ообр О^ст + О-дин ,

где ост - расход топлива через зазоры и уплотнения.

В свою очередь, утечки через зазоры и уплотнения, отнесенные к статическим (ост), определятся как сумма утечек через направляющую часть пилотного плунжера, клапана и утечки через цилиндрическую направляющую запорной иглы распылителя. При этом возможная неплотность распылителя по конической части исключается из рассмотрения, поскольку ЭГФ в этом случае теряет работоспособность, а для ДВС это может привести к серьезной поломке деталей. Таким образом,

О = о + О + О ,

ст х^пл х^кл игл' \ /

где О™ - расход через уплотнение плунжера; - расход через зазоры управляющего клапана; О^ - расход через зазор направляющей запорной иглы.

Динамический расход топлива на управление зависит от количества топлива, прошедшего через управляющий клапан с изменением объема вследствие перемещения пилотного плунжера:

= о + ^ = О + ^

дин 7, г ' \/

Ш Ш 4

где ^ - изменение объема, вызванное перемещением пилотного плунжера; ^ - скорость

перемещения плунжера; dпл - диаметр пилотного плунжера; ^ - расход топлива через управляющий клапан.

| | - Давление топлива в аккумуляторе, кармане запорной иглы / Fuel rail pressure, needle valve pocket pressure

| | - Переменное давление топлива

| | - Утечка топлива

Рис. 1. Схема движения топлива в обратную магистраль через зазоры механизма инжектора системы с ТАВД Fig. 1. The schematic of return line fuel movement through the gaps of the Common Rail system injector mechanism

Расход через поршневую часть плунжера [3]определяется как

nd (ô + 2 • B • р )) • р

пл\ пл Г упр S г у

96L

где ^ - диаметр плунжера; 8ш - начальный диаметральный зазор в паре плунжер - втулка; в - коэффициент, учитывающий деформацию втулки от давления топлива; р^ - давление в камере управления; / - коэффициент динамической вязкости топлива при текущих давлениях и температуре; ^ - длина прецизионной части плунжера.

Таким образом, при рассмотрении динамических утечек необходимо учитывать и динамику перемещения подвижных частей ЭГФ.

Описание динамики работы ЭГФ

Составим уравнение перемещения поршня мультипликатора, учитывая предварительное натяжение пружины и то, что он управляется гидравлически за счет разности давлений в подыгольном пространстве распылителя и в надпоршневом пространстве плунжера -мультипликатора (трением плунжера-мультипликатора о клапан пренебрегли):

d2 z

Рупр d2 Ра- ¿locn - dU )

,

m

и

2

где тпл - масса подвижных деталей (поршня и иглы распылителя), г; z - величина перемещения поршня мультипликатора, мм; о2 - управляющая ступенчатая функция, накладывающая ограничение на перемещения поршня мультипликатора, мм; рпл,, ра - соответственно давления в надпоршневом пространстве и аккумуляторе, МПа; dm dpacn, dU8 - соответственно диаметры поршня мультипликатора, направляющей части распылителя и иглы, мм; спрррасп - жесткость пружины распылителя, Н/мм; х - предварительная деформация пружины распылителя, мм.

Необходимо учесть два обстоятельства: во-первых, максимальное перемещение пилотного плунжера-мультипликатора, как правило, имеет ограничение, например, для ЭГФ Bosch (рис. 2); во-вторых, наличие обратной связи по подъему иглы, возникающей при перекрытии торцом пилотного плунжера-мультипликатора канала управления. В этом случае разгрузка камеры управления прекращается, но продолжается наполнение через наполнительный жиклер. В результате пилотный плунжер вместе с иглой отжимается вниз, где останавливается в определенном равновесом положении, при котором устанавливается минимальный расход топлива на управление [4].

Рис. 2. Ограничение максимального хода иглы распылителя: 1 - корпус ЭГФ; 2 - пилотный плунжер-мультипликатор; 3 - проставка Fig. 2. Limitation of maximum injector needle stroke: 1 - nozzle body; 2 - pilot plunger-multiplier; 3 - spacer

Тогда управляющая ступенчатая функция, накладывающая ограничение на перемещения поршня мультипликатора (а соответственно и иглы распылителя), выразится как

0 z = 0

о, ^ z = la - h о < z < L - h

=

С учетом обратной связи уравнение перемещения подвижных частей пилотного плунжера и иглы распылителя (6) запишется следующим образом:

d2 z

' It2 ''

Рупр n dj Рупр dj - dj ) Рак • n •

,

m

где dвн - внутренний диаметр пилотного плунжера, перекрывающий канал слива клапана управления, мм.

Расход через прецизионный зазор между иглой и корпусом распылителя [3]

0 _пйи-р-Ррас-1пс УраС 12- 1и-( СРРа' -1) '

где - диаметр иглы; 5и - начальный диаметральный зазор в паре игла - распылитель; Ррас - давление топлива в кармане распылителя; /„ - длина прецизионной части иглы; р - коэффициент, учитывающий изменение формы уплотняющего зазора вследствие эксцентриситета иглы, р = 1+1,5-(¡и/8/; сРрАс - постоянный коэффициент, зависящий от физических свойств топлива (с = 1,0025).

Определим изменение давления в камере управления согласно расчетной схеме с учетом неразрывности потока (рис. 1):

—=—f йп - е« - - е -—1,

Л а V {1 2 3 йш йг ) к '

где а - коэффициент сжимаемости топлива; ея - расход из аккумулятора в камеру управления; е/2 - расход через управляющий клапан; - расход через уплотнение клапана.

В выражении (10) величина может быть рассмотрена как расход топлива через

постоянный жиклер.

Расходы через все проходные сечения определим по формуле

а = //

Перепад давления камера управления - слив

ЛРсл = РV - Ро ,

где р„ - давление в камере управления; р0 «Ратм - давление в обратной магистрали. Перепад давления аккумулятор - камера управления

АРх = Pa - Pv ,

где р - давление в топливном аккумуляторе. Начальные условия (t = 0):

V = 0;h = 0;p = p ;V = 0;h = 0.

пл ' пл '-ту ira1 кл ' кл \ /

Заключение

Наиболее информативным диагностическим параметром, характеризующим качество работы инжектора топливоподающей системы (ТПС) с топливным аккумулятором высокого давления (ТАВД), является расход топлива на управление цикловой подачей, который зависит в первую очередь от величины износа рабочих поверхностей подвижных деталей инжектора, а значит, позволяет прогнозировать его дальнейший ресурс.

Очевидно, что расход топлива на управление будет зависеть не только от износа деталей инжектора, но и от нарушения их динамики по причине этого износа. Значительный объем диагностической информации о техническом состоянии инжектора ТПС с ТАВД можно получить, изучив движение топлива в обратной магистрали этой системы.

Библиографический список

1. Врублевский А.Н. Исследование влияния утечек топлива в электрогидравлической форсунке на параметры впрыскивания // Двигатели внутреннего сгорания. 2009. № 1. С. 75-79.

2. Грехов Л.В. Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей М.: Легион -Автодата, 2005. 344 с.

3. Кривцов С.Н. Измерение индуктивности электромагнита как фактор повышения качества регулировки электрогидравлических форсунок Common Rail при ремонте // Автомобильная промышленность. 2015. № 7. С. 9-11.

4. Кривцов С.Н., Федотов А.И., Кривцова Т.И. Модернизация стендов по регулировке ТНВД для работы с системой Common Rail // Автотранспортное предприятие. 2015. № 6. С. 31-34.

References

Vrublevskii A.N. Issledovanie vliyaniya utechek topliva v elektrogidravlicheskoi forsunke na parametry vpryskivaniya [Study of the effect of fuel leaks in the electro-hydraulic nozzle on injection parameters]. Dvigateli vnutrennego sgoraniya. - Internal combustion engines, 2009, no. 1, pp. 75-79.

2. Grekhov L.V. Ivashchenko N.A., Markov V.A. Toplivnaya apparatura i sistemy upravle-niya dizelei [Diesel fuel injection equipment and control systems]. Moscow, Legion-Avtodata Publ., 2005, 344 p.

3. Krivtsov S.N. Izmerenie induktivnosti elektromagnita kak faktor povysheniya kachestva regulirovki elektrogidravlich-eskikh forsunok Common Railpriremonte [Electromagnet inductance measurement as a factor improving the adjustment quality of Common Rail electrohydraulic injector nozzle in repair]. Avtomobil'naya promyshlennost'- Automotive Industry, 2015, no. 7, pp. 9-11.

4. Krivtsov S.N., Fedotov A.I., Krivtsova T.I. Modernizatsiya stendov po regulirovke TNVD dlya raboty s sistemoi Common Rail [Modernization of test benches adjusting fuel injection pumps for the operation with a Common Rail system]. Avtotransportnoe predpriyatie - Motor Company, 2015, no. 6, pp. 31-34.

Конфликт интересов Conflict of interest

Авторы заявляют об отсутствии конфликта The authors declare no conflict of interest. интересов.

Статья поступила 04.04.2016 г. The article was received 04 April 2016