Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы разработки топливной аппаратуры для перспективных дизелей 12
1.1. Роль топливоподающей аппаратуры в проблеме создания экономичного, экологичного дизеля 12
1.2. Направления и перспективы совершенствования топливоподающей аппаратуры транспортных дизелей 22
1.3. Возможности и проблемы создания аккумуляторных топливных систем с электронным управлением 29
1.4. Задачи исследования 40
2. Расчетно-теоретическое исследование аккумуляторных топливных систем с электронным управлением 41
2.1. Математическая модель для исследований и оптимизации высоконапорных топливных систем аккумуляторного типа 41
2.2. Моделирование электроуправляемых форсунок аккумуляторных топливных систем 53
2.3. Модель для расчета утечек в зазорах прецизионных пар клапанов, мультипликаторов, игл и плунжеров 57
2.4. Демпфирование движения быстродействующих прецизионных элементов аккумуляторных топливных систем 64
2.5. Моделирование наполнения насосных секций ТНВД 72
3 Исследование электроуправляемых форсунок для аккумуляторных топливных систем 76
3.1. Критерии оптимизации электроуправляемых форсунок 76
3.2. Расчетный анализ электромеханических форсунок с гидравлической разгрузкой 78
3.3. Анализ электрогидравлических форсунок с дроссельным управлением и обратными связями 85
3.4. Расчетное исследование электрогидравлических форсунок с многопозиционными золотниками и двухзатворными клапанами 100
3.5. Исследование и оптимизация электрогидравлических форсунок со следящим приводом 109
4 Теория и проектирование топливных насосов высокого давления аккумуляторных топливных систем 127
4.1. Выбор схемы и базовых технических решений топливных насосов высокого давления аккумуляторных топливных систем 127
4.2. Определение основных параметров топливного насоса высокого давления и аккумулятора 137
4.3. Проектирование главного подшипника топливного насоса высокого давления 141
4.4. Проектирование клапанов 147
4.5. Расчет производительности топливного насоса высокого давления при малых частотах 149
4.6. Ограничение быстроходности по наполнению плунжерной полости, разрывы кинематических связей 153
4.7. Расчет оптимальных давлений впрыскивания в поле режимов дизеля 158
5. Экспериментальное исследование компонентов аккумуляторных топливных систем 166
5.1. Безмоторный топливный стенд и система измерений для испытаний аккумуляторных топливных систем 166
5.2. Испытания экспериментального ТНВД МГТУ им. Н.Э. Баумана и серийного аналога 169
5.3. Работоспособность нагнетательных клапанов 176
5.4. Экспериментальное исследование электрогидравлической форсунки 177
5.5. Оценка точности измерений 182
Выводы 185
Список литературы 187
- Направления и перспективы совершенствования топливоподающей аппаратуры транспортных дизелей
- Моделирование электроуправляемых форсунок аккумуляторных топливных систем
- Расчетный анализ электромеханических форсунок с гидравлической разгрузкой
- Определение основных параметров топливного насоса высокого давления и аккумулятора
Введение к работе
Ужесточение экологических требований предъявляемых к современным транспортным двигателям внутреннего сгорания, в частности, планируемое введение в Российской Федерации норм токсичности EURO-2 и затем EURO-3, заставляет конструкторов и исследователей искать пути снижения вредного воздействия двигателей внутреннего сгорания на окружающую среду. Значительная роль в этом отводится улучшению топливоподачи и, как следствие, совершенствованию топливной аппаратуры, которое заключается в повышении давления впрыскивания, обеспечении возможности регулирования давления впрыскивания в зависимости от режима дизеля, управления характеристикой впрыскивания, организации многофазного впрыскивания, внедрении электронного управления процессом топливоподачи. Реализовать эти требования позволяет применение аккумуляторных топливных систем с электронным управлением. По возможностям оптимального регулирования давления впрыскивания и характеристики впрыскивания, организации многофазного впрыскивания аккумуляторные топливные системы значительно превосходят другие типы топливной аппаратуры с электронным управлением. Компактность, удобство компоновки этих систем на дизеле также способствует их все более широкому распространению.
Ввиду того, что опыт проектирования, испытаний, применения таких систем в Российской Федерации невелик, а опыт разработки традиционной топливной аппаратуры зачастую нельзя применить к аккумуляторным топливным системам, возникает ряд проблем при их создании. Накопление опыта создания аккумуляторных топливных систем, разработка теоретических основ проектирования их компонентов с применением математического моделирования, параметрической и дискретной оптимизации топливной аппаратуры совместно с оптимизацией рабочего процесса дизеля является необходимостью на данном этапе развития двигателестроения в Российской Федерации.
Цель работы: создание наиболее важных компонентов топливных систем нового поколения для перспективных дизелей.
Научная новизна результатов работы усматривается в следующем:
• разработаны уточняющие математические выражения для описания гидродинамического трения в малых зазорах, для утечек в прецизионных парах с противодавлением, для расчета наполнения плунжерной полости;
• сформулированы критерии оптимизации ЭГФ CR;
• в сравнительном исследовании выявлены достоинства и недостатки различных электроуправляемых форсунок для CR;
• разработаны теоретические основы проектирования ТНВД CR.
Методы исследования. Математическое моделирование, включая расчеты и оптимизацию ЭГФ и ТНВД, проводились с использованием программного обеспечения, разработанного в МГТУ им. Н.Э. Баумана и усовершенствованного в части адекватного описания процессов в системах CR. Экспериментальное исследование проводилось на безмоторных топливных стендах с системой регистрации на ЭВМ и оригинальным оборудованием, спроектированным автором.
Достоверность и обоснованность научных положений работы обусловливаются:
• использованием общих уравнений механики, гидродинамики, теплофизики, термодинамики, а также их соответствием выявленным особенностям протекания физических процессов;
• соответствием расчетных результатов экспериментально зарегистрированным;
• применением современных высокоточных автоматизированных средств измерения параметров топливоподачи;
• согласованием частных полученных результатов с известными.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
• усовершенствована модель и программа для расчета и оптимизации топливных систем с электронным управлением;
• даны рекомендации по выбору типов ЭГФ и ЭМФ для CR;
• оптимизированы конкретные образцы конструкций ЭГФ и ЭМФ;
• создана эффективная конструкция ТНВД CR, обеспечивающая подачу топлива под давлением 200 МПа;
• разработаны рекомендации и методы расчета ТНВД CR.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
• дополнения математической модели расчета топливоподачи и оптимизации топливной аппаратуры в части уточненной оценки утечек в прецизионных парах, гидродинамического сопротивления движению прецизионных деталей, наполнению плунжерной полости при регулировании производительности ТНВД дросселированием на всасывании;
• сформулированные критерии оптимизации ЭГФ систем CR;
• результаты сравнительных исследований электроуправляемых форсунок различных схем и предложения их усовершенствования;
• выявленные ограничительные факторы при проектировании ТНВД CR, способы их оценки;
• методика расчета производительности ТНВД CR и рекомендации по его проектированию;
• образец перспективного ТНВД CR для быстроходного дизеля.
Реализация работы. Результаты работы в части расчетной оптимизации конструкции ЭГФ использовались в БашГАУ, в ООО «ППП Дизельавтоматика», ОАО НИКТИД.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Юбилейной научно-технической конференции, посвященной 30-летию ЯЗДА (г. Ярославль, 2002 г.), Международной научно-технической конференции «Автомобильный транспорт в 21 веке» (г. Нижний Новгород, 2003 г.),
Всероссийском научно-техническом семинаре по автоматическому регулированию теплоэнергетических установок при МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2003 г.), а также на заседаниях кафедры поршневых двигателей МГТУ им. Н.Э. Баумана с 2001 по 2004 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Она включает 195 страниц основного текста, содержащего 10 таблиц и 133 рисунка, а также 9 страниц списка литературы из 85 наименований.
Направления и перспективы совершенствования топливоподающей аппаратуры транспортных дизелей
Как было уже сказано выше, создание экологичного экономичного дизеля во многом определяется совершенствованием топливной аппаратуры. Так наиболее высокое давление впрыскивания достигается при использовании насос-форсунок (рис. 1.1), что обусловлено значительным сокращением ЛВД [83]. Долгое время практический интерес к насос-форсункам был небольшой, что объяснялось увеличенными габаритами и сложностью организации регулирования механическим всережимным регулятором. Современные насос-форсунки (по классификации фирмы «BOSCH» UIS - Unit Injector System) оборудованы двухступенчатым электроуправляемым дозирующим клапаном, позволяющим организовать двухступенчатое впрыскивание. Также достоинствами насос-форсунок являются компактность, улучшение стабильности гидравлических функций, благодаря «жесткой» системе высокого давления, возросшая эффективность гидравлики, благодаря снижению объема высокого давления. Насос-форсунка фирмы «BOSCH» и мгновенные характеристики ее работы приведены на рис. 1.5.
Индивидуальные топливные насосы с гидроуправляемыми форсунками и двухступенчатыми дозирующими клапанами (по классификации фирмы «BOSCH» UPS - Unit Pump System) являются наиболее простыми электроуправляемыми топливными системами (рис. 1.6). Основные достоинства ИТН состоят в высокой унификации с традиционной ТПА, и вместе с тем, в возможности получения ступенчатой характеристики впрыскивания. При этом достигается давление впрыскивания до 200 МПа. На сегодняшний день, в условиях российского дизелестроения, ИТН наиболее перспективны. Они разрабатываются и производятся на ЯЗТА — ЯЗДА. Разработкой и производством электроуправляемых дозирующих клапанов занимается ПО «Дизель-автоматика». Аккумуляторные топливные системы - более высокий качественный уровень в отношении управления процессом подачи топлива и формировании характеристики впрыскивания по сравнению с насос-форсунками и ИТН. Аккумуляторные топливные системы разрабатывались в КФ ВЗПИ с 1967 года научным коллективом под руководством Пинского Ф.И [46, 48]. Серийное производство аккумуляторных топливных систем, получивших английское название «COMMON RAIL» (дословный перевод — «общая магистраль») началось с 1997 года. Производством «COMMON RAIL» занимаются такие известные фирмы, как «BOSCH», «SIEMENS», «DELPHI», «L ORANGE». Из отечественных ученых наибольших успехов в разработке и исследовании «COMMON RAIL» добились: Габитов И.И., Голубков Л.Н., Грехов Л.В., Мазинг М.В., Пинский Ф.И. До 2010 года прогнозируется значительный спрос на системы «COMMON RAIL» (рис. 1.7). Это объясняется рядом преимуществ этих топливных систем: Возможность организации многофазного впрыскивания (предварительное впрыскивание сверхмалых объемов для уменьшения периода задержки воспламенения, основная подача, короткое интенсивное подвпрыскивание для интенсификации окисления продуктов неполного сгорания, позднее впрыскивание на такте выпуска небольшой порции топлива для восстановления оксидов азота в катализаторе DeNOx).
Возможность управления подачей топлива в широких пределах, формирование характеристики впрыскивания основной порции различной формы.
Применение ТНВД со сниженной нагруженностью привода и меньшей виброактивностью. Высокое давление впрыскивания (150 - 200 МПа). Компактность, удобство компоновки на дизеле. Стабильное, надежное функционирование.
Исходя из вышесказанного, можно сказать, что разработка, производство, внедрение топливных систем «COMMON RAIL» является одним из важнейших направлений развития современной топливной аппаратуры дизелей. Следующим шагом в направлении совершенствования топливной аппаратуры является создание систем с мультипликаторами давления [2, 80].
Система APCRS (рис. 1.8), разработанная фирмой «BOSCH» обладает расширенными возможностями управления характеристикой впрыскивания. Отличительной особенностью данной системы является наличие мультипликатора давления. В APCRS реализована возможность питания форсунки, как от аккумулятора, минуя мультипликатор давления, так и от мультипликатора с повышенным давлением относительно аккумулятора. Такая организация подачи топлива обладает возможностями более широкого управления, дозирования сверхмалых цикловых подач, необходимых для снижения периода задержки воспламенения. Применение мультипликатора давления позволяет также получить лучшие динамические характеристики по сравнению с «COMMON RAIL», что объясняется низким давлением в аккумуляторе. Так, при давлении впрыскивания 200 МПа, давление в аккумуляторе составляет всего 85 МПа.
Моделирование электроуправляемых форсунок аккумуляторных топливных систем
Здесь рассмотрим только примеры и особенности моделирования электромеханических (ЭМФ) и электрогидравлических (ЭГФ) форсунок. Возможность моделирования форсунок различных схем обусловлена структурой построения универсального алгоритма для расчетных программ, допускающих синтез ТПА на основе примитивов, которыми могут быть объемы, трубопроводы, акустически короткие связи, обобщенные регулирующие узлы, понимаемые как клапаны любого вида или золотники с жиклерами, один из которых включен последовательно, другой параллельно клапану, а также насосные секции, распылители с любыми клапанами, плунжерные мультипликаторы. Типовая обобщенная схема ТПА, из которой в разное время получались более простые схемы ТПА, подвергавшиеся анализу, представлена в качестве примера на рис. 2.4.
На рис. 1.11 представлены ЭМФ, которые в последующем подвергались расчетному анализу. Все они моделировались с использованием записи уравнения движущегося, гидравлически и электрически управляемого тела с конечным числом площадок, на которые действуют свои давления. Для дизелей практический интерес представляют только ЭМФ с разгружающим плунжером. Физически эта обобщенная конструкция ближе всего к форсунке с запорной иглой и мультипликатором запирания, жестко с ней скрепленного, а также электромагнитного привода. В зависимости от рассматриваемой схемы (рис. 1.11) атмосферное давление или давление в аккумуляторе могли назначаться над иглой или над мультипликатором. Если в двух первых ЭМФ площадь плунжера приравнивается площади по линии контакта запорного конуса иглы, то в двух последних — дифференциальной площадке иглы. Над мультипликатором могла располагаться как полость слива, так и замкнутая полость конечного объема, для которой решалось уравнение баланса (2.14).
Форсунки с управлением подачи топлива в распылитель рассматриваются в диссертации и являлись первыми в промышленных аккумуляторных системах прошлого столетия. В этом случае, как и в традиционной ТПА имеется возможность использования форсунок любого типа. Электроуправление системой реализовывалось в расчетной модели путем размещения в канале подвода топлива в распылитель электроуправляемого клапана, а полость форсунки разделялась на две.
При размещении в канале распылителя двухзатворного клапана или трехпозиционного золотника (рис. 1.12) использована возможность моделирования форсунки с попеременной подачей давления аккумулятора или слива в надыгольную и подыгольную полости, с гидроусилением привода управляющего золотника.
Наибольшее практическое значение имеют ЭГФ с дроссельным управлением (рис. 1.13). Обобщенный регулирующий узел, как простейший, представляет собой не клапан, а жиклер. Также, в частном случае, жиклер может иметь место в канале слива через клапан или как самостоятельный элемент - в канале распылителя.
Наиболее эффективны и перспективны ЭГФ с обратными связями. В первых двух ЭГФ, изображенных на рис. 1.14, в качестве дополнительного регулирующего сечения использовано переменное дросселирующее сечение верхнего торца мультипликатора запирания, причем удаление торца от седла, т.е. боковая поверхность цилиндра (высота усеченного конуса), определяющего сечения дросселя, равна разнице максимального и действительного подъемов иглы. В конструкции по рис. 1.14, в применяется двусторонний автоматический клапан с параллельными дросселями.
Наиболее специфическим из рассмотренных конструкций математических описаний относится к конструкции ЭГФ с глубокой отрицательной обратной связью (следящим приводом), на рис. 2.8, г. Она подробно исследовалась в диссертации и, безусловно, является одной из эффективных и сложных в описании. В математической модели заложено совмещение управляющих окон золотника не только с ходом золотника, но ввиду отрицательной обратной связи - и с ходом иглы — см. выражение (2.20).
Наконец, особого внимания заслуживают ЭГФ с особыми видами управляющих клапанов (рис. 1.15). Все они доступны для расчетных исследования с помощью описанной математической модели. В частности, применяются золотники, разгруженные с помощью плунжеров клапаны, расположенные выше и ниже камеры управления, двусторонние и обратно перемещаемые клапаны, а также иные не упомянутые.
Расчетный анализ электромеханических форсунок с гидравлической разгрузкой
ЭМФ с непосредственным подъемом иглы электромагнитом, даже усовершенствованным, неперспективны ввиду значительности усилия от давления топлива [8]. Более перспективное направление — создание ЭМФ с гидравлически разгруженной иглой. В них электропривод обязан лишь преодолеть инерции относительно массивной иглы. ЭМФ с разгружающим плунжером без жиклера в канале подачи топлива в распылитель (рис. 1.11, а) обеспечивает устойчивую работу только в узком диапазоне соотношений между диаметром разгружающего плунжера и диаметром линии контакта в запорном конусе (рис. 3.1). При этом известно, что в процессе эксплуатации последний изменяется в результате смятия и износа конуса. Но даже в диапазоне работоспособности достаточная устойчивость подачи и стабильная характеристика gu==f(x0TKpKJI) не обеспечивается. Это связано с недостаточностью открывающей и закрывающей иглу равнодействующих сил на фоне прочих возмущений. Этим также объясняется вялое открытие и (или) закрытие иглы (рис. 3.2). Изменяя соотношение диаметров, увеличиваем один фронт зависимости PBnp=f(T) в ущерб другому. Улучшить ситуацию может использование электроприводов с большим усилием. В данном случае, как и для всех других исследуемых форсунок в расчете принято усилие электропривода при поднятии якоря в режиме удержания 300 Н (30 кГ). ЭМФ с разгружающим плунжером с жиклером в канале подачи топлива в распылитель (рис. 1.11, б) позволяет сохранить большую гидравлическую разгруженность иглы при ее подъеме.
Очевидно, что для выполнения этой функции он должен быть специально подобран. Кроме того, его оптимизация должна быть увязана с оптимизацией других параметров ЭМФ. Рис. 3.3 показывает, что при произвольных диаметрах плунжера и сечении жиклера устойчивое впрыскивание или даже работоспособность невозможны. При некоторых значениях управляемая по величине подача достигается только в режиме многофазного (в частности двухфазного) впрыскивания (зона "б") и только в довольно узкой зоне "а" - управляемая, устойчивая однофазная подача. Управляемая подача, соответствующая "а" "б" иллюстрируется также рис. 3.4. Можно видеть, что правильно подобранная величина jiF снижает давление впрыскивания с 127 до 121 МПа, но обеспечивает более крутой задний фронт характеристики впрыскивания за счет лучшей гидравлической разгруженности иглы. Последним тестом этой ЭМФ стало выявление минимальной подачи и зависимости gu=f(TM-npHB)- Результаты оказались несколько неожиданными: в такой ЭМФ обеспечиваются весьма малые цикловые подачи (до 0,5 мг), но характеристика gu=f(T3n-npHB) имеет неустранимый провал в области малых и средних подач (рис. 3.5), что неприемлемо для регулирования цикловых подач. Появление участка с отрицательной производной связано с переходом от режима работы без выхода иглы на упор на режим с выходом на упор.
К сожалению, этот недостаток не удается устранить ни изменением хода иглы, ни Рдкк, диаметра плунжера, сечения жиклера и др. ЭМФ с разгружающим плунжером, глухой камерой управления и жиклером (рис. 1.11, г) позволяет разрешить противоречие между требованиями получения высоких Рвпр и быстрого закрытия иглы при соблюдении устойчивой подачи. При малом объеме камеры над плунжером подъем иглы обусловливает повышение давления над ним за счет сжатия топлива. Как иллюстрируется на рис. 3.6, можно подобрать величину объема таким, чтобы это повышение компенсировало увеличение площади запорного конуса, к которому прикладывается высокое давление впрыскивания с учетом снижения давления в кармане за счет увеличения его объема от подъема иглы и дросселирования в жиклере. В таких ЭМФ достигается наибольшее среднее давление впрыскивания и скорость закрытия иглы (рис. 3.7). С учетом простоты реализации это решение имеет также несомненное достоинство. Для подпитки надплунжерной камеры управления она может быть соединена через обратный клапан с входным штуцером форсунки. Однако, этого не требуется: утечки из камеры легко компенсируются обратными перетечками за длительный период между впрыскиваниями. Оптимизацией объема глухой камеры управления удалось обеспечить монотонность характеристики подачи (рис. 3.8). Это достигнуто тем, что на всех рабочих режимах игла не находится на упоре (рис. 3.9). Ввиду значительного дросселирования топлива в запорном конусе приходится мириться с уменьшенным давлением впрыскивания ( Рвпр=101 МПа). По этой же причине влияние жиклера меньшее, поэтому оказалось целесообразным его увеличить (црж=0,85 мм2).
Определение основных параметров топливного насоса высокого давления и аккумулятора
Определение параметров ТПА производилось для ТПА дизеля - ЗМЗ-514.10. Его номинальными параметрами приняты частота вращения п=4200 мин", цикловая подача gu = 40 мг, максимальное давление в аккумуляторе Рак = 150МПа.
Методика определения основных параметров ТНВД топливных систем «COMMON RAIL» изложена в [20].
Минутный объемный расход топлива для обеспечения подачи в где т. - тактность (2 или 4). Однако в действительности необходимая производительность должна быть скорректирована по ряду причин. Во-первых, все электрогидравлические форсунки имеют дополнительные расходы: утечек в распылителе, утечек в мультипликаторе (плунжере) запирания, утечек в электроуправляемом клапане (золотнике), а также прямой расход на управление. В качественно выполненной форсунке решающим является последний. Таким образом,
На основании расчетного исследования форсунки на номинальном и режиме максимума крутящего момента отработанной конструкции имели кфорс=1Л ...1,35. Гарантировано устойчивую работу на всех режимах, монотонную характеристику gir Toncp101) обеспечивают форсунки с кфорс=1,2...1,25. Меньшие значения относятся к меньшим подачам и большим частотам вращения.
Во-вторых, не очевиден режим работы дизеля, предъявляющий наиболее жесткие требования к производительности ТНВД. Режим пуска - поверочный, требующий сохранения производительности при малых частотах, т.е. с большими утечками в насосе и форсунках. Насос должен обеспечить на пусковых частотах заданные производительность и давление подачи (рис. 4.8).
В третьих, необходимо обеспечить динамический резерв с учетом переходных режимов. Современные системы «COMMON RAIL» на каждом режиме обеспечивают оптимальные давления в аккумуляторе (рис. 4.9). Получение подобной диаграммы для конкретного дизеля - самостоятельная задача. Наиболее критичны переходные режимы, связанные с изменением нагрузки дизеля, ввиду их меньшей длительности. Будем исходить из обеспечения быстрого наброса нагрузки в середине диапазона рабочих частот, при которых наблюдается наибольшие различия в давлениях впрыска - зоне максимума крутящего момента. Так, согласно рис. 4.9 при п=3 000 мин 1 давление изменяется вдвое: от 60 до 120 МПа.
Расчет динамического резерва требует задания времени переходного процесса в CR с учетом объема аккумулятора. Дополнительный расход АОдин.рез. находится из условий объемного баланса: где VE — суммарный объемный расход топлива (включая расход на управление), ак - средний коэффициент сжимаемости в диапазоне давлений Ра Рактах 08 = 35-1О-5МПа-1).
При вычислении объема аккумулятора необходимо задаться допустимой амплитудой колебаний давления ДР (АР = 5 МПа).
С другой стороны, необходимый Уак подбирается из условия обеспечения быстроты протекания переходных процессов. Так как для автомобильного дизеля оптимальное Рак меняется в достаточно широких пределах (рис. 4.9), следует минимизировать VaK с целью более быстрого наполнения аккумулятора при переходных режимах.
Из условия обеспечения приема нагрузки при переключении передач и повышения момента при движении автомобиля, оценивая Atnn=0,4 с и при объеме аккумулятора VaK=30 мл запас производительности AQflHH.pe3.=:0,125 л/мин.
С учетом различия частот вращения на рассматриваемых режимах и выбранной частоты вращения вала ТНВД производительность насоса за один оборот его вала (цикл насоса) может быть вычислена
