Математическое моделирование работы электрогидравлической форсунки с разгруженным от давления топлива управляющим клапаном

Владимир Александрович Зенкин родился в 1983 г. Студент кафедры "Поршневые двигатели" МГТУ им. Н.Э. Баумана.

V.A. Zenkin (b. 1983) — student of the Bauman Moscow State Technical University.

Андрей Сергеевич Кулешов родился в 1956 г., окончил в 1979 г. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Канд. техн. наук, доцент кафедры "Поршневые двигатели" МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор более 50 научных работ в области моделирования рабочих процессов в поршневых двигателях.

A.S. Kuleshov (b. 1956) graduated from the Bauman Moscow Higher Technical School in 1979. Ph. D. (Eng.), assoc. professor of "Reciprocating Engines" department of the Bauman Moscow State Technical University. Author of more than 50 publications in the field of simulation of working processes in reciprocating engines.

УДК 621.436.138

B. В. К у р м а н о в, О. В. О л и с е в и ч,

C. Д. Скороделов

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ФОРСУНКИ С РАЗГРУЖЕННЫМ ОТ ДАВЛЕНИЯ ТОПЛИВА УПРАВЛЯЮЩИМ КЛАПАНОМ

Приведены конструкция злектрогидравлической форсунки системы топливоподачи дизеля и описание ее работы. Составлена математическая модель и разработана программа для расчета приведенной электрогидравличекой форсунки. Приведено сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными.

Возможности дальнейшего совершенствования традиционных топ-ливоподающих систем с механическим и гидромеханическим управлением в настоящее время практически исчерпаны. Современный этап развития топливоподающей аппаратуры основывается на переходе к системам с микропроцессорным управлением процессом подачи топлива. Это позволяет повысить точность дозирования в каждом рабочем цикле дизеля и улучшить качество сгорания в цилиндрах двигателя. Основное распространение среди современных систем топливоподачи получают аккумуляторные системы типа Common Rail.

На ведущих отечественных предприятиях отрасли и в исследовательских институтах ведутся работы по созданию и организации серийного производства отечественных аккумуляторных систем типа Common Rail. Эти работы требуют тщательного расчетно-экспериментального анализа преимуществ и недостатков выполненных конструктивных решений и, в первую очередь, электрогидравлических форсунок (ЭГФ), являющихся основным исполнительным органом топливной системы.

В ЭГФ существующих типов основным элементом конструкции является управляющий клапан и его привод. В ЭГФ, выпускаемых фирмами BOSCH и SIEMENS (Германия), применяются шариковые управляющие клапаны, однако, они имеют ряд недостатков, основными из которых являются повышенный расход топлива, затрачиваемого на управление топливной форсункой, и повышенные давления топлива на управляющий клапан, что приводит к необходимости увеличения мощности применяемого электромагнита (расчетный анализ такой ЭГФ приведен в ряде работ1).

Одним из решений этих проблем является применение разгруженного от давления топлива управляющего клапана. При применении такого клапана указанные недостатки минимизуются. Электрогидравлические форсунки такого типа выпускаются фирмой DELPHI (США) для аккумуляторных систем DCR.

В настоящей работе приведены результаты расчетно-эксперимен-тального исследования ЭГФ фирмы DELPHI. Рассматриваемая топливная форсунка имеет однозатворный управляющий клапан (рис. 1), выполненный с коническим затвором и поршнем, разгружающим клапан от осевых сил, создаваемых давлением топлива. Этим снижаются необходимые силы пружины, запирающей клапан, и электрического привода; благодаря этому уменьшаются габаритные размеры и инерция клапана и, что особенно важно для оптимизации конструктивного исполнения ЭГФ, имеется большая свобода выбора места установки управляющего клапана.

Работа топливной форсунки и управляющего клапана заключается в следующем (рис.2). Топливо из аккумулятора подводится в камеру управления 12 форсунки через жиклер 13 камеры управления. При отсутствии тока на обмотке электромагнита пружина клапана 1 прижимает его к седлу 7 и разъединяет камеру 12 и дренажную полость 6 форсунки, давление топлива в камере прижимает иглу 10 к седлу распылителя.

При подаче управляющего импульса электромагнит поднимает клапан управления 5 и открывается слив в полость 6 форсунки через

1Корнилов Г. С., Мазинг М. В., Пинский Ф. И., Голубков Л. Н. Аккумуляторная система топливоподачи как средство улучшения экономических и экологических показателей автомобильных дизелей // Экология двигателя и автомобиля: Сб. науч. тр. - М.: НАМИ, 1998. - С. 141-150.

Рис. 1. Управляющий клапан ЭГФ

Рис. 2. Конструкция ЭГФ:

1 — пружина клапана; 2, 3, 4 — сердечник, обмотка, якорь электромагнита; 5 — управляющий клапан; 6 — дренажная полость; 7 — седло клапана; 8 — пружина иглы распылителя; 9, 10, 11 — корпус, игла и жиклер распылителя; 12 — камера управления; 13 — жиклер камеры управления; 14 — управляющий жиклер; 15 — толкатель управляющего клапана; 16 — корпус форсунки

управляющий жиклер 14. При этом давление в камере 12 над иглой распылителя снижается, что приводит к ее подъему и впрыскиванию топлива. Скорость снижения давления определяется разностью эффективных проходных сечений жиклеров 13 и 14.

При отключении управляющего сигнала пружина 1 возвращает клапан 5 на седло, камера 12 и дренажная полость 6 разобщаются и давление топлива в камере 12 повышается до уровня давления в топливном аккумуляторе. Суммарное давление топлива и пружины, действующей на иглу распылителя сверху, превышает давление топлива снизу, что приводит к посадке иглы и окончанию впрыскивания топлива.

Цикловая подача топлива и фаза впрыскивания определяются продолжительностью и фазами открытия управляющего клапана 5.

При построении математической модели и расчетном анализе аккумуляторной топливной системы

данной ЭГФ приняты следующие допущения: давление топлива в аккумуляторе постоянное; движение топлива в топливопроводе одномерное; коэффициент гидравлического трения постоянный; процессы в топливной системе изотермические; плотность топлива р и скорость звука а в топливе имеют постоянные значения; деформации деталей под действием высокого давления малы и ими можно пренебречь; силы трения в зазорах прецизионных кинематических пар не учитываются; соударения подвижных деталей с упорами абсолютно не упругие, поскольку деформации деталей не вносят в расчет заметной погрешности; соударения подвижных деталей с упорами абсолютно неупругие и деформации деталей вследствие соударений отсутствуют; давления в акустически коротких объемах (К, ^ф, Ур, рис. 3) в текущий момент времени одинаковы во всех точках; сжимаемостью объема топлива между конусом иглы распылителя и сопловыми отверстиями, а также между жиклером 14 и управляющим клапаном 5 пренебрегаем (см. рис. 2).

Рис. 3. Расчетная схема АТС с форсункой, имеющей разгруженный от давления топлива управляющий клапан

Непосредственно при расчете вводим следующие ограничения. При у ^ 0 и Ff < 0 принимаем y = 0 и си = 0; при у ^ ymax и Ff > 0 принимаем y = ymax и си = 0, где си — скорость подъема иглы форсунки; y — текущий подъем иглы форсунки; ymax — максимальный подъем иглы форсунки; Ff — суммарная сила, действующая на иглу форсунки.

При ^кл ^ 0 и Ff < 0 принимаем ^кл = 0 и скл = 0; при

^кл > ^кл max и F^ > 0 принимаем ^кл = ^кл max и Скл = 0, где Скл

— скорость движения управляющего клапана; ^кл — текущий подъем клапана; ^кл max — максимальный подъем клапана; F^ — суммарная сила, действующая на управляющий клапан.

Расчетная схема АТС с топливной форсункой с разгруженным от давления топлива управляющим клапаном приведена на рис. 3.

Уравнения неустановившегося движения вязкой сжимаемой жидкости с учетом указанных допущений о постоянных значениях плотности топлива р и скорости звука а в топливе, пренебрегая конвективными членами уравнений, можно записать в виде системы:

дс 1 dp

о—I—+ 2kc = 0;

дт рдх

др dC-o

дт Pdx '

Первое уравнение системы (1) — это уравнение движения, представляющее собой выражение закона сохранения импульсов для одномерного неустановившегося движения вязкой жидкости, второе уравнение

— уравнение неразрывности, выражающее закон сохранения массы.

Неустановившееся движение топлива в топливопроводе моделируется с учетом прямых и обратных волн давления, передвигающихся навстречу друг другу со скоростью, равной скорости звука. Величину ^(т — Ь/а) для прямой волны, прибывающей к форсунке, и W(т) — для обратной, прибывающей к топливному аккумулятору, умножают на величину е-к(ь/а), учитывающую потери на гидравлическое трение. Здесь Ь — длина топливопровода.

Уравнение граничных условий во входном сечении топливопровода (при р0 = Ра) преобразуется в простое выражение

^ (т) = Ра — Ро + W(т)е-кЬ/а = W(т)е-кЬ/а.

В выходном сечении топливопровода требуется вычислить скорость топлива с и величину W(т — Ь/а) для обратной волны

с = ар [ро — Рф + (т — Ь/а)е-кЬ/а] ;

W (т + Ь/а) = ро — Рф + ^ (т — Ь/а)е-кЬ/а,

где Рф — давление в топливной форсунке, определяемое с помощью системы уравнений граничных условий, которые описывают процессы, протекающие в ЭГФ:

Фф _ ^ , ОР Л ^

= /т— Ро - Рф + 2F t -- e-dt аКф \ ар \ \ а/

- (/р |Рф - Рк! - (/р |Рф - Рр1

^=а^ ("з (/ р !РФ-Рр! - (/ р !Рр-рц|-Си/^;

dPK V ^2 (/ р !Рф-Рк|- (/ )Екл Ур !Рф-Рсл! + ;

dt aVc V р ^ х™ /^кл V р

0си 1

"of = m ^(/и - ^) (Рр - Рро)+/]иРр- - /иР^; =

dt Си;

0скл 1 / г г г г, I /.с х/^к +Р'

^

dt M Fnp0 ^кл^кл + ^кл (/кл /кл) р ^ '

кл

cкл,

где Уф, Рф и ^р, рр — объем и давление в полостях форсунки и распылителя; Ук, рк — объем и давление в полости управления; рц — давление в цилиндре двигателя; р^ — давление топлива в полости между конусом иглы и сопловыми отверстиями распылителя; рк — давление

топлива в полости управления, действующее перпендикулярно; Ь — длина топливопровода высокого давления от топливного аккумулятора до форсунки; р0 — начальное давление топлива в топливопроводе высокого давления; рсл — давление топлива в полости слива форсунки; (/)ь )2 и )3 — эффективные проходные сечения жиклеров 11, 13 и 14 (см. рис. 2); )ф — эффективное проходное сечение форсунки;

)екл — суммарное эффективное проходное сечение управляющего клапана; Ми, /и — масса иглы распылителя и площадь его поперечного сечения; Мкл, /кл — масса и площадь клапана; К,м — сила электромагнита; ^пр0 — начальная сила пружины клапана; и ^кл — жесткость пружины иглы и клапана.

В системе уравнений (2) первые три представляют собой уравнения объемного баланса топлива в полостях форсунки Рф, Рр, К соответственно. Следующие четыре уравнения являются уравнениями динамического равновесия иглы распылителя форсунки и управляющего электромагнитного клапана и связанных с ними подвижных частей.

Сила электромагнита К,м рассчитывается по формулам:

F = —

J- эм .

при т ^ Ar;

Ar \Ь +

F3M =

ЧЬ +

при т > Аг; здесь т — текущее значение времени; Дт — время нарастания тяговой силы электромагнита без учета ее зависимости от размера магнитного зазора (Л.тах — Л,); Л,тах — максимальный ход управляющего клапана; а и Ь — постоянные электромагнита.

Ступенчатая функция а2 = +1 при выполнении условия рф ^ рк и а2 = —1 при условии рф < рк. Ступенчатая функция а3 = +1 при Рф > рр и аз = —1 при условии рф < рр.

Текущее эффективное проходное сечение форсунки (/)ф рассчитывается с учетом его изменения в зависимости от положения иглы распылителя.

Суммарное эффективное проходное сечение через жиклер 14 и управляющий клапан

1 ^к/щ

(«)Екл = I-—-2

V

Давление в распылителе р'р рассчитывается по формуле

рР = (Ш )2 (рр — рц) + р„;

а

давление в камере управления рк — по формуле

рк =

/ _ (/)? Рк + (^к/щ)2 Рсл

)l + (/

Новизна данной математической модели заключается в ее уточнении для ЭГФ с разгруженным от давления топлива управляющим клапаном.

Программа гидродинамического расчета данной топливной форсунки разработана и отлажена для персонального компьютера IBM PC на языке программирования C++.

Программа расчета составлена из условий обеспечения точности расчета и уменьшения шага расчета в зависимости от продолжительности управляющего импульса. В состав программы входят блоки расчетов интегральной и дифференциальной характеристик топливо-подачи, давлений в ЭГФ, подъема иглы распылителя и управляющего клапана а также их скоростей. Следует отметить, что программа позволяет выполнять расчеты предварительных впрысков топливной форсунки, а также последующих после основного впрысков топлива, что, в свою очередь, приближает данные расчетного анализа ЭГФ к технически необходимым характеристикам топливоподачи.

Программа экспериментальных исследований ЭГФ включала в себя определение следующих параметров:

• требуемых характеристик электромагнита;

• характеристик дозирования топлива;

• гидравлического КПД форсунки;

• динамических параметров работы топливной форсунки;

• расходных характеристик форсунки.

Испытания проводились на аккумуляторной установке, выполненной на базе регулировочного стенда Friedmann&Maier А1027.

Аккумуляторная установка включает в себя ТНВД на базе "Компакт-40", аккумулятор высокого давления объемом 700 см3 с регулируемым клапаном-ограничителем давления и управляющий программно-аппаратный комплекс ЕСопй"о1у.3 разработки фирмы EControl (Ярославль).

Форсунка соединялась с аккумулятором высокого давления топливопроводом высокого давления длиной 435 мм с увеличенным до 4 мм внутренним диаметром. Это необходимо для снижения сопротивления в трубопроводе.

Генерирование электрических управляющих сигналов, а также ос-циллографирование динамических параметров работы форсунки осуществлялись с помощью управляющего комплекса ЕСоПго1 v.3.

Параметры работы форсунки исследовались в диапазонах давлений 30... 120 МПа и цикловых подач 0... 120 мм3. Давление топлива в аккумуляторе поддерживалось изменениием производительности ТНВД.

Давление топлива на входе в насос 0,08... 0,1 МПа, температура 18... 24°С. Вязкость топлива 5,5 сСт при температуре окружающей среды t = 20 °С.

Силу тока в обмотке электромагнита регистрировали, замеряя падение напряжения на шунтирующем резисторе, включенном последовательно с обмоткой.

Характеристику впрыскивания определяли с помощью датчика, выполненного по схеме BOSCH, чувствительным элементом являлся пъезодатчик давления Т-2500.

Гидравлический КПД форсунки определялся как отношение расходов топлива через распылитель и форсунку.

Для минимизации случайных погрешностей и влияния электрических помех на результаты измерений при проведении осциллографиро-вания с помощью управляющего комплекса динамические параметры определялись как средние значения по нескольким последовательно взятым циклам на установившемся режиме.

Для уменьшения влияния электрических помех на результаты испытаний осциллограммы характеристик впрыскивания аппроксимировались численным методом по формуле

12

vi = Vi aj (yi+1-J - У*—12), j=i

где yi — значение параметра у в момент времени ri на аппроксимированной кривой; yi — значение параметра у в момент времени ri на исходной кривой; aj — коэффициенты весомости.

Значения коэффициентов весомости aj выбраны экспериментально для обеспечения линейного сглаживания осциллограмм.

Испытания показали, что характеристики дц = f (гупр) дозирования топлива ЭГФ имеют гладкий линейный характер (рис. 4) практически на всех режимах работы форсунки.

Форма характеристики впрыскивания близка к трапециевидной. При

<7Ц, мм3

150 125 100 75 50 25

ра= 12С МПа

Ра = 90 МП

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Т, мс

Рис. 4. Характеристика подачи топлива qц = /(т):

- — экспериментальные значения; ----расчетные значения

Рис. 5. Характеристика впрыскивания топлива при ра = 90 МПа и £ = 104 мм3 (а) и ра = 120 МПа и £ = 97,3 мм3 (б):

1 и 2 — расчетная и экспериментальная характеристики впрыскивания топлива

уменьшенных подачах = 0 ... 20 мм3) характеристики имеют треугольную форму.

На рис. 5 приведены характеристики впрыскивания топлива, видно хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных.

Расхождение между расчетными и экспериментальными значениями цикловых подач при изменении давления в аккумуляторе от 30 до 120 МПа и диапазоне продолжительности управляющего импульса т = 1,5 ... 2,0 мс не превышает 5,5 %, что позволяет использовать разработанную математическую модель и программу гидродинамического расчета для анализа аккумуляторных топливных систем сложных конструкций на практике.

Статья поступила в редакцию 22.12.2006

Василий Васильевич Курманов родился в 1949 г., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана в 1973 г. Канд. техн. наук, директор инженерно-конструкторского центра ОАО "ЯЗДА". Автор более 50 научных работ в области топливоподающей аппаратуры и тепловых машин.

V.V. Kurmanov (b. 1949) graduated from the Bauman Moscow Higher Technical School in 1973. Ph. D. (Eng.), director of engineering and constructor center — open stock company "OAO "YaZDA". Author of more than 50 publications in the field of fuel supply apparatus and thermal machines.