Энергетические затраты на привод тнвд дизеля с аккумуляторной топливной системой

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

УДК 621.436

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАТРАТЫ НА ПРИВОД ТНВД ДИЗЕЛЯ С АККУМУЛЯТОРНОЙ ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМОЙ

А.Н. Врублевский, профессор, д.т.н., ХНАДУ,

А.А. Прохоренко, доцент, к.т.н., И.Г. Пожидаев, аспирант,

Д.В. Мешков, к.т.н., А.И. Тимченко, магистрант, НТУ ИХНИО

Аннотация. Приведены результаты исследования влияния процесса нагнетания топлива в аккумулятор на мощность механических потерь дизеля. Теоретически обоснована необходимость регулирования топливного насоса высокого давления для аккумуляторной топливной системы.

Ключевые слова: дизель, аккумуляторная топливная система, топливный насос высокого давления (ТНВД), потери мощности.

ЕНЕРГЕТИЧНІ ЗАТРАТИ НА ПРИВІД ПНВТ ДИЗЕЛЯ З АКУМУЛЯТОРНОЮ ПАЛИВНОЮ СИСТЕМОЮ

О.М. Врублевський, професор, д.т.н., ХНАДУ,

А.О. Прохоренко, доцент, к. т.н., І.Г. Пожндаєв, аспірант,

Д.В. Мешков, к.т.н., А.І. Тимченко, магістрант, НТУ ПХНИ

Анотація. Наведено результати дослідження впливу процесу нагнітання палива в акумулятор на потужність механічних втрат дизеля. Теоретично обґрунтовано необхідність регулювання паливного насоса високого тиску для акумуляторної паливної системи.

Ключові слова: дизель, акумуляторна паливна система, паливний насос високого тиску (ПНВТ), втрати потужності.

POWER EXPENSES ON HPFP DRIVE OF DIESEL ENGINE WITH BATTERY-DRIVEN FUEL SYSTEM

A. Vrublevsky, Professor, Doctor of Technical Science, KhNAHU, A. Prohorenko, Associate Professor, Candidate of Technical Science, I. Pozhidaev, postgraduate,

D. Meshkov, Candidate of Technical Science, A. Timchenko, master, NTU HKhPID

Abstract. The results of the research of impact of the process offuel injection into the accumulator on the power of mechanical losses of the diesel engine are presented. The need to regulate the high pressure fuel pump for battery-driven fuel system is theoretically grounded.

Key words: diesel engine, battery-driven fuel system, high pressure fuel pump (HPFP), power losses.

Введение

Из теории ДВС известно, что значительное влияние на эффективность работы двигателя оказывают механические потери [1]. Эти по-

тери можно разделить на две составляющие [2]. Первая связана с затратой энергии (части индикаторной работы) на преодоление всех видов сопротивления движению деталей двигателя. Вторая обусловлена необходимо-

стью затрат части энергии двигателя на выполнение специальной работы по перемещению жидкостей и газов, необходимой для обеспечения рабочего процесса. Сюда относятся работы, выполняемые поршнем на участке выпуска  наполнения, затраты на привод вентилятора, водяного, масляного, топливоподкачивающего насосов и, наконец, ТНВД.

Анализ публикаций

Как показывают различные исследования [2, 3], доля второй составляющей потерь находится на уровне 20СВ0 % от общего значения механических потерь двигателя.

Нюанс же заключается в том, что первую составляющую необходимо стремиться свести к нулю  в идеале полностью исключить все виды трения в подвижных деталях двигателя. Исключить вторую составляющую невозможно в принципе. Однако следует стремиться к ее минимизации, что и обуславливает применение на современных двигателях внутреннего сгорания многоклапанных механизмов и регулируемых фаз газораспределения, регулируемого наддува, управляемого привода вентилятора, водяного насоса и других мероприятий [3, 4].

В отношении работы, выполняемой ТНВД,  подачи в цилиндры топлива под высоким давлением,  данная проблема не стоит для дизелей с традиционной, гидро-механи-ческой топливной аппаратурой (ТА), как будет показано ниже. Это объясняется тем, что в таком случае на привод ТНВД тратится столько энергии, сколько необходимо для впрыскивания требуемых цикловых подач при обеспеченном насосом давлении (конечно, с учетом механического КПД самого насоса). А, как известно, повышение давления впрыскивания в большей степени приводит к улучшению индикаторных показателей, чем к увеличению механических потерь [1, 5, 6].

Ситуация коренным образом меняется при оснащении дизеля аккумуляторной ТА с электронным управлением. В этом случае ТНВД не подает топливо непосредственно в цилиндр, а нагнетает его в аккумулятор [6]. В этом случае наблюдается избыточная подача топлива в аккумулятор, а следовательно, и избыточная работа на его сжатие [7].

Цель исследования

Для исключения или, по крайней мере, минимизации отрицательного эффекта от этого явления необходимо применять регулирование подачи ТНВД. Именно обоснованию этого технического мероприятия и посвящена настоящая статья.

Экспериментальное исследование параметров работы ТНВД

В ХКБД (г. Харьков) проведены испытания опытного одноцилиндрового отсека дизеля

Ч 8,8/8,2, оснащённого аккумуляторной системой топливоподачи. В качестве ТНВД используется штатный насос системы непосредственного действия с конструктивными изменениями [7]. Регулирования подачи насос не имел.

Некоторые результаты испытаний в части исследования влияния давления впрыскивания ^вп на показатели работы двигателя представлены в табл. 1.

Таблица 1 Влияние давления впрыскивания на показатели дизеля

К, кВт Ре, МПа рвп, МПа оъ кг/ч Р„ МПа Це Ці Пм

3,6 0,35 50 1,32 0,65 0,230 0,432 0,532

70 1,31 0,67 0,232 0,443 0,524

5,4 0,52 50 1,85 0,81 0,247 0,384 0,643

70 1,79 0,82 0,255 0,402 0,634

Рассмотрены два режима нагрузочной характеристики при частоте вращения коленчатого вала п = 2500 минп. Как видно из данных, приведенных в табл. 1, увеличение рвп от 50 до 70 МПа сопровождается улучшением эффективных и индикаторных показателей двигателя. Механический же КПД при этом падает.

Относительное изменение величин КПД, определенное по формуле

5п =

приведено в табл. 2 и на рис. 1. Анализ данных показывает, что увеличение рвп на 20 МПа приводит к росту примерно на 2,5П 4,5 %, а увеличение це составляет всего 1СВ %, что объясняется падением механического КПД двигателя на 1,5 %.

Таблица 2 Влияние давления впрыскивания на КПД

№ 5це, % 5% % §Пм, %

1 0,9 2,5 -1,5

2 3,2 4,7 -1,4

Рис. 1. Влияние давления впрыскивания на КПД двигателя

Больший прирост це на более нагруженном режиме № 2 также имеет простое объяснение  цикловая подача (расход топлива через двигатель) выше, а значит, большая доля подачи насоса идёт на впрыскивание в цилиндр и повышение мощности нивелируется.

Из приведенных результатов исследований достаточно легко определить увеличение мощности на привод ТНВД, вызванное повышением давления впрыскивания. Известно, что

Пм = 1 - %-,

—

_ 1 _ —МД + —ТНВД —НХ _

_ 1

N

N

Очевидно, что по нагрузочной характеристике для двигателя без наддува

—МД _ NHX _ const.

Обозначим —^ _ —вх _ C .

Тогда выражение (2) после соответствующих подстановок можно преобразовать к виду

тнвд •

N„

а так как — _ —- , то из выражения (6) сле-Пм

дует

N

N _ _ C _ —

тнвд •

Пользуясь полученным уравнением, можно рассчитать прирост мощности на привод насоса Мнвд при переходе от рвп = 50 МПа к Рвп = 70 МПа

N N

AN __________е n _ с---------e

ТНВД —e с

^м70

+ — + C _ N

^m50

1

1

^m70 ^m50

где ^мп  мощность механических потерь в двигателе; N  индикаторная мощность.

^мп, В свою очередь, состоит из мощности привода механизмов двигателя и мощности насосных ходов Кях

— _ — _ —

— МП — МД — НХ .

Из величины —мд можно выделить мощность на привод ТНВД

Результаты расчётов по формуле (8) представлены в табл. 3.

Таблица 3 Влияние давления впрыскивания на мощность привода ТНВД

№ -е, кВт 'Лм50 ^м70 А—тнвд, Вт А—гнвд'—е, %

1 3,6 0,532 0,524 103 2,9

2 5,4 0,643 0,634 119 2,2

— _ — + —

—мд — мд т — тнвд ,

где  мощность на привод остальных

механизмов.

Учитывая вышеизложенное, запишем

Из табл. 3 видно, что увеличение мощности на привод ТНВД при повышении давления впрыскивания на 20 МПа составляет 100-120 Вт, или 2-3 % эффективной мощности двигателя.

Теоретическое обоснование необходимости регулирования производительности ТНВД аккумуляторной ТС

Известно, что объемная цикловая подача Уц и 5дГ традиционной ТА связаны выражением [8]

Рассмотрим в сравнении мощность, которая затрачивается на привод ТНВД топливной аппаратуры традиционного типа и аккумуляторной.

Диаграмма давления в надплунжерной полости ТНВД традиционной ТА в координатах р-У (давление топлива  текущий объем надплунжерной полости) имеет характерный вид, который представлен на рис. 2.

Г, IY11I :l A

\ Pu іах

\

\

j \

J \

/А;

— Чаг -* V , M

Рис. 2. Диаграмма давления в ТНВД системы непосредственного действия

Площадь, описанная кривыми давления при движении плунжера вверх и вниз, по физическому смыслу является работой Ь, затраченной на выполнение одного цикла нагнетания топлива одной секцией ТНВД

L=$ pdV.

V

С достаточной степенью точности можно считать, что Ь  это площадь треугольника высотой, приблизительно равной максимальному давлению впрыскивания ртах, и основанием  геометрической подаче Удг.

Причём УАГ = ^, где ^АГ  активный

геометрический ход плунжера, а  его площадь. Тогда, используя формулу для площади треугольника, запишем

S =^Vl

SAr _

Л-Fn

где л  коэффициент подачи.

Учитывая это и перейдя к массовой цикловой подаче 5ц = Уц •р (р  плотность топлива),

из выражения (11) получим

L = &

РЛ 2

Для одной и той же ТА углы наклона а и Р сторон треугольника (см. рис. 2) сохраняются примерно постоянными во всём диапазоне режимов работы, вследствие того, что:

1. Угол а в основном определяется профилем кулачка и диаметром распыливающих отверстий.

2. Угол Р определяется конструкцией отсечных отверстий и тем же профилем кулачка.

Тогда, исходя из тригонометрии треугольника, можно выразить ртах через цикловую подачу таким образом

V,

АГ

ctga + ctgP где обозначим ctga + ctgP = A « const.

Выполнив необходимые подстановки в выражение (13), получим

п ~ = SAr - Fn = Y}L = ВЦ

Ртах ~ A A ЛА ЛРА

Выражение для ртах

Втт Втт Втт 2

L = -а-----------^ = 9Ц 2 .

РЛ 2р^А 2р л А

От работы за цикл нагнетания перейдём к мощности на привод ТНВД

г = s . F  -

L - SAr Fn

— = L nz 2 =

Br

Лм 60 i 2p л Алм 60 i

—

2

Здесь п  частота вращения коленчатого вала дизеля, г  число цилиндров, I  тактность двигателя, Лм О механический КПД насоса высокого давления.

Анализ полученного выражения (16) показывает, что мощность, требуемая на привод ТНВД традиционной ТА, пропорциональна частоте вращения коленчатого вала дизеля и квадрату цикловой подачи топлива. И поскольку, в соответствии с принципом работы такой ТА, всё топливо, подаваемое насосом, впрыскивается в цилиндр (а утечки и сжимаемость учтены коэффициентом л), то имеет место СЪаморегуляцияП потребляемой ТНВД мощности с учетом его механического КПД: ^гнвд • Лм = , где  мощность, затра-

чиваемая на впрыскивание топлива.

Мощность, затрачиваемая на впрыскивание топлива для постоянного давления

Дт пг 2

р 60 I

-0ТТ пг 2

N = —— р — • —

1У ВП ртах т • .

Очевидно, что для обеспечения работоспособности системы необходимо выполнение условия: ^п/М-нвд < 1. Идеальным случаем является равенство этого отношения 1, так как при этом не потребляется избыточная мощность на привод насоса. Отсюда

N

ВП

N

= 1 =

Вц пг 2

—— Р-----------------

г тах г г\

р 60 I

ВЦ Ль

2

пг

ТНВД

ЛУА

Лм

ЛУАгРп 'г'

60

Диаграмма давления в секции ТНВД аккумуляторной системы представлена на рис. 3.

или

Р. МПа

1 1Ш. 1 Г

\

\

\ АГ V, м3

Рис. 3. Диаграмма давления в ТНВД аккумуляторной ТА

Работа на выполнение одного цикла нагнетания на одну секцию может быть аппроксимирована прямоугольником

Ь = УАГ •Л • Ртах-

Перейдём к мощности на привод ТНВД

№т„„ = Л ртах ,

* ТНВД

Лм 60 Лм

60

где п'  частота вращения вала насоса; г'  число секций насоса.

77 ' ' ВЦ 2

ЛУАГп г =— пг~ Лм

Р 1

Выражение (21) представляет собой равенство, которое должно сохраняться при изменении Вц (нагрузки) или п (скоростного режима двигателя).

Обеспечение этого равенства возможно лишь путем дополнительного регулирования подачи насоса. Причём из выражения (21) видны способы этого регулирования: л  коэффициентом подачи; УАГ  геометрической подачей одной секции; п'  частотой вращения вала насоса; г'  количеством рабочих секций.

Изменение подачи насоса вследствие сжимаемости топлива

При высоких значениях давления топлива, действующих в аккумуляторной ТА, на процесс работы ТНВД значительное влияние оказывает сжимаемость топлива, так как часть геометрического хода плунжера тратится на поджатие топлива в объёме надплунжерной полости УАГ до величины ртах. Можно записать, что подача одной секцией насоса за один ход плунжера составит

УН = ^АГ • ^П - ^АГ • ^П • асж • ртах ,

где асж  коэффициент сжимаемости топлива.

С учетом этого, массовая подача за единицу времени

Вн _Р  Уц n z _

_Р-SAT Fn (1 _« P max ) П 'Z '.

Анализ выражения (23) показывает, что при повышении давления в аккумуляторе ртах подача насоса падает. Но для обеспечения устойчивой работы системы при заданном значении ртах необходимо, чтобы подача насоса была больше, чем расход топлива двигателем Вд (кг/мин), то есть выполнялось неравенство: Вд/Вн < 1.

Или, для идеального случая,

Вг

Р- SAT  Fn (1 _« Pmax ) П 'Z '

_ 1,

откуда

Р-SAT  Fn

Из этого выражения следует значение предельно достижимого давления в аккумуляторе ртах

1 _

В

д

P max

Р-SAT  Fn  П 'Z ' a

То есть при увеличении цикловой подачи, при прочих равных условиях, давление в аккумуляторе (давление впрыскивания) будет снижаться. Компенсировать потери ртах можно принудительным регулированием с помощью приведенных выше параметров 5аг, п', г'.

Выводы

1. Экспериментальные исследования показали, что повышение давления впрыскивания в дизеле с аккумуляторной ТА на 20 МПа приводит к улучшению его индикаторных показателей. Однако при этом механический КПД дизеля уменьшается на 1,5 %, что вызвано увеличением затрат мощности на привод нерегулируемого насоса.

2. Для исключения излишних затрат мощности на привод ТНВД необходимо вводить регулирование его подачи по активному геометрическому ходу, либо по частоте вращения приводного вала, либо по числу работающих нагнетательных секций.

уменьшение предельно достижимого значения давления топлива в аккумуляторе. Исключить это явление возможно введением регулирования подачи ТНВД.

Литература

1. Двигатели внутреннего сгорания. Теория

поршневых и комбинированных двигателей / под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова.  М.: Машиностроение, 1983.  372 с.

2. Путинцев С.В. Механические потери в

поршневых двигателях: специальные

главы конструирования, расчета и испытаний: учебное пособие / С.В. Путинцев.  М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011.  288 с.

3. Блинов А.Д. Современные подходы к со-

зданию дизелей для легковых автомобилей и малотоннажных грузовиков /

A. Д. Блинов, П.А. Голубев, Ю.Е. Драган и др.; под ред. B.C. Папонова, А.М. Ми-неева.  М.: НИЦ «Инженер»] 2000.  332 с.

4. Андреев Ю.В. Быстроходные дизели про-

изводства зарубежных стран: технические показатели: учебное пособие /

Ю.В. Андреев, А.Е. Свистула.  Барнаул: Алт. гос. техн. ун-т, 2002. Q63 с.

5. Грехов Л.В. Топливная аппаратура и си-

стемы управления дизелей: учебник для вузов / Л.В. Грехов, Н.А. Иващенко,

B.А. Марков.  М.: Легион-Автодата, 2004.  344 с.

6. Системы управления дизельными двигате-

лями / пер. с немецкого Ю.Г. Грудский, А.Г. Иванов.  Первое русское издание.  М.: ЗАО «КЖИ «За рулем» 2004. 480 с.

7. Прохоренко А.А. Основы подхода к разра-

ботке конструкции и принципа управления ТНВД аккумуляторной топливной системы отечественного дизеля / А.А. Прохоренко, А.Н. Врублевский, А.В. Грицюк, Г.А. Щербаков // Двигатели внутреннего сгорания.  2010.  № 1.

C. 39И4.

8. Казачков Р.В. Проектирование топливных

систем высокого давления дизелей: учеб. пособие / Р.В. Казачков.  X.: ХГПУ, 1994. 308 с.

Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

3. При увеличении цикловой подачи топлива в дизеле с аккумуляторной ТА имеет место

Статья поступила в редакцию 30 апреля 2012 г.