Разработка математических моделей и расчетно-экспериментальное исследование дизельных аккумуляторных топливных систем с электрогидравлическими форсунками
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
Центральный ордена Трудового Красного Знамени
научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт
ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»
На правах рукописи
ОЛИСЕВИЧ ОЛЕГ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ
И РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЗЕЛЬНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ С ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИМИ ФОРСУНКАМИ
Специальность 05.04.02 – Тепловые двигатели
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2008.
Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт «НАМИ»
Научный руководитель - доктор технических наук,
профессор Пинский Ф. И.,
доктор технических наук,
профессор Голубков Л.Н.
Официальные оппоненты - доктор технических наук,
профессор Марков В.А.
кандидат технических наук,
доцент Савастенко А. А.
Ведущая организация – ФГУП «НИИД»
Защита состоится « » 200 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 217.014.01 при Государственном научном центре Российской Федерации Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт «НАМИ» по адресу: 125438 г.Москва, Автомоторная ул. дом 2; электронная почта: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.
Автореферат разослан «____»_____________200 г.
Телефон для справок: (495) 456-40-40
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук,
ст. научный сотрудник А. Г. Зубакин
http://www.nami.ru
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Для достижения высоких экологических и экономических показателей дизеля необходимо постоянно совершенствовать конструкцию и параметры топливной системы и процессы управления топливоподачей (ТП) для всего диапазона рабочих режимов дизеля. Наиболее перспективной в этом отношении является получившая широкое распространение аккумуляторная система топливоподачи типа Common Rail (CR), обеспечивающая необходимые давления впрыскивания и максимально возможную управляемость характеристикой впрыскивания в сочетании с компактностью и удобством компоновки на двигателе.
Серийно выпускаемые ведущими зарубежными фирмами аккумуляторные топливные системы типа CR при практически одинаковом характере управления ТП и с близкими по качеству параметрами ТП различаются, главным образом, по конструктивному исполнению и принципам работы топливных насосов высокого давления и форсунок с электроприводными управляющими клапанами. Для ускорения разработки и постановки на производство отечественной аккумуляторной системы топливоподачи для автомобильных дизелей необходим тщательный анализ конструктивных особенностей и рабочего процесса серийно выпускаемых зарубежных аккумуляторных систем типа CR различного конструктивного исполнения, который невозможен без использования математических моделей рабочих процессов топливной аппаратуры (ТА) и дизеля, реализованных на ЭВМ.
Таким образом, тема диссертационной работы, посвященной разработке математических моделей и сравнительному расчетно-экспериментальному анализу дизельных аккумуляторных топливных систем с конструктивно различающимися электрогидравлическими форсунками, является актуальной.
Цель работы. Сравнительный анализ серийно выпускаемых электрогидравлических форсунок для аккумуляторных топливных систем дизелей типа «Common Rail», используя методы теоретического и экспериментального исследования.
Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились в ФГУП «НАМИ» и проблемной лаборатории топливной аппаратуры МАДИ (ГТУ) на аккумуляторных установках, созданных на базе стендов для контроля и регулировки ТНВД. Расчетно-теоретические исследования проводились по методам и программам, разработанным с использованием современной вычислительной техники.
Научная новизна. Разработан и реализован в виде законченного программного продукта метод расчета процессов в аккумуляторных топливных системах дизелей с электрогидравлической форсункой с разгруженным от давления топлива управляющим клапаном с коническим затвором (ЭГФ-1). Метод позволяет рассчитывать движение топлива в топливопроводе, давления в пяти полостях ЭГФ, движение управляющего клапана и иглы распылителя, цикловую подачу топлива, характеристику впрыскивания (включая многофазный впрыск), давление впрыскивания, расход топлива на управление.
Уточнен метод гидродинамического расчета аккумуляторной системы с электрогидравлической форсункой с неразгруженным от давления топлива управляющим клапаном и поршнем-мультипликатором (ЭГФ-2) путем учета жиклера, расположенного перед управляющим клапаном. Разработана программа, позволяющая рассчитывать движение топлива в топливопроводе, давление в полостях ЭГФ, движение управляющего клапана и поршня-мультипликатора, цикловую подачу топлива, давление впрыскивания, характеристику впрыскивания и расход топлива на управление, включая предварительное впрыскивание заданной порции топлива.
Разработаны критерии качества ЭГФ, позволяющие провести сравнительный количественный анализ электрогидравлических форсунок различного конструктивного исполнения
Получены результаты расчетно-экспериментальных исследований аккумуляторных топливных систем с ЭГФ, показавших с одной стороны преимущество использования разгруженных управляющих клапанов, с другой стороны целесообразность использования мультипликатора и отрицательной обратной связи.
Установлено, что величина предварительного впрыскивания и интервал между предварительным и основным впрыскиваниями оказывает существенное влияние на величину основной дозы топлива, что необходимо учитывать при отработке алгоритма управления аккумуляторной топливной системой.
Практическая ценность Результаты сравнительного анализа различных конструкций серийно выпускаемых и разрабатываемых аккумуляторных топливных систем дизелей и конструктивных схем ЭГФ могут быть использованы при разработке перспективных ЭГФ.
Разработанный пакет программ на ЭВМ, реализующий математические модели процессов топливной аппаратуры аккумуляторного типа дизелей для двух принципиально различающихся конструктивных типов ЭГФ, позволяет быстро и качественно проводить инженерные расчеты с целью изучения взаимосвязей рабочих процессов аккумуляторных топливных систем и оптимизации ЭГФ.
Выполненными расчетно-экспериментальными исследованиями аккумуляторных топливных систем с двумя наиболее распространенными ЭГФ различных конструктивных схем установлено влияние на процесс топливоподачи значений основных конструктивных параметров и определены пределы их изменения.
Разработанные критерии качества ЭГФ могут быть использованы при разработке аккумуляторных топливных систем для дизелей отечественного производства.
Реализация работы. Метод и программа гидродинамического расчета аккумуляторных топливных систем и рекомендации по конструктивным параметрам ЭГФ используются в расчетно-конструкторских работах ФГУП «НАМИ» и на ОАО «ЯЗДА» по созданию отечественной аккумуляторной топливной системы. Пакет программ расчета процессов топливоподачи аккумуляторными топливными системами используется в учебном процессе МАДИ (ГТУ) и МГТУ «МАМИ».
Основные положения, выносимые на защиту.
Метод и программа гидродинамического расчета процессов в аккумуляторной системе с электрогидравлической форсункой с разгруженным от давления топлива управляющим клапаном с коническим затвором (ЭГФ-1), включая расчеты многофазного впрыскивания топлива.
Уточнение метода гидродинамического расчета и разработка программы расчета аккумуляторной системы с электрогидравлической форсункой с неразгруженным от давления топлива управляющим клапаном и поршнем-мультипликатором (ЭГФ-2), путем учета жиклера, расположенного перед управляющим клапаном.
Результаты расчетного анализа основных конструктивных параметров ЭГФ различных конструктивных типов (ЭГФ-1 и ЭГФ-2).
Результаты безмоторных экспериментальных исследований аккумуляторных топливных систем с двумя типами конструкций ЭГФ с электромагнитным приводом управляющего клапана.
Критерии качества ЭГФ и их использование для сравнительного анализа.
Личный вклад автора.
Проведен анализ технической и патентной литературы по основным направлениям конструирования и совершенствования аккумуляторных топливных систем с ЭГФ различных отечественных и зарубежных разработчиков и фирм-производителей. Рассмотрены методы математического моделирования процессов, происходящих в ТС, а также работы по алгоритмам управления аккумуляторных топливных систем с ЭГФ. Выделены основные типовые конструкции ЭГФ с электромагнитным приводом управляющего клапана, выпускаемых фирмами Delphi (ЭГФ-1) и Bosch (ЭГФ-2)
Разработан метод расчета процессов в аккумуляторной системе с электрогидравлической форсункой с разгруженным от давления топлива управляющим клапаном с коническим затвором (ЭГФ-1). Составлена программа расчета рабочего процесса в ЭГФ, обеспечивающая расчет многофазного впрыскивания.
Уточнен метод гидродинамического расчета аккумуляторной системы с электрогидравлической форсункой с неразгруженным от давления топлива управляющим клапаном и поршнем-мультипликатором (ЭГФ-2), путем учета жиклера, расположенного перед управляющим клапаном, и составлена программа расчета, обеспечивающая так же и расчет предварительного впрыскивания.
Разработаны критерии качества ЭГФ.
На основе проведенных расчетных и экспериментальных исследований аккумуляторных топливных систем с ЭГФ различных конструктивных схем и с использованием разработанных критериев качества ЭГФ получены результаты сравнительного анализа ЭГФ-1 и ЭГФ-2.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технических конференциях и семинарах: в МГТУ им Н.Э. Баумана (семинары по автоматическому регулированию им. проф. В.И. Крутова 2002, 2007 и 2008 годов; международном симпозиуме «Образование через науку» в 2005 году; на международной конференции «Двигатель – 2007»); международных автомобильных научных форумах «МАНФ» 2004, 2006 и 2007 г.г. во ФГУП «НАМИ»; на международных автомобильных конференциях «Двигатели для российских автомобилей» 2006 и 2007 годов в рамках московских автосалонов MIMS - 2006 и MIMS – 2007; конференции «Двигатель - 2008», проходившей во Всероссийском выставочном центре.
Публикации. Материалы исследований опубликованы в семи статьях, в том числе в журнале «Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана», входящем в Перечень ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий.
Объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, содержит 160 страниц, 51 рисунок, 19 таблиц. Библиография включает 92 наименования литературы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, поставлены цель и задачи исследований, указаны выносимые на защиту основные положения диссертационной работы, сформулированы научная новизна и практическая полезность работы.
В первой главе рассмотрено влияние нормирования вредных выбросов с отработавшими газами дизелей на совершенствование рабочего процесса и развитие систем топливоподачи аккумуляторного типа. Рабочие характеристики этих систем в значительной степени определяются конструктивной схемой, параметрами и законами управления электрогидравлических форсунок (ЭГФ). В нашей стране разработка конструкций ЭГФ для аккумуляторных топливных систем дизелей и их подробный расчетно-экспериментальный анализ выполнялась в ВЗПИ, в МАДИ (ГТУ), на ЯЗТА и ЯЗДА, в МГТУ им. Н.Э. Баумана, в НИКТИД, БашГАУ, НИИД и др. организациях. Наибольшее распространение на зарубежных автомобильных дизелях получили ЭГФ с дроссельным управлением фирм Bosch, Siemens и Delphi, различающие между собой по конструктивному исполнению, приводу управляющего клапана и характеристикам.
Проведенный анализ конструкций ЭГФ с дроссельным управлением и однозатворными управляющими клапанами с электромагнитным приводам позволил выделить два основных направления в конструировании таких ЭГФ: с применением разгруженного от давления топлива управляющего клапана (ЭГФ-1) и неразгруженного управляющего клапана с поршнем-мультипликатором (ЭГФ-2). Характерными представителями таких ЭГФ являются форсунки фирм Delphi и Bosch, сравнительный анализ рабочего процесса которых является целью данной работы.
На основании выполненного обзора и в соответствии с поставленной целью были сформулированы задачи диссертационной работы.
1. Проанализировать серийно выпускаемые и разрабатываемые аккумуляторные топливные системы дизелей и составить классификацию электрогидравлических форсунок (ЭГФ), выделив основные типы ЭГФ с электромагнитным управлением.
2. Разработать математические методы и программы гидродинамического расчета рабочих процессов аккумуляторных систем типа Common Rail с электрогидравлическими форсунками, отличающиеся конструктивными схемами (ЭГФ-1 и ЭГФ-2).
3. Разработать критерии качества ЭГФ.
4. Провести сравнительный расчетно-экспериментальный анализ рабочих процессов аккумуляторных систем с ЭГФ, с целью исследования влияния их конструктивных параметров на процесс топливоподачи. Определить допустимые диапазоны изменения определяющих конструктивных параметров и их взаимосвязь для двух схем ЭГФ.
Во второй главе приведено описание конструкции и принципа работы двух типов ЭГФ с электромагнитным приводом управляющего клапана и разработанных математических моделей рабочего процесса аккумуляторных систем высокого давления с ЭГФ-1 и ЭГФ-2.
Расчетные модели основаны на общепринятых для расчета аккумуляторных топливных систем допущениях. Общим для методов расчета аккумуляторных систем с различным конструктивным исполнением ЭГФ является моделирование неустановившегося движения топлива из топливного аккумулятора к ЭГФ с помощью уравнений неустановившегося движения вязкой сжимаемой жидкости с учетом допущений о постоянных значениях плотности топлива и скорости звука в топливе а, а также пренебрежение конвективными членами уравнений.
Уравнения движения и неразрывности решаются методом, использующим волны давления. Уравнения решаются совместно с уравнениями граничных условий, описывающих процессы в топливном аккумуляторе и форсунке, а также с учетом начальных условий: скорости в топливопроводе перед началом расчета С0 (С0 =0) и остаточного давления ро, равного давлению в аккумуляторе ра.
Общим для двух математических моделей ЭГФ является также расчет силы электромагнита Fэм, которая рассчитывается по эмпирическим зависимостям.
Уравнения граничных условий для ЭГФ-1 составлены из уравнений объемного баланса в полостях форсунки, динамики движения иглы распылителя и управляющего клапана:
В данной системе уравнений:
Vф, рф – объем и давление в полости форсунки; Vр, рр – объем и давление в полости распылителя; Vк, рк – объем и давление в камере управления; рц – давление в цилиндре двигателя; 
- давление топлива в полости между конусом иглы и сопловыми отверстиями распылителя; 
- давление топлива в полости управления ЭМК; р0 – начальное давление топлива в топливопроводе высокого давления и основных полостях ЭГФ; рсл – давление топлива в полости слива форсунки; (µf)1 - эффективное проходное сечение жиклера между камерой управления и управляющим клапаном; (µf)2 - эффективное проходное сечение жиклера на входе в камеру управления; (µf)3 - эффективное проходное сечение жиклера между полостью форсунки и полостью распылителя; (µf)ф – эффективное проходное сечение распылителя форсунки; (µf)кл – суммарное эффективное проходное сечение управляющего клапана; Мu, fu – масса иглы распылителя и площадь его поперечного сечения; Мкл, fкл – масса и площадь клапана; Fэм – сила электромагнита; Fпр0 – начальная сила пружины клапана; u – жесткость пружины иглы; кл – жесткость пружины клапана; 
- волна давления, формирующаяся у ЭГФ.
Ступенчатая функция 2 = +1 при выполнении условия рф рк и 2 = -1 при условии рф < рк. Ступенчатая функция 3 = +1 при рф рр и 2 = -1 при условии рф < рр. Суммарное эффективное проходное сечение управляющего клапана:
, (2)
где (µк fщ) – текущее значение эффективного проходного сечения в щели управляющего клапана. Значение давления в распылителе 
рассчитывается по формуле:
, (3)
где рц – давление в цилиндре двигателя. Давление 
в камере перед ЭМК рассчитывается по формуле:
, (4)
Расход через выходные сечения форсунки Qф определяется по следующему уравнению:
, (5)
Новизна расчетной модели для ЭГФ-1 заключается в особенностях конструкции ЭГФ с разгруженным от давления топлива управляющим клапаном.
Программа расчета процессов в аккумуляторной системе с ЭГФ-1 составлена на языке программирования С++ и содержит блоки расчета движения топлива в топливопроводе, давления в пяти полостях ЭГФ, движения управляющего клапана и иглы распылителя, цикловой подачи топлива, давления впрыскивания, продолжительности впрыскивания, расхода топлива на управление. Программа обеспечивает расчет многофазного процесса впрыскивания топлива: двух предварительных впрыскиваний, основного и одного последующего впрыскиваний.
Оценка точности математической модели проводилась путем сопоставления результатов расчета с экспериментальными данными, расхождение между которыми не превышало 5 % (рис.2).
Математическая модель ЭГФ-2 была уточнена путем моделирования влияния перепускного жиклера на выходе из камеры управления (рис.3).
Программа составлена на языке программирования Visual Basic for Applications (VBA) и содержит блоки расчета движения топлива в топливопроводе, давления в пяти полостях ЭГФ, движения управляющего клапана и поршня-мультипликатора, цикловой подачи топлива, давления впрыскивания, продолжительности впрыскивания, расхода топлива на управление и предварительного впрыскивания заданной порции топлива.
Для сравнительного количественного анализа электрогидравлических форсунок различного конструктивного исполнения были разработаны критерии качества ЭГФ – численные величины, оценивающие конструктивные параметры и качество протекания рабочих процессов в ЭГФ. Критерии – безразмерные величины - отношение рабочих параметров исследуемой форсунки к соответствующим рабочим параметрам базовой ЭГФ, за которую принята ЭГФ-2, так как именно данная конструкция является более распространенной.
Численные величины критериев качества построены по принципу уменьшения величины критерия при повышении качества оцениваемого параметра.
Купр – критерий управляемости - относительный расход топлива, идущий на управление на режиме номинальной мощности. Данный критерий определяется как величина, обратная гидравлическому КПД. Критерий управляемости определяет требования к производительности ТНВД в составе аккумуляторной топливной системы. Кгаб – конструктивный критерий – соотношение конструктивных параметров электромагнитного клапана различных ЭГФ. Определяется соотношением объемов ЭМК ЭГФ с разгруженным управляющим клапаном (ЭГФ-1) к объему ЭМК ЭГФ-2. Конструктивный критерий определяет уменьшение габаритных размеров ЭГФ. Км – критерий массы – показывает соотношение масс подвижных элементов управляющего клапана. Определяется соотношением массы ЭМК ЭГФ-1 к массе ЭМК ЭГФ-2. Критерий массы определяет инерционность управляющего клапана ЭГФ. Кэм – критерий электрической мощности – показывает соотношение параметров электрической мощности, идущей на привод управляющего клапана. Электрическая мощность определяется соотношением произведения напряжения на силу тока на участке удержания привода ЭМК ЭГФ-1 к приводу ЭМК ЭГФ-2. Критерий электрической мощности определяет энергозатраты, необходимые для управления ЭГФ. Кк.од. – критерий коррекции основной дозы топлива – оценивает необходимость корректирования основной цикловой подачи топлива при формировании дозы предварительного впрыскивания. Определяется соотношением необходимой коррекции ЭГФ-1 к коррекции ЭГФ-2. Кзап – критерий запаздывания начала впрыскивания - оценивает запаздывание начала впрыскивания топлива в цилиндр двигателя относительно момента подачи управляющего импульса. Определяется соотношением запаздывания ЭГФ-1 к запаздыванию ЭГФ-2. Данный критерий определяет возможности по минимизации периодов между впрыскиваниями при работе аккумуляторной топливной системы с ЭГФ. Ко.впр – критерий оценки четкости окончания впрыскивания – определяет соотношение скоростей снижения расхода топлива при завершении впрыскивания соответственно у ЭГФ-1 и ЭГФ-2. Данный критерий позволяет оценить четкость окончания впрыскивания. Кмин.д. – критерий оценки получения малых доз топлива – оценивает получение минимальных доз топлива при работе ЭГФ различных конструкций.
В третьей главе приведены результаты аналитического исследования рабочего процесса аккумуляторных систем с ЭГФ-1 и ЭГФ-2 и оценки допустимого диапазона изменения определяющих конструктивных параметров этих форсунок, при которых обеспечивается стабильность рабочих параметров и управляемость во всем диапазоне рабочих режимов, включая обеспечение многофазного процесса впрыскивания топлива.
Оценка аккумуляторной системы проводилась по форме характеристики впрыскивания, количеству топлива qупр, затраченного на управление, и управляемости системы. Количество топлива qупр, затраченного на управление, оценивалось по его абсолютному значению и по отношению к цикловой подаче топлива через форсунку qц. Управляемость оценивалась по наличию или отсутствию провалов (монотонности) на нагрузочной характеристике топливной системы (зависимости величины цикловой подачи от продолжительности управляющего импульса). Многофазный характер процесса топливоподачи оценивался с помощью управляемого впрыскивания предварительных доз топлива и основной дозы и их взаимосвязи.
Объектом расчетного анализа по схеме ЭГФ-1 форсунка модели EJBR01901Z производства фирмы Delphi. Объектом расчетного анализа по схеме ЭГФ-2 являлась форсунка модели 0445110097 фирмы Bosch. Конструктивные и регулировочные параметры этих форсунок, являющиеся исходными при проведении расчетов, получены путем обмера, а также при их испытаниях. Расчетный анализ проводился при изменении давления в топливном аккумуляторе в пределах 30 ра 120 МПа и продолжительности импульса управления основным впрыскиванием 0,2 упр 2 мс.
В ЭГФ-1 основными конструктивными параметрами, определяющими качество рабочего процесса, являются эффективные проходные сечения управляющих жиклеров (f)1 (f)2 (f)3 (см. рис. 1). При расчетном анализе влияние этих жиклеров оценивалось путем изменения параметров в следующих пределах: 0,0157 (f)1 0,059 мм2; 0,005 (f)2 0,05 мм2;0,01 (f)3 0,3 мм2.
Расчетный анализ ЭГФ-1 показал значительное, но не однозначное влияние управляющих жиклеров на производительность аккумуляторной системы, форму характеристики впрыскивания и на управление многофазным характером впрыскивания топлива.
При снижении величины эффективного проходного сечения жиклера между камерой управления и управляющим клапаном в 2 раза относительно базового значения производительность системы резко снижается. Устойчивая и стабильная работа системы с изменением производительности в пределах ± 5 % обеспечивается в диапазоне 0,036 (f)1 0,055 мм2. Подбором величины (f)1 можно воздействовать на форму характеристик впрыскивания топлива, влияя на интенсивность нарастания подачи топлива в начальной фазе впрыскивания основной порции топлива.
Изменение сечения жиклера между полостью форсунки и полостью распылителя (f)3 влияет на форму дифференциальной характеристики впрыскивания, как в начальной ее фазе, так и в конечной, причем влияние на конечную фазу более сильное.
Величина эффективного проходного сечения (f)2 жиклера на входе в камеру управления оказывает большое влияние, как на производительность топливной системы, так на весь процесс топливоподачи в целом. При уменьшении (f)2 основная часть топлива из полости форсунки проходит в полость распылителя, а меньшая часть в надигольную
полость, что приводит к более быстрому подъему иглы распылителя и замедлению посадки иглы в конце процесса впрыскивания (рис.4.). Допустимый диапазон изменения величины эффективного проходного сечения данного жиклера, при котором обеспечивается полная управляемость топливной системы, находится в пределах 0,025 (f)2 0,045 мм2.
Изменение величины сечения жиклеров в определенных расчетом допустимых пределах практически не влияет на искажение формы (линейность) нагрузочных характеристик системы qц = f(упр).
Анализ влияния рассматриваемых жиклеров ЭГФ-1 на величину расхода топлива на управление показал, что изменение сечения жиклеров в определенных расчетом допустимых диапазонах меняет величину гидравлического КПД в пределах до 10%. Наиболее сильное влияние на величину расхода топлива на управление и на производительность оказывает жиклер на входе в камеру управления, увеличение (f)2 которого повышает КПД системы.
В ЭГФ-2 основными конструктивными параметрами, определяющими качество рабочего процесса аккумуляторной системы топливоподачи, являются: эффективное проходное сечение жиклера fж (см. рис.3) на входе в управляющую камеру, оцениваемое по диаметру жиклера d1; эффективное проходное сечение µклFщ.кл между управляющей камерой и каналом слива, оцениваемое по диаметру жиклера d2Ж, и диаметр выступа (диаметр затвора) на поршне d1п.
При расчетном анализе влияние этих параметров оценивалось путем изменения диаметра жиклера d1 в диапазоне от 0,1 до 0,5 мм, диаметра жиклера d2Ж - в диапазоне от 0,26 до 0,6 мм и диаметра выступа на поршне d1п - от 0,8 до 2,2 мм. В базовой конструкции данные параметры имеют значения: d1 = 0,234 мм, d2Ж = 0,343 мм и d1п = 2,0 мм.
Расчеты показали, что для рассматриваемой конструкции ЭГФ необходимая величина диаметра жиклера на входе в управляющую камеру, обеспечивающая управляемость аккумуляторной системы при относительно низком расходе топлива на управление, находится в пределах: 0,20 d1 0,30 мм.
Изменение диаметра жиклера d2ж при выходе из камеры управления слабо влияет на производительность топливной системы. При уменьшении d2ж до 0,27 мм производительность системы при одинаковой продолжительности управляющего импульса уменьшается на 13% - с 23 мм3 до 20 мм3. Увеличение d2ж с 0,349 мм до 0,5 мм вызывает возрастание производительности системы на 12….15 %. Дальнейшее увеличение диаметра жиклера также вызывает возрастание производительности.
Расчетный анализ рабочего процесса двух конструктивных схем ЭГФ показал, что при многофазном процессе топливоподачи впрыскивание предварительной порции топлива оказывает влияние на величину основной дозы топлива, что необходимо учитывать при отработке алгоритма управления аккумуляторной системой. Степень этого влияния зависит, главным образом, от конструктивной схемы электрогидравлической форсунки, а также от величины предварительной порции топлива и интервала времени между предварительным и основным впрыскиваниями. Результаты расчета, проведенного при давлении в аккумуляторе ра = 120 МПа и величине основной порции qц.о. 50 мм3 для диапазона изменения величины предварительной порции 1 qп.о. 5,1 мм3 и интервала времени между основным и предварительным впрыскиваниями 0,6 ин 2,2 мс, показали, что для ЭГФ-1 увеличение предварительной порции впрыскиваемого топлива с 1 до 5,1 мм3 приводит к изменению колебаний основной порции топлива от 1,16% до 2,2 %, в то время, как для ЭГФ-2 - с 1,9% до 6 %.
Критерий коррекции основной дозы топлива Кк.од. для ЭГФ-1 составляет 0,365.
В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования аккумуляторной системы топливоподачи с электрогидравлическими форсунками: ЭГФ-2 модели 0445110097 производства фирмы Bosch в сопоставлении с результатами испытаний ЭГФ-1 модели EJBR01901Z производства фирмы Delphi, проведенными на ОАО «ЯЗДА».
Испытания проводились на аккумуляторных установках, созданных на базе стендов для контроля и регулировки ТНВД, адаптированных для испытаний аккумуляторных топливных систем с ЭГФ.
Управление работой форсунок производилось с помощью макетного образца микропроцессорной системы, включающей цифровую часть и блок силовых ключей. Математическая модель и алгоритм управления реализованы в программе для ПК на языке Borland C++ Builder 5 (Стенд МАДИ(ГТУ)). Программа управления генерирует прямоугольные импульсы заданной продолжительности, последовательности и частоты.
Программа экспериментальных исследований предусматривала определение характеристик электромагнитного привода управляющего клапана, характеристик подачи топлива ЭГФ - зависимости величины цикловой подачи топлива от длительности управляющего импульса и давления топлива в аккумуляторе qц = f(упр, ра), расхода топлива на управление – qупр = f(упр, ра), определение гидравлического КПД аккумуляторной системы и запаздывания начала процесса топливоподачи в зависимости от давления в топливном аккумуляторе и величины тока управляющего импульса. Испытания проводились на дизельном топливе при давлении в топливном аккумуляторе 30…130 МПа, продолжительности управляющего импульса 0,25…3 мс.
При испытаниях электрогидравлических форсунок использовались: радиально-плунжерные насосы модели К10 00А2СА003757 от фирмы Siemens и модели 0445010 024 фирмы Bosch, топливные аккумуляторы внутренним объемом 17 см3 и 30 см3, манометр 1 класса с диапазоном измерения давления 0…160 МПа и ценой деления 2 МПа, высокоточные аналитические весы с точностью замера 10-4 г, топливопроводы высокого давления длиной и внутренним диаметром L x d = 860 х 2,2 мм, 470 х 1,8 мм и 370 х 2,34 мм. Основной объем испытаний проводился с топливным аккумулятором объемом 17 см3 и топливопроводом с L x d = 860 х 2,2 мм.
Активное сопротивление электромагнитного привода управляющего клапана ЭГФ измерялось с помощью универсального вольтметра Щ-31, величина индуктивности определялась измерителем Е12-1А, полное сопротивление обмотки электромагнита рассчитывалось при частоте 
Гц. Регистрация силы тока в обмотке электромагнита производилась замером падения напряжения на шунтирующем резисторе (Rc=0,1 Ом).
Испытания ЭГФ-2 показали, что влияние параметров топливопроводов, отличающихся в 1,83 раза по своей длине и 1,5 раза по площади поперечного сечения, практически не сказывается на форме этих характеристик производительности системы qц = f (упр, ра) и числовых значениях цикловых подач топлива. Более сильное влияние оказывает величина внутреннего объема топливного аккумулятора: производительность системы в зависимости от управляющего импульса при увеличенном объеме аккумулятора возрастает быстрее (рис.5.)
Анализ результатов экспериментальных исследований двух основных вариантов ЭГФ показал, что из-за наличия различий в конструктивных схемах этих форсунок существенно различаются их параметры, прежде всего, характеристики электромагнитного привода управляющего клапана (таблица 1).
Как видно из таблицы 1, полное сопротивление обмотки электромагнита ЭГФ-1 в ~2 раза меньше, а индуктивность обмотки электромагнита в 6 - 7 раз меньше, чем для ЭГФ-2. При данных параметрах электромагнита требуется меньшие силы тока на участке форсирующего и удерживающего импульсов, т.е. меньшие затраты энергии на управление. Основной причиной такого различия в параметрах электромагнитного привода является, очевидно, то обстоятельство, что реализация принципа разгруженности управляющего клапана приводит к меньшей в 10 раз массе управляющего клапана, т.е. значительно меньшей инерционности ЭГФ-1 и меньшим затратам энергии на управление.
Таблица 1
| Тип ЭГФ | ЭГФ-1 | ЭГФ -2 |
| Полное сопротивление обмотки электромагнита, Ом | 0,27 | 0,54 |
| Сопротивление обмотки электромагнита, Ом | 0,19 | 0,334 |
| Индуктивность электромагнита без якоря, мкГн | 46 | 326 |
| Индуктивность электромагнита с якорем, мкГн | 70 | 424 |
| Ток на участке форсирования, А | 14 | 18 |
| Ток на участке удержания, А | 6 | 10 |
По результатам замеров напряжения и тока на участке удержания управляющего клапана определяем критерий электрической мощности для ЭГФ-1 Кэм = 0,83.
По результатам конструктивных измерений элементов ЭГФ определен критерий массы и конструктивный критерий для ЭГФ-1. Они составляют Кгаб = 0,72 и Км = 0,48
Для электрогидравлических форсунок систем топливоподачи аккумуляторного типа характерно наличие запаздывания начала впрыскивания топлива относительно момента подачи управляющего импульса. Величина запаздывания зависит, как от давления топлива в аккумуляторе, так и от конструктивного исполнения ЭГФ. Как видно из данных, приведенных на рис. 6, благодаря меньшей инерционности ЭГФ-1 при всех значениях давления в аккумуляторе ра величина зап в среднем в 1,5 раза меньше, чем для ЭГФ-2. Это позволяет обеспечить управление малыми интервалами между впрыскиваниями для получения стабильной многофазной характеристики впрыскивания. Таким образом, критерий запаздывания составляет для ЭГФ-1 Кзап = 0,667.
При отработке конструкции и параметров аккумуляторной системы топливоподачи для отечественных дизелей с различной размерностью цилиндра отмечена зависимость фазового сдвига начала впрыскивания топлива относительно момента подачи управляющего импульса, зависящая от конструктивного исполнения электрогидравлической форсунки. Она должна быть скорректирована алгоритмически для каждого типа системы топливоподачи.
Испытания показали, что в зоне давлений в аккумуляторе ра 30 МПа расходы топлива на управление qупр в ЭГФ-1 значительно ниже расходов через форсунку qц, но при увеличении ра резко возрастают, превышая на большинстве режимов работы значения qц.
Меньшая зависимость расхода на управление qупр для ЭГФ-2 зависит от величины давления в аккумуляторе ра по сравнению с ЭГФ-1, несмотря на увеличенное в 2 раза эффективное проходное сечение жиклеров, через которое производится слив топлива из камеры управления, определяется воздействием ступенчатого выступа – затвора на торце поршня–мультипликатора. Данный затвор при верхнем положении поршня-мультипликатора перекрывает перепуск топлива на слив, осуществляя отрицательную обратную связь в ЭГФ. Особенно важно это уменьшение на режимах работы двигателя, близких к номинальной мощности.
Совместный анализ характеристик подач топлива qц = f(упр, ра) и расходов на управление qупр = f(упр, ра) для ЭГФ-1 и для ЭГФ-2, позволил определить зоны менее эффективной работы системы, в которых величина qупр превышает расход топлива через распылитель форсунки qц, и зоны более эффективной работы, где qц > qупр. Эти зоны на графиках (рис. 7) разделяются линией qц = qупр, выше которой работа топливной системы более эффективна. Граница этих зон зависит от величины давления в аккумуляторе ра, но характер этой зависимости определяется, главным образом, конструктивной схемой форсунки.
Гидравлический КПД г проанализированных расчетно-экспериментальным путем вариантов аккумуляторных систем зависит от величины цикловой подачи топлива, снижаясь при увеличении давления в аккумуляторе. КПД систем с ЭГФ-2 имеет более высокий КПД на режимах, близких к номинальной мощности, (так при Vц = 70мм3 и Ра=120 МПа КПД составляет 75%, с ЭГФ-2 он при этих же условиях 62%). Таким образом, критерий управляемости на режиме номинальной мощности для ЭГФ-1 Купр = 1,21. Уменьшенный расход топлива на управление в наиболее нагруженных режимах работы аккумуляторной топливной системы с ЭГФ-2, обеспечивается введением отрицательной обратной связи по положению поршня-мультипликатора. Это говорит о повышенных требованиях к производительности ТНВД при применении ЭГФ-1.
По результатам проведенных расчетно-экспериментальных исследований определены значения критериев качества для ЭГФ-1: Кгаб = 0,72; Км = 0,48; Кэм = 0,83; Кк.од. = 0,346; Ко.впр =1,34; Кмин.д. = 1,55; Купр = 1,21; Кзап = 0,667.
За единицу приняты показатели работы электрогидравлической форсунки с неразгруженным управляющим клапаном и поршнем–мультипликатором (ЭГФ-2), так как именно данная конструкция является более распространенной.
Анализ критериев качества показывает, что по конструктивным, массогабаритным критериям, по критерию запаздывания и критерию коррекции основной дозы топлива преимуществом обладает ЭГФ-1. Это связано с принципом разгруженности управляющего клапана и его меньший массой. По критериям управляемости, четкости окончания впрыскивания и получения минимальных доз топлива преимуществом обладает ЭГФ-2. Это связано с наличием мультипликатора и использованием отрицательной обратной связи по подъему поршня-мультипликатора, что сокращает расход топлива на управление и дает более четкое окончание впрыскивания, что, в свою очередь, позволяет получить более малые дозы топлива.
Результаты расчетно - экспериментального анализа ЭГФ по допустимым границам изменения параметров определяющих элементов форсунок (жиклеров, управляющего клапана и затвора поршня-мультипликатора) и рекомендации по уточнению алгоритма управления дизелем, связанные с влиянием величины предварительного впрыска на основной впрыск, использованы на ОАО «ЯЗДА» при разработке аккумуляторных топливных систем для отечественных дизелей.
ВЫВОДЫ
- Проведенный анализ конструктивного исполнения и параметров серийно выпускаемых аккумуляторных топливных систем типа «Common Rail» показал, что в группе электрогидравлических форсунок с однозатворными управляющими клапанами с электромагнитным управлением получили распространение две конструктивно различающиеся схемы: с разгруженным от давления топлива управляющим клапаном с конусным затвором (ЭГФ-1) и с неразгруженным от давления топлива управляющим клапаном и поршнем-мультипликатором (ЭГФ-2). По схеме ЭГФ-1 выполнены форсунки с электромагнитным управлением фирмы Delphi. По схеме ЭГФ-2 выполнены форсунки фирмы Bosch.
- Разработаны математические модели и программы расчета аккумуляторной топливной системы с двумя конструктивными схемами электрогидравлических форсунок (ЭГФ-1 и ЭГФ-2), позволяющие с достаточной для инженерных расчетов точностью проводить аналитическое исследование их рабочих процессов и определять расчетным путем необходимые параметры управляющих жиклеров и клапанов форсунки, обеспечивающих стабильность многофазного процесса топливоподачи. Использование данных программ позволит ускорить выполнение работ по созданию и доводке отечественной аккумуляторной топливной системы.
- Разработаны критерии качества ЭГФ, позволяющие проводить сравнительный количественный анализ электрогидравлических форсунок различного конструктивного исполнения.
- Установлено, что при многофазном процессе топливоподачи впрыскивание предварительной порции топлива оказывает влияние на величину основной дозы топлива, причем степень этого влияния зависит, главным образом, от конструктивной схемы электрогидравлической форсунки. Учет данного явления необходимо отразить путем корректировки алгоритма управления аккумуляторной системой.
- Расчетный анализ аккумуляторной топливной системы с ЭГФ-1 показал, что наибольшее влияние на процесс топливоподачи оказывает величина эффективного проходного сечения жиклера на входе в камеру управления. Практическая потеря управляемости системы при уменьшении площади сечения жиклера в 2 раза относительно базового варианта проявляется в полном искажении процесса топливоподачи. При увеличении площади сечения этого жиклера управляемость восстанавливается и увеличивается интенсивность впрыскивания, как в начальной, так и конечной стадии впрыскивания. В ЭГФ-2 наиболее сильное влияние на производительность аккумуляторной системы и весь процесс топливоподачи оказывает жиклер на входе в управляющую камеру. При уменьшении диаметра жиклера в 2 раза в зоне малой продолжительности управляющего импульса линейность характеристики нарушается и управляемость многофазным процессом топливоподачи ухудшается.
- Расчетно-экспериментальный анализ показал, что при работе аккумуляторной системы с ЭГФ-2 благодаря наличию отрицательной обратной связи по подъему мультипликатора обеспечивается меньший (по сравнению с ЭГФ-1) расход топлива на управление при увеличенных цикловых подачах топлива и высоких давлениях в аккумуляторе, то есть на режимах, определяющих требования к производительности ТНВД. Кроме того, поршень-мультипликатор в ЭГФ-2 повышает качество управления малыми дозами топлива и четкость окончания впрыскивания за счет увеличения действующих на иглу форсунки сил. Соответственно критерии оценки управляемости Купр, четкости окончания впрыскивания Ко.впр и получения малых доз топлива Кмин.д имеют на 20…55 % лучшие значения для ЭГФ-2 по сравнению с ЭГФ-1.
- В результате проведенных экспериментальных исследований элементов и узлов серийно выпускаемых аккумуляторных систем топливоподачи с ЭГФ двух типов, установлено, что для ЭГФ-1 характерно меньшее в среднем в 1,5 раза запаздывание формирования переднего фронта впрыскивания относительно момента начала подачи управляющего импульса. Данный тип электрогидравлических форсунок позволяет обеспечивать при необходимости меньшие интервалы между впрыскиваниями.
- Использование разгруженных от давления топлива управляющих клапанов (ЭГФ-1) позволяет существенно уменьшить массу и габариты, как самого клапана, так и электромагнита, а также требует меньшей энергии на управление электромагнитным клапаном.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах:
- Мазинг М.В., Пинский Ф.И., Олисевич О.В. Дизельные аккумуляторные топливные системы нового поколения типа «Сommon rail» // Мобильная техника». – 2004 г. - №1. С. 31-36.
- Олисевич О.В. Влияние экологических норм на развитие конструкции и параметров топливных систем аккумуляторного типа для автомобильных дизелей // Тезисы докладов международного симпозиума «Образование через науку». Москва: 2005 г. - С. 425-426.
- Сиротин Е.А.,. Олисевич О.В. Развитие конструкций аккумуляторных систем топливоподачи // Труды НАМИ. Вып. 237. - Москва: 2005 г. - С. 76-82.
- Олисевич О. В. Современные системы топливоподачи транспортных дизелей // Сборник научных трудов по проблемам двигателестроения, посвященный 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана. – М.: 2005 г. - С.54-58
- Курманов В.В., Олисевич О.В., Скороделов С.Д. Расчетно-экспериментальный анализ рабочего процесса электрогидравлической форсунки аккумуляторной системы топливоподачи // Труды НАМИ. Вып. 238. – Москва: 2006 г. - С.95-103.
- Олисевич О.В. Расчетная математическая модель электрогидравлической форсунки с разгруженным от давления топлива управляющим клапаном /Сборник научных трудов по материалам международной конференции «Двигатель-2007», посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н. Э. Баумана. – Москва: 2007 г. - С.265-269.
- Курманов В.В., Олисевич О.В., Скороделов С.Д. Математическое моделирование работы электрогидравлической форсунки с разгруженным от давления топлива управляющим клапаном // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. – 2007 г. - №4. С.82-91.
