Принципы организации впрыскивания топлива при помощи электрогидравлической форсунки

УДК 621.436.038

ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВПРЫСКИВАНИЯ ТОПЛИВА ПРИ ПОМОЩИ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ФОРСУНКИ

А.Н. Врублевский, доцент, к.т.н., Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., Е.Ю. Зенкин, аспирант, ХНАДУ

Аннотация. Представлены результаты расчетного исследования процесса топливоподачи в топливной системе аккумулирующего типа с электромагнитной форсункой (ЭГФ). Определены способы, позволяющие получать необходимые характеристики впрыскивания ЭГФ.

Ключевые слова: электромагнитная форсунка, клапан управления, игла распылителя, характеристика подачи.

Введение

Проектирование и доводка современных устройств для организации топливоподачи в цилиндр высокооборотного дизеля принципиально отличаются от такого рода работ, выполняемых в прошлом. В первую очередь, это связано с необходимостью обеспечить эффективную, согласованную работу электронной системы управления и гидромеханической схемы топливной системы (ТС) дизеля. Также известно, что для ТС непосредственного действия характерный масштаб времени составляет 0,1 - 0,05 миллисекунд; для ТС с электронным управлением впрыскивания переходные процессы, происходящие в полостях управления форсунки, занимают несколько микросекунд.

При управлении работой быстродействующего электромагнитного привода клапана электрогидравлической форсунки (ЭГФ), необходимо учитывать скорость перемещения якоря соленоида и время переходных процессов в электромагните и в элементах электрической цепи.

Анализ публикаций

Электродинамические процессы в электро-гидравлической форсунке (ЭГФ) нами рассмотрены в предыдущих работах [1, 2], а особенности математического моделирования гидромеханических процессов - в работе [3].

Проведенная авторами данной работы совместно с сотрудниками КП ХКБД проверка адекватности математической модели, представленной в [1 - 3] показала, что для двухфазного впрыскивания при идентичных режимных параметрах (длительность управляющих сигналов, затяжка пружины клапана, величина хода клапана) результаты расчета (рис. 1) и эксперимента (рис. 2) совпадают. Объектом исследования являлся электромагнитный клапан для ЭГФ, основные элементы которого - магнитопровод и якорь - совместная разработка ХФТИ, КП ХКБД и ХНАДУ. Значения указанных выше параметров задавались следующие: сила затяжки пружины якоря - 20 Н; продолжительность короткого импульса для предварительной подачи - 150 микросекунд (мкс); расстояние между коротким и длинным импульсом - 1000 мкс; общая длительность импульса для основной подачи - 1200 мкс.

Очевидно, что в ТС с ЭГФ реализовать эффективный процесс топливоподачи возможно только при совместном выборе характеристик цепи управления, электромагнита, гидромеханической схемы. При этом, как отмечалось в [2], критерием эффективности является не только достижение требуемой интенсивности впрыскивания, но и сохранение стабильности основных показателей при технологических и других отклонениях параметров системы (то есть, обеспечение робасно-сти новой топливной аппаратуры). Эта

проблема решается за счёт особенностей магнитной цепи и выбора алгоритма управления.

1 1 1 Ход клапана.

мк: 1,1 \ '(ч

"50 \ 4“ * 1

'40 N 1 Сил а маг нита

~5У) :: 1 <: с \

: :( 4 1 1 * * »

"10 п . :( * * \ 1 1 ♦ № " 10"  0-

Ток, 1

\ 10 \ к

п

с С 1 6 2 4 3 Бремя, мс ,2 4,0 |

Рис. 1. Расчетные кривые изменения силы магнита, хода клапана и тока в катушке электромагнита

Рис. 2. Экспериментальные кривые изменения силы магнита, хода клапана и тока в катушке электромагнита

Цель и постановка задачи

Цель работы - дать рекомендации по организации управления процессом топливоподачи в цилиндр высокооборотного дизеля при по-

мощи электрогидравлической форсунки. Для достижения данной цели необходимо получить и проанализировать зависимости характеристики впрыскивания от параметров управляющих электрических сигналов. Именно это является задачей данной работы.

Объект исследования -дизельная электромагнитная форсунка

Подробно исследуемая конструкция форсунки рассмотрена в [1, 4]. В этой работе опи-са-ны алгоритм управления быстродействующего электромагнита, который приводит в действие клапан управления ЭГФ.

Как правило, обмотка электромагнита включается не непосредственно на напряжение источника, а в различные схемы, в которых последовательно или параллельно включаются добавочные сопротивления, индуктивности, емкости. Для получения необходимого быстродействия используются специальные схемы. Во всех случаях необходимо знать, как влияют параметры схем на время срабатывания электромагнита и какими они должны быть для получения минимального времени срабатывания. Так, анализ предлагаемого в [5] состава импульса показывает, что реализация его на практике, а именно пусковое питание катушки электромагнита источником постоянного тока 12 или 24 В не обеспечит требуемое время срабатывания электромагнитного клапана высокооборотного автомобильного двигателя. Состав импульса, реализуемый схемой управления электромагнита, представлен на рис. 3.

Он разделяется на шесть фаз: а - фаза стра-гивания; Ь - фаза открытия; с - фаза перехода; d - фаза удержания; е - фаза закрытия; f -фаза дозарядки бустерного конденсатора.

Фаза а обеспечивается подачей напряжения на катушку от конденсатора. Магнитное насыщение магнитопровода при этом произойдет за время Т, далее именуемое «постоянной времени», а ток I в катушке может достигать значения 200 А и более (кривая 1-7). Величина Т составляет 0,1 - 0,2 мс, что не удовлетворяет заданным выше условиям быстродействия. На практике в точке 2 происходит переключение питания катушки от аккумуляторной батареи. Начинается фаза Ь и перемещение А/ якоря. Если необходимо обеспечить время срабатывания электромагнита

0,1 - 0,5 мс, то с точки 3 осуществляется подключение конденсатора. Ток I за короткое время понижается (отрезок 3-8). Для времени срабатывания более 0,5 мс организуется фаза б/ удержания. При этом ток I понижается до точки 4 и на отрезке 4-5 остается постоянным, равным /уд ~ 0,5/тах. Далее в фазе е ток в катушке снижается до нуля. Зарядка конденсатора осуществляется на переходных фазах с не. А дозарядка - на фазе / от аккумулятора между впрыскиваниями.

Рис. 3. Состав импульса быстродействующего электромагнита: ис - напряжение на конденсаторе; I - ток в катушке; А/ -ход якоря

Зависимость характеристики подачи топлива от продолжительности форсированного импульса

Для основного впрыскивания продолжительность Тф форсированного импульса, подаваемого на катушку электромагнита, определяет динамику перемещения клапана (рис. 4) и иглы (рис. 5). Зависимость перемещения клапана и иглы ЭГФ от Тф определялась в ходе численного эксперимента. Общая продолжительность управляющего сигнала принималась величиной постоянной (в рассмотренном варианте равной 880 мкс), происходило лишь изменение продолжительности фаз форсированного импульса и удержания. Результаты моделирования следующие. При давлении в аккумуляторе 80 МПа время Тф равное 110 - 135 мкс обеспечивает полное перемещение иглы форсунки 0,25 мм (см. рис. 5). Перемещение клапана ЭГФ на максимальную величину 0,05 мм в данном случае происходит за время 210 мкс, а при удержа-

нии клапан при незначительных, около 0,01 мм, колебаниях, находится около верхнего упора.

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Рис. 4. Перемещение клапана управления ЭГФ в зависимости от времени форсированного импульса при давлении в аккумуляторе 80 МПа

ход ип "0,12 А 0,03 й 0,165 ы. м '****;

11 \ *

[с ; А *

мс * А \ 1 % 1

Л г **' г ' I* я » \ 1 \ 1 \ 1 \ •

время, мкс

Рис. 5. Перемещение иглы распылителя в зависимости от времени форсированного импульса при давлении в аккумуляторе 80 МПа

Расчетное исследование показывает, что увеличение Тф до 165 мкс приведет к сокращению времени перемещения клапана между упорами до 170 мкс. В таком случае для работы клапана становится характерной работа с отскоками от верхнего упора на величину более 60 % хода. Описанная работа клапана приводит к нестабильной работе форсунки, которая выражается в начальной фазе впрыскивания быстрым, с минимальным запаздыванием от начала подачи управляющего импульса 300 мкс, подъемом иглы распылителя. А затем, при достижении 10 % максимального хода, перемещения иглы к запорному ко-

нусу с последующим медленным подъемом на величину менее 50 % максимального хода.

При Тф менее 110 мкс время подъема клапана увеличивается до 800 мкс. Впрыскивание начинается через 750 мкс после подачи управляющего импульса. Игла распылителя успевает подняться на 50 % от максимального хода.

Следовательно, при необходимости организации с помощью ЭГФ впрыскивания порции топлива величиной 10 мм3 и более, необходимо ограничивать скорость перемещения клапана с целью минимизировать отскок клапана при выходе на упор.

С другой стороны, для эффективного впрыскивания малых, менее 10 мм3 порций топлива, перемещение клапана должно быть организовано с максимальной скоростью. В таком случае становится возможным минимизировать время перемещения клапана и величину цикловой подачи.

Изменяя динамику перемещения клапана управления, можно получить закон подачи с пологим или крутым передним фронтом. При этом крутой задний фронт остается неизменным, что обеспечивает интенсивную отсечку топлива.

Как показано выше, эффективным способом влиять на динамику перемещения клапана управления является выбор продолжительности форсированного импульса. Такой способ можно реализовать в программе, формирующей управляющие сигналы для ЭГФ.

Зависимость цикловой подачи от продолжительности форсированного импульса, приведенная на рис. 6, показывает, что на характеристике подачи топлива есть участки провала (или малой крутизны графика). Причины этого эффекта в изменении динамики движения клапана с выходом на упор, волновыми процессами в нагнетательном трубопроводе, наличием или отсутствием касания иглой упора. Как показано в [3], нестабильная топ-ливоподача также является следствием деформации мультипликатора и стержня клапана.

Приведенные условия работы ЭГФ при давлении Ракк топлива в аккумуляторе 80 МПа характерны для всего диапазона давления

Ракк. При изменении Ракк изменяются лишь количественные показатели характеристики впрыскивания. Поэтому все изложенное справедливо для любого режима работы аккумулирующей топливной аппаратуры. Однако, для сохранения баланса сил, обеспечивающего работу ЭГФ, необходимо в процессе работы дизеля уменьшать или увеличивать величину тока удержания с учётом давления топлива в аккумуляторе, а при проектировании магнитной цепи обеспечивать необходимый запас по тяговой характеристике электромагнита.

Рис. 6. Зависимость характеристики подачи от времени форсированного импульса при давлении в аккумуляторе 80 МПа

На режимах холостого хода и малых нагрузок для обеспечения при помощи ЭГФ процесса топливоподачи с пилотным впрыскиванием топлива, управляющий сигнал на форсунку может иметь несколько вариантов. Первый вариант - одиночный форсированный импульс заданной продолжительности, второй - форсированный импульс с фазой удержания и третий - серия форсированных импульсов (два или три) с периодом между ними 100 - 200 микросекунд. Так, при доводке опытной форсунки КП ХКБД определено, что одним из приемов, позволяющим обеспечить впрыскивание порции топлива 2 мм3 при давлении в аккумуляторе 18 МПа, является подача на форсунку двойного форсированного сигнала с блока управления с периодом 100 микросекунд.

Определение продолжительности дозарядки конденсатора

При описании алгоритма управления ЭГФ указывалось, что формирование форсированного импульса происходит при разрядке конденсатора, который включен в схему

управления ЭГФ. В период между впрыскиваниями топлива в схеме управления ЭГФ предусматривается процесс дозарядки конденсатора. Для этого через катушку электромагнита на клеммы конденсатора подается напряжение с бортовой аккумуляторной батареи. Дозарядка конденсатора не приводит к впрыскиванию топлива. Поэтому ее продолжительность должна быть ограничена.

Для определения рационального времени до-зарядки конденсатора через катушку электромагнита ЭГФ нами выполнена серия расчетов. Результаты расчетов приведены на рис. 7, 8. Увеличить напряжение на клеммах конденсатора с 70 до 85 Вольт можно, организовав не менее двух импульсов зарядки. Определено, что дозарядка конденсатора продолжительностью менее 150 мкс не приводит к расходу топлива на управление через ЭГФ. Увеличение времени единичного импульса до 250 мкс может привести к впрыскиванию топлива через отверстия распылителя. При этом цикловой расход топлива на управление достигнет 3 мм3.

Рис. Т. Результат моделирования процесса дозарядки бустерного конденсатора

Для ЭГФ фирмы Bosch [6, Т] алгоритм управления электромагнитом соответствует описанию, данному в разделе «Объект исследова-

ния ...». Проведенные авторами данной статьи исследования показывают, что количество импульсов дозарядки конденсатора 6 и более, а продолжительность каждого импульса - около 50 микросекунд (см. рис. 9). Это исключает возможность возникновения несанкционированных впрыскиваний топлива и подтверждает изложенные выше соображения относительно организации оптимальной дозарядки бустерного конденсатора.

Г4 3 мм Ци] упр слова; авлен N. ч. на не / * * * І

5 N \ * і

] ^прыс N кива: N -ІИЄ 1 1 * * * t

і N /

0 50 100

150 200 250

Время, мкс

Рис. 8. Зависимость цикловой подачи и расхода топлива на управление от продолжительности одиночного импульса доза-рядки конденсатора цепи управления

На рис. 9 представлены результаты дифференциального измерения напряжения на клеммах форсунки первого цилиндра в момент перезарядки бустерного конденсатора. Точка 1 - нулевая линия - ни в один из каналов форсунки питание не подаётся. Точка 2 -к электромагнитному клапану приложено 12 В от аккумуляторной батареи. Точка 3 -высоковольтный импульс амплитудой 40 В, заряжающий бустерный конденсатор и проходящий через обмотку электромагнита форсунки. Продолжительность участка «А» составляет 212 мкс. При достаточно большой длительности, но напряжении всего в 12 В электромагнитный клапан форсунки ещё не открывается. Участок «В» и последующие за ним аналогичные участки прикладывания 12 В напряжения между зарядками конденсатора имеют ещё меньшую длительность в 110 мкс и тоже не оказывают никакого влияния на клапан. Высоковольтные импульсы, заряжающие конденсатор, имеют продолжительность около 70 мкс - участок «С», что

меньше допустимого минимума - 150 мкс, полученного путём математического моделирования процесса.

3

Рис. 9. Экспериментально полученный процесс дозарядки бустерного конденсатора

Выводы

Установлено, что в электрогидравлической форсунке получить закон подачи с пологим или крутым передним фронтом можно, изменяя динамику перемещения клапана управления. При этом крутой задний фронт остается неизменным, что обеспечивает интенсивную отсечку топлива.

Определено, что наиболее эффективным способом изменять динамику перемещения клапана управления является выбор продолжительности форсированного импульса. Такой способ можно реализовать в программе, формирующей управляющие сигналы для ЭГФ.

Предложено для сохранения баланса сил, обеспечивающего работу ЭГФ в процессе работы дизеля, изменять величину тока удержания с учётом давления топлива в аккумуляторе.

Определено, что дозарядка бустерного конденсатора цепи питания электромагнита ЭГФ продолжительностью менее 150 мкс не приводит к расходу топлива на управление через ЭГФ. Увеличение времени единичного им-

пульса до 250 мкс может привести к впрыскиванию топлива через отверстия распылителя. При этом расход топлива на управление составит 3 мм3.

Рекомендуется для исключения впрыскивания топлива в период зарядки конденсатора подавать на катушку электромагнита напряжение несколькими импульсами длительностью не более 150 микросекунд каждый.

Литература

1. Врублевский А.Н., Григорьев А.Л., Бовда

А.М. Математическая модель быстродействующего электромагнита для топливной системы ДВС // Автомобильный транспорт. - Харьков: ХНАДУ. - 2006. -Вип. 19. - С. 138 - 143.

2. Врублевский А.Н, Григорьев А.Л., Дени-

сов А.В. Особенности выбора параметров электромагнита для топливной системы COMMON RAIL // Автомобильный транспорт. - Харьков: ХНАДУ. - 2007. - Вып. 20. - С. 75 - 80.

3. Врублевский А.Н., Григорьев А.Л., Грицюк А.В., Денисов А.В., Щербаков Г.А. Особенности математического моделирования гидромеханических процессов ЭГФ // Двигатели внутреннего сгорания. - Харьков: ХПИ. - 2007. -Вып. 1. (в печати).

4. Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А.

Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов. - М.: Легион - Автодата, 2004. - 344 с.

5. Пинский Ф.И., Давтян Р.И., Черняк Б.Я.

Микропроцессорные системы управления автомобильными двигателями внутреннего сгорания. - М.: Легион-Автодата, 2001. - 136 с.

6. Системы управления дизельными двигате-

лями: Пер. с нем. С40 Первое русское издание. - М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. - 480 с.

7. Гурбертус Гюнтер. Диагностика дизель-

ных двигателей. Серия «Автомеханик»: Пер. с нем. Ю.Г. Грудского. - М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. - 176 с.

Рецензент: М.А. Подригало, профессор,

д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 17 мая 2007 г.