Оптимизация конструкции и параметров системы распределенного впрыска по критерию многотопливности

УДК 621.43

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ И ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ВПРЫСКА ПО КРИТЕРИЮ МНОГОТОПЛИВНОСТИ

А.В. Егоров, Ю.Ф. Кайзер, А. В. Лысянников

Рассмотрены вопросы оптимизации конструкции и параметров системы распределенного впрыска по критерию многотопливности. Представлены преимущества системы распределенного впрыска перегретого топлива.

Ключевые слова: смесеобразование, перегретое топливо, система распределенного впрыска, многотопливность.

Задача повышения эффективности процессов смесеобразования в двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением является приоритетным направлением развития двигателестроения как в России, так и за рубежом.

Основными способами улучшения качества внешнего смесеобразования двигателей с распределенным впрыском топлива являются [1]:

- улучшение диспергирования топлива с помощью ультразвукового или пневматического распыливания;

- интенсификация смесеобразования с использованием закрученных потоков;

- электроподогрев топливовоздушной смеси;

- использование турбулизаторов потока топливовоздушной смеси.

К перспективным способам улучшения качества внешнего смесеобразования можно отнести создание систем распределенного впрыска перегретого топлива.

Системы распределенного впрыска топлива являются на сегодняшний день доминирующими. Доля бензиновых двигателей, оснащенных системами распределенного впрыска, составляет на сегодняшний день более 80 % [1].

Такие системы с незначительными конструктивными доработками могут работать как на традиционных, так и на альтернативных топливах при наличии в блоках электронного управления соответствующих алгоритмов корректировки подачи топлива в зависимости от вида топлива.

Структура системы распределенного впрыска перегретого топлива и ее отличие от традиционной системы распределенного впрыска представлены рис. 1 - 4.

Предположим, что имеется однородное топливо, например, одна из самым легких фракций бензина - пентан [2] и имеется диаграмма межфазового перехода для него (рис. 3 и 4). Как следует из рис. 3, стандартная система распределенного впрыска подает топливо на тарелку впускного

клапана в жидкой фазе, в то время как система распределенного впрыска перегретого топлива начинает впрыск в жидкой фазе, а из форсунки выходит влажный пар.

Рис. 1. Стандартная система распределенного впрыска бензина: 1 - топливный бак; 2 - топливный фильтр; 3 - топливный насос; 4 - напорный трубопровод; 5 - топливная рампа; 6 - форсунка;

7 - сливной канал; 8 - воздушный фильтр; 9 и 10 - впускной и выпускной коллектор; 11 и 12 - впускной и выпускной клапаны;

13 - поршень

Тем самым, к концу процесса смесеобразования при прочих равных условиях во впускном коллекторе оказывается большее количество топлива, находящегося в паровой фазе, что, в конечном счете, приводит к улучшению качества смесеобразования и сгорания в цилиндре двигателя, росту коэффициента использования теплоты и увеличению эффективного коэффициента полезного действия двигателя.

Зависимости температуры кипения от давления для пентана и гептана как наиболее легкокипящих фракций бензина представлены на рис. 5 [3].

Предположим, что в баке 1 (рис. 2) находится топливо при атмосферном давлении (~ 0,1 МПа) и температуре 20 оС, а на выходе насоса 3 топливо находится при давлении до 0,5 МПа. Температура кипения более легкокипящей фракции бензина - пентана - при этом составляет порядка 90 оС. После нагрева до вышеназванной температуры посредством регенератора теплоты 5 и электронагревателя 7 бензин через форсунки 8 впры-

скивается во впускной коллектор (на тарелку клапана 13) и оказывается там при атмосферном давлении. При этом температура кипения наиболее легких фракций бензина - пентана, гексана (68,4 оС) и гептана - оказываются выше температуры их кипения при атмосферном давлении, и они, почти мгновенно, закипают за счет собственной внутренней теплоты.

Определим время парообразования пентана, предположив, что нагрели бензин до 90 оС, при этом поверхностное натяжение пентана °Същг = 0,00952 Н / м [3]. Зная давление, создаваемое в системе распределенного впрыска бензина рвпр=0,5 МПа [4], давление и температуру во впускном трубопроводе (ратм=0,1 МПа, tатм=20 оС), определим критический радиус пузырька перегретого пентана [5]:

Я

С5Н12

Р - р

лг впр л: а

4,8 -10-8 м.

5" 12

Рис. 2. Система распределенного впрыска перегретого топлива: 1 - топливный бак; 2 - топливный фильтр; 3 - топливный насос; 4 - напорный трубопровод; 5 - регенератор теплоты между напорным трубопроводом и каналом циркуляции отработавших газов и/или охлаждающей жидкости и/или смазочного масла; 6 - топливная рампа; 7 - электрический нагреватель; 8 - форсунка; 9 - сливной канал; 10 - воздушный фильтр; 11 и 12 - впускной и выпускной коллектор; 13 и 14 - впускной и выпускной клапаны;

15 - поршень

Рис. 3. Идеальный процесс изменения параметров топлива в стандартной системе распределенного впрыска: а - б - процесс повышения давления топлива насосом 3 (рис. 1), б - а - процесс падения давления топлива при его распылении через форсунку 6; а - в - процесс подвода теплоты от тарелки впускного клапана работающего двигателя к топливу

Рис. 4. Идеальный процесс изменения параметров топлива в системе распределенного впрыска перегретого топлива: а - б - процесс повышения давления топлива насосом 3 (рис. 2); б - в - процесс подвода теплоты к топливу в регенераторе 5 от отработавших газов и/или охлаждающей жидкости и/или смазочного масла; в - г - процесс подвода теплоты к топливу от электрического нагревателя 7; г - д - процесс падения давления топлива при его распылении через форсунку 8, д - е - процесс подвода теплоты от тарелки впускного клапана работающего двигателя

к топливу

Температура кипения, °С

Рис. 5. Зависимость температуры кипения пентана и гептана от давления

Зная плотность пентана в жидком и парообразном состоянии р'с^ = 558 кг/л*3, р"^ =11,3 кг/мъ 9 а также перепад давлений

(Ар = рвпр —ршм\ определим скорость роста парового пузырька в перегретой жидкости:

р -р \3 р

Время испарения пентана

г = = 0,21-10 ^с. Я

Таким образом, время парообразования наиболее легкокипящей фракции бензина на выходе из форсунки значительно меньше длительности процесса впрыска Ю-4 с [4].

Исходя из этого, можно предположить, что время парообразования наиболее высококипящих фракций бензина не превысит 10"4 с.

Подняв давление топлива в системе распределенного впрыска перегретого топлива до 1,6 МПа и нагрев бензин до 185 °С, можно обеспечить близкое к 100 % испарение бензина [6] на выходе из форсунки, при этом гарантировать отсутствие возникновения паровых пробок в топливопроводах.

С учетом зависимости теплоемкости бензина от температуры ср (?) = 0,005?2 + 4,3807? +1969 Дж/(кг-К) [7], среднего массового расхода

бензина т=0,067 кг/км, определенного исходя из объемного расхода при нормальных атмосферных условиях [8], снижение теплового загрязнения окружающей среды при подогреве бензина от 20 до 185 оС составит

185

т Г с

^ = т Гср (?)& » 28,5 кДж/км.

Как показывают многочисленные публикации в отечественных и иностранных научных и периодических изданиях, в настоящее время возможна эксплуатация двигателей, оснащенных системами распределенного впрыска топлива, на альтернативных топливах. Однако в случае использования, например спиртов, помимо необходимости усиления химической стойкости поверхностей деталей топливной системы и двигателя, возникает проблема запуска двигателя при низких температурах.

По данным сотрудников технического университета г. Вены (Австрия) запуск двигателя, работающего на необезвоженном этаноле, становится невозможным при температуре атмосферного воздуха ниже 10 оС.

Система впрыска перегретого топлива в состоянии решить такую задачу.

Зависимости температуры кипения спиртов от давления представлены на рис. 6 [3], из которого видно, что для обеспечения работы системы впрыска перегретого топлива на любом из представленных спиртов необходимы давление топлива в системе 1,2 МПа и температура 120 оС.

Используя методику определения времени парообразования при впрыске перегретой жидкости, примененной выше для определения времени парообразования пентана и зная соответствующие параметры спиртов [3], можно вычислить, время испарения обезвоженных метилового, этилового и изопропилового спиртов:

т = 4,3 -10-9 с,т = 4,3 -10-9 с,

СН3ОН С2Н5ОН

т = 4,7 -10"9 с.

С3ЩОН

В случае разработки системы распределенного впрыска перегретого топлива на базе традиционной системы впрыска необходимы коррекция момента впрыска и синхронизация с моментом открытия впускного (-ых) клапана (-ов) для минимизации конденсации паров топлива на стенках впускного канала двигателя.

у / /  /

/ / у

/

60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240

Температура кипения, °С

—*— этиловый спирт Ф метиловый спирт —— п-пропиловый спирт —— изопропиловый спирт —А— бутиловый спирт

Рис. 6. Зависимость температуры кипения спиртов от давления

Таким образом, система распределенного впрыска перегретого топлива позволяет:

- повысить качество смесеобразования бензинового двигателя за счет подачи топлива во впускную систему в состоянии влажного пара;

- создать многотопливную систему питания двигателя с принудительным воспламенением для работы на традиционных и альтернативных топливах;

- запускать двигатель с принудительным воспламенением, работающий на обезвоженных и необезвоженных спиртах, в условиях низких температур;

- утилизировать часть теплоты отработавших газов для подогрева топлива до требуемых температур.

Список литературы

1. Драгомиров, С.Г. Интенсификация внешнего смесеобразования в автомобильных двигателях с впрыском бензина: дис. ... д-ра техн. наук Владимир, 2002. 306 с.

2. Автомобильные двигатели / под ред. М.С. Ховака. М.: Машиностроение, 1977. 562 с.

3. Кутателадзе, С.С. Справочник по теплопередаче. М.: Госэнерго-издат, 1958. 418 с.

4. Системы управления бензиновыми двигателями / пер. с нем. М.: Изд-во «За рулем», 2005. 432 с.

5. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: справочник / под общ. ред. чл.-корр. РАН А.В. Клименко и проф. В.М. Зорина. М.: Изд-во МЭИ, 2001. 564 с.

6. ГОСТ 2084-77 Бензины автомобильные. Технические условия. Взамен ГОСТ 5.818-71; введ. 01.01.1979. М.: Изд-во стандартов, 2003. 13 с.

7. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 721 с.

8. Руководство по эксплуатации автомобилей ВАЗ-2113, -2114,2115 и их модификаций. Разработчики: А.А. Костянов, С.Н. Косарев, Н.В. Казаков, А.В. Мингачев. Тольятти: ОАО «АВТОВАЗ», 2002. 86 с.

Егоров Алексей Васильевич, канд. техн. наук, доц., aleksej egorov@bk.ru, Россия, Йошкар-Ола, Поволжский государственный технологический университет, Институт механики и машиностроения,

Кайзер Юрий Филиппович, канд. техн. наук, доц., kaiser170174@,mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Лысянников Алексей Васильевич, канд. техн. наук, доц., lysyanni-kov.alek@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа

OPTIMIZATION OF THE DESIGN PARAMETERS AND FUEL INJECTION SYSTEM ACCORDING TO THE CRITERION OFMEGATOPLIST

A.V. Egorov, Y.F. Kaiser, A.V. Lysyannikov

In the article the questions of optimization the design and parameters of the injection system by a multifuel criterion. The advantages of the system of distributed injection of superheated fuel.

Key words: mixture formation, the overheated fuel, injection system, multifuel.

Egorov Alexey Vasilyevich, candidate of technical sciences, docent, aleksej egorov@bk.ru, Russia, Ioshkar-Ola, Volga State University of Technology, Institute of Mechanicsand Machine Building,

Kaiser Yury Filippovich, candidate of technical sciences, docent, kais-er170174@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Lysyannikov Alexey Vasilyevich, candidate of technical sciences, docent, av.lysyannikov@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas