Диагностика альтернативной системы питания дизеля

УДК 621.436

В.И. Дудкин

*

Диагностика альтернативной системы питания дизеля

V.I. Dudkin

Diagnostics of an Alternative Feed System of a Diesel

Произведен краткий экскурс в историю создания и совершенствования систем питания дизелей. Представлены результаты экспериментальных исследований для традиционной и альтернативной системы питания разделенного типа. Показаны недостатки традиционной системы питания, их устранение в альтернативной системе питания.

Ключевые слова: система питания, качество впрыскивания, распыливания и смесеобразования, присадка к топливу, кластер, индикаторный КПД.

The paper gives a short historical review devoted to creation and perfection of feed systems in diesel engines. Results of experimental researches for a traditional and alternative divided type feed system are presented. Lacks of a traditional feed system which are eliminated in an alternative feed system are shown. Key words: feed system, quality of carburetion, spraying and mixing, fuel additive, cluster, indicated efficiency.

Как установлено в работе [1], лимитирующим фактором эффективности преобразования энергии в рабочем процессе дизеля является смесеобразование в цилиндре двигателя, качество которого во многом определяется способом организации питания дизеля.

В первых конструкциях дизелей был реализован способ питания с использованием так называемого форсуночного воздуха, которому предназначалась роль носителя, определенным образом организующего перемещение топлива к устройствам впрыска, а также подачу и распределение его по объему цилиндра.

Один из существенных недостатков такого способа питания заключается в большом расходе воздуха, что требует установки компрессора большой производительности, который существенно снижает эффективную мощность и, соответственно, экономичность двигателя. Попытки снижения расхода «форсуночного» воздуха [2] приводят к усложнению устройства подачи топлива, но не способствуют решению другой проблемы, состоящей в сокращении продолжительности впрыскивания топлива.

По этой причине в промышленном производстве дизелей приступили к освоению сначала неразделенной, а затем разделенной системы питания (рис. 1а-б), в которых распыливание топлива осуществляется механическим способом. Системы неразделенного типа не получили широкого распространения ввиду наличия присущих им серьезных недостатков для организации качественного смесеобразования в диапазоне эксплуатационных режимов работы двигателя [3]. К этим недостаткам отно-

сятся уменьшение давления впрыскивания при снижении скоростного режима работы двигателя, ведущее к ухудшению качества распыливания топлива; сравнительно большая продолжительность впрыскивания топлива на номинальном скоростном режиме и последующая тенденция к увеличению продолжительности впрыскивания при снижении скоростного режима работы; отсутствие автоматического регулирования угла опережения впрыскивания топлива.

Но основной недостаток систем неразделенного типа по организации смесеобразования для любого режима работы дизеля заключен в характеристике впрыскивания. Недостаток состоит в том, что в начальный период впрыскивания ввиду низких давлений в подплунжерной полости топливо, поступающее в цилиндр, распределяется вблизи от устройств впрыска и плохо распыляется, чем ухудшается использование объема свежего заряда в начальный период горения топлива. В последующий период впрыскивания, когда давление в подплунжерной полости и, соответственно, интенсивность впрыскивания и распыливания топлива достигают максимальных значений, поступление топлива происходит уже в зону горения.

Таким образом, как начальная, так и конечная порции топлива попадают в условия, способствующие процессу сажеобразования, резко снижающего эффективность преобразования энергии в рабочем процессе дизеля.

Следует признать, что в отношении качества распыливания топлива проблема частично решается в так называемых эмульсионных насос-форсун-

* Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках гранта РФФИ 11-08-98028-р_сибирь_а «Разработка и исследование альтернативной системы питания многотопливного дизеля» на 2011 г.

ках, впервые разработанных и осуществленных фирмой «Камминс» [3, 4]. Отличительная особенность данного способа питания дизеля состоит в предварительной подготовке цикловой порции

топлива непосредственно перед впрыскиванием ее в цилиндр путем образования газотопливной эмульсии, получение которой производится следующим образом.

Рис. 1. Способы питания дизеля

В начале такта впуска свежего заряда плунжер 1 (рис. 1в) поднимается, создавая разряжение в под-плунжерной полости 3. Под воздействием разности давления из цилиндра двигателя через сопловые отверстия 4 в подплунжерную полость 3 начинает поступать внутрицилиндровый газ. Процесс заполнения полости газом происходит до момента открытия отверстия дозирующего жиклера 2. В дальнейшем, вплоть до истечения топлива через сопловые каналы, в подплунжерной полости идет образование газотопливной эмульсии.

В период рабочего хода плунжера 1, благодаря наличию газовой фазы в цикловой порции топлива,

происходит дополнительный рост ее внутренней энергии, что приводит к интенсификации распыли-вания топлива в цилиндре двигателя. Увеличению мелкости распыливания способствует также газ, растворенный в жидком топливе.

Принципиально отличная характеристика впрыскивания формируется в системах разделенного типа. На рисунке 1а изображена конструкция такой системы, которая содержит топливный насос высокого давления 1 и форсунку, соединенные между собой топливопроводом высокого давления 2. Форсунка состоит из корпуса форсунки 3, корпуса распылителя 6, запорной иглы 8 и механической пру-

жины 4. В системе разделенного типа, благодаря высокому давлению на линии нагнетания, происходят интенсивный впрыск и распыливание начальной порции топлива. Поэтому в период задержки воспламенения происходит распределение большего количества топлива в большем объеме окислителя.

Известны различные подходы к совершенствованию систем разделенного типа, к числу которых в первую очередь можно отнести применение различных присадок к топливу [5-8 и др.]. В одном из них [6] роль присадки выполняет воздух, образующий топливо-воздушную смесь на линии низкого давления, при этом его количество, как отмечают авторы, следует связывать с конструктивно-регулировочными параметрами двигателя. Прежде всего это вызвано значительным влиянием нерастворен-ного воздуха в топливе на коэффициент сжимаемости смеси, вследствие чего его процентное содержание (8 %) в смеси практически ограничивается пределом насыщения на линии низкого давления.

В соответствии с законом Генри при давлении Р = 0,25 МПа, обычном для линии низкого давления, расчетное процентное содержание воздуха в топливе при условии его насыщения составит не более 0,1%. Поэтому улучшение качества смесеобразования, наблюдаемое согласно [6], следует связывать, вероятнее всего, лишь с ослаблением меж-молекулярных связей в топливе.

С учетом опыта применения газотопливной эмульсии в эмульсионных насос-форсунках [3], приводящего к увеличению эффективности распы-ливания, для дальнейшего совершенствования топливных систем разделенного типа (пути рассмотрены в [9]) был предложен способ впрыскивания топлива в дизель [10], который состоит в подводе газообразной присадки через дренажерный вывод в надыгольное пространство (рис. 1г) под давлением, превышающем среднее давление за цикл на линии нагнетания. При этом сжатый газ выполняет роль пневмопружины, которая либо заменяет механическую пружину, либо используется в комбинации с ней, образуя бипружину.

Постоянное наличие сжатого газа в надыгольном пространстве исключает дренаж в нее топлива в период впрыскивания. Между впрыскиваниями сжатый газ частично проникает в подыгольную полость, образуя с жидким топливом механическую смесь (эмульсию). При этом образование эмульсии происходит в два этапа: на первом этапе в период между впрыскиваниями газ поступает в подыголь-ную полость; на втором этапе, в период впрыскивания, под воздействием ударной волны давления, исходящей со стороны плунжерной пары, происходят взаимное диффузионное проникновение компонентов и образование газотопливной эмульсии с частичным растворением газовой фазы в жидком топливе.

В целях управления величиной газообразной присадки в процессе эксплуатации, изменение ко-

торой может происходить, например, ввиду изменения зазора в направляющих поверхностях иглы и корпуса распылителя, возможна реализация различных вариантов устройств (рис. 1г-д).

В одном из них (рис. 1г) на направляющей части иглы распылителя выполняется винтовая канавка 2, в конце которой образована цилиндрическая полость 3, разделенная с подыгольной полостью дренажным каналом 4, выполняющим роль обратного клапана. В другом варианте присадка вводится на линию нагнетания через обратный клапан (рис. 1д) [11].

Проведение сравнительных экспериментальных исследований вариантов системы питания раздельного типа производилось путем индицирования линии нагнетания топлива. Для этого на выфрезеро-ванный участок вдоль оси наклонного топливного канала 8, расположенного в теле корпуса форсунки

7, были установлены соединенные в полумостовую схему фольговые тензодатчики 2 ФКПА-3-100 ГВ 9 (см. рис. 2). Компенсационные датчики устанавливались в непосредственной близости от рабочих датчиков для обеспечения их одинакового теплового режима. Статистическая тарировка изготовленного датчика показала, что в диапазоне давлений 5-40 МПа отклонение от линейности выходного тока не превышало 1%.

Рис. 2. Схема установки тензодатчика и датчика подъема иглы

Регистрация перемещения запорной иглы производилась посредством железного сердечника 5, жестко связанного с подпятником штанги форсунки

6, а также с помощью индуктивного датчика, в котором корпус катушек 2, изготовленный из текстолита, был установлен в металлический защитный кожух 3, представляющий собой пробку с наружной резьбой для установки в колпаке форсунки 1. Катушки соединялись по полумостовой схеме и включались в электрическую сеть.

Усиление сигнала, поступающего от тензомет-рического и индуктивного датчиков, производилось на тензометрическом усилителе УТ-4-1. Для визуального наблюдения исследуемых процессов в топливной аппаратуре был использован электронно-лучевой (катодный) осциллограф С1-4, а для регистрации на фотобумаге осциллограмм - магнитоэлектрический (шлейфовый) осциллограф типа Н-115. Запись отметки угла поворота коленчатого вала (п.к.в.) производилась через 5 град. п.к.в., та-рировочная линия на осциллограммах была проведена на уровне Р = 15 Мпа.

Исследования проводились на базе одноцилиндрового дизеля 1Ч 13/14 (универсального картера УК-2), укомплектованного серийной топливной аппаратурой раздельного типа Алтайского моторного завода. Система включала в себя закрытую бес-штифтовую форсунку типа 6АТ, топливный насос

высокого давления непосредственного действия с диаметром плунжера 10 мм и разгрузочным объемом 80 куб. мм, а также соединительный топливопровод высокого давления.

Система питания разделенного типа, получившая в двигателестроении широкое применение и называемая в данной статье традиционной, устраняя ранее перечисленные недостатки системы неразделенного типа, сама обладает недостатками, ограничивающими повышение индикаторного КПД. На основании проведенных экспериментальных исследований можно констатировать:

- плохое качество распыливания конечной дозы цикловой порции топлива, которое происходит вследствие того, что запирание сопловых каналов осуществляется уже после снижения давления в конце линии нагнетания (рис. 3 а);

- цикловая нестабильность характеристики впрыскивания топлива, а также подвпрыскивания, которые связаны с возникновением в период между впрыскиваниями на линии нагнетания обратных волн давления (рис. 4а, где п - число оборотов коленчатого вала; Рте - среднее эффективное давление) (на холостом ходу это явление выражено слабее; рис. 4б-в);

- большая чувствительность качества смесеобразования к геометрическим параметрам сопловых отверстий;

Рис. 3. Осциллограммы давлений и подъема запорной иглы при работе дизеля 1Ч 13/14 на режиме Рте = 0,82 МПа; п = 1750 об/мин. Посадка иглы производится: а) механической пружиной (Р = 15 МПа); б) механической (Р = 15 МПа) и пневмопружиной (Р = 9 МПа); в) пневмопружиной (Р = 11 МПа).

- неизбежные потери части подаваемого плунжерной парой топливного насоса на впрыскивание топлива, а вместе с ней и энергии в период впрыскивания через зазор 7 (рис. 1а) между направляющими поверхностями на запорной игле 8 и корпусе распылителя 6 - в дренажный канал 5.

По результатам экспериментальных исследований для альтернативной системы питания разде-

ленного типа на рисунках 3б и 5 приведены осциллограммы давлений в случае использования бипружины (при давлении затяжки механической пружины Рзат = 15 МПа и давления подвода присадки Рпр = 9 МПа), а на рисунках 3в и 6 - только пневмопружины (при давлении подвода присадки Рпр = 11 МПа) для характерных режимов работы двигателя.

Как в одном, так и в другом варианте функциональное проявление участия газообразной присадки наряду с интенсификацией распыливания топлива состоит в сокращении продолжительности впрыскивания на 20% и наличии затухающего колебательного процесса в конце линии нагнетания, в котором роль демпфера выполняет газообразная среда. Благодаря этому процессу исчезают обратные ударные волны давления, а с ними и подвпрыски, стабилизируется характеристика впрыскивания топлива от цикла к циклу, т.е. решаются наиболее уязвимые для тради-

ционной системы питания проблемы. Результатом является повышение индикаторной экономичности до 5% на номинальном режиме и до 10% на режиме максимального крутящего момента, уменьшение во всем рабочем диапазоне работы двигателя содержания сажевых частиц на выпуске (до 30-50% в зависимости от режима работы), а также повышение устойчивости работы двигателя на холостом ходу при номинальной частоте вращения коленчатого вала и даже снижение минимально устойчивой частоты вращения на холостом ходу с 600 до 500 об/мин.

Рис. 4. Осциллограммы давлений при работе дизеля 1Ч 13/14 на топливе без присадки. Давление затяжки механической пружины посадки иглы Р = 15 МПа

• ) Р. - 0,32 МПа; п. І7&0 ими-1.

б) ?„с. 0; п- 1750 ши*1.

) Рг  0} в» 600 ____________

“---------------4——^-------------------------------------------------

— --------------------—¿1Ш.І I ... ~ -...---------

Рис. 5. Осциллограммы давлений в топливопроводе при работе дизеля 1 Ч 13/14 на топливе с присадкой сжатого воздуха. Давление затяжки механической пружины Р = 15 МПа;

пневматической пружины Р = 9 МПа

а) Р*;- 0,82 МПа; п- 1750 юн-1.

б) р„- 0; п» 1750 юш_т.

1 1 J і і 1 1 ‘ J '

в) P- 1 »не 0; п* 600 мин"1.

J 1 1 J 1 1 j

Рис. 6. Осциллограммы давлений в топливопроводе при работе дизеля 1 Ч 13/14 на топливе с присадкой сжатого воздуха. Давление пневмозапора Р = 11 МПа

Во втором варианте (пневмопружина) налицо дополнительное преимущество - существенное снижение динамических нагрузок на кулачок топливного насоса (в результате уменьшения значений максимального давления впрыскивания и перепада давления в период впрыскивания), которое происходит при тех же улучшениях параметров индикаторной экономичности и дымности отработавших газов дизеля, как и при использовании бипружины.

Дополнительно следует отметить, что отмеченные улучшения эколого-экономических показателей дизеля устойчиво воспроизводятся при значениях зазора в направляющей части запорной иглы распылителя от 1 до 15 мкм, в то время как в распылителях по техническим условиям на их изготовление для нормальной работы двигателя величина зазора

в настоящее время ограничивается диапазоном от

0,5-1 мкм. Это обстоятельство положительно отразится на надежности и долговечности работы прецизионной пары корпус-игла распылителя системы питания.

Отмеченные положительные эффекты, проявляющиеся в показателях работы двигателя с применением альтернативной системы, безусловно связаны с появлением на линии нагнетания двухфазной смеси (жидкость-газ), механизм образования, оптимизация состава и участие которой в указанных процессах представляется целесообразным раскрыть с позиций общепризнанных на сегодняшний день кластерных представлений о структуре жидкости [12] и применяемого в теоретической физике метода молекулярной динамики [13].

Библиографический список

1. Дудкин В.И. Резервы повышения индикаторной экономичности и пути их реализации в современных тракторных дизелях: дис. ... канд. техн. наук. - Л., 1984.

2. Пат. 1154 СССР. Форсунка для двигателей внутреннего горения или для топок / С.П. Ковардин. - Опубл. 30.09.1929.

3. Вихерт М.М., Мазинг М.В. Топливная аппаратура автомобильных дизелей. Конструкция и параметры. - М.,

1978.

4. Свиридов Ю.Б., Малявский Л.В., Вихерт М.М. Топливо и топливоподача автотракторных дизелей. - Л.,

1979.

5. Смайлис В.И. Малотоксичные дизели. - Л., 1972.

6. А.с. 289215 СССР. Способ питания двигателя внутреннего сгорания / Б.Н. Файнлейб, Е.Ф. Смирнов. -Опубл. в 1971, Бюл. №1.

7. А.с. 918809 СССР. Стенд для исследования рабочего процесса дизеля / О.Б. Леонов, В.В. Арапов, В.П. Попов; заявитель и правообладатель МВТУ им. Н.Э. Баумана. - Опубл. в 1982, Бюл. №13.

8. Fujisawa T., Jorota K. Utilization of Alternate Fuel for Diesel Engines // JDJS: SAEPreprint №810998 SAE. - 1981.

9. Дудкин В.И., Янкин Е.М. Пути совершенствования системы питания дизельного двигателя // Известия АлтГУ. Сер.: Математика и информатика. Физика. - 2002. - №5.

10. А.с. 1023120А СССР, МКИ F/02 B 23/00. Способ впрыска топлива в дизель / В.И. Дудкин, Д.Д. Матиев-

ский; заявитель и патентообладатель «Алтайский политехнический институт им. И.И. Ползунова». - №2948578; заявл. 02.07.80; опубл. 15.06.83, Бюл. №22.

11. А.с. 1087681 СССР, МКИ Е 02 М 25/10. Система питания двигателя внутреннего сгорания / В.А. Вагнер, Д. Д. Матиевский, В.И. Дудкин, А. Л. Новоселов, А.Е. Свис-тула; заявитель и патентообладатель «Алтайский политехнический институт им. И.И. Ползунова». - №3556791/2506; заявл. 28.02.83; опубл. 23.04.84, Бюл. №15.

12. Гончарук В.В., Смирнов В.Н., Сыроешкин А.В., Маляренко В.В. Кластеры и гигантские гетерофазные кластеры воды // Химия и технология воды. - Киев, 2007. - №1.

13. Валуев А.А., Норман Г.Э., Подлипчук В.Ю. Метод молекулярной динамики: теория и приложения // Математическое моделирование: Физико-химические свойства вещества. - М., 1989.