Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния и перспектив развития малогабаритных двухтактных ДВС 4
1.1 Специфика конструкции, эксплуатации и применения двухтактных ДВС 6
1.2 Применение впрыскивания топлива как основное направление совершенствования характеристик ДВС с искровым зажиганием 14
1.3 Основные схемы и классификация современных систем впрыскивания топлива в двухтактных ДВС 20
1.3.1 Пневматические системы впрыскивания 21
1.3.2 Гидродинамические системы впрыскивания 32
1.3.3 Механические системы впрыскивания 39
1.4 Анализ теоретических аспектов, определяющих совершенствование процесса сгорания при применении непосредственного впрыскивания 47
1.5 Выводы по первой главе 54
1.6 Задачи исследования ^ 55
ГЛАВА 2. Расчетно-теоретический анализ закономерностей топливоподачи и обоснование конструкции топливного насоса для системы непосредственного впрыскивания с механическим приводом 57
2.1 Теоретический анализ конструкции топливоподающего насоса 57
2.2 Влияние повышенной частоты вращения на наполнение топливного насоса 63
2.3 Закономерности подачи топлива при приводе толкателя эксцентриком .66
2.4 Регулирование двухтактного ДВС, оснащенного системой непосредственного впрыскивания топлива 76
2.5 Снижение выбросов вредных веществ 80
2.6 Выводы по второй главе 90
ГЛАВА 3. Проектирование и испытание системы непосредственного впрыс кивания топлива. Создание экспериментальной установки 92
3.1 Цель разработки 92
3.2 Описание конструкции системы 92
3.3 Модернизация систем испытательного стенда 95
3.3.1 Система питания 96
3.3.2 Испытание системы подачи топлива 98
3.3.3 Методика и программа испытаний 99
3.3.4 Результаты испытаний системы топливоподачи 100
3.3.5 Система смазки 102
3.4 Экспериментальная установка 107
3.5 Оценка погрешностей измерения 115
3.6 Выводы по третьей главе 117
ГЛАВА 4. Испытания двигателя с непосредственным впрыскиванием топлива 118
4.1 Программа и методика испытаний 118
4.2 Результаты экспериментальных исследований 121
Основные выводы по работе ..153
Литература
- Применение впрыскивания топлива как основное направление совершенствования характеристик ДВС с искровым зажиганием
- Гидродинамические системы впрыскивания
- Влияние повышенной частоты вращения на наполнение топливного насоса
- Модернизация систем испытательного стенда
Введение к работе
Поршневые двигатели внутреннего сгорания в силу совокупности комплекса механизмов, систем и специализированных устройств, обеспечивающих и контролирующих преобразование в механическую работу части тепловой энергии, являются конечным продуктом производства различных по специализации промышленных предприятий. К настоящему времени развиты колоссальные мощности по выпуску как непосредственно самих двигателей внутреннего сгорания (ДВС), так и специализированных агрегатов и систем в их составе. В их проектировании, производстве и эксплуатации заняты миллионы людей, т.е. сложилась целая отрасль человеческой деятельности со своей социальной и технической спецификой. В настоящее время поршневые ДВС, оставаясь наиболее экономичными машинами, имеют суммарную установленную мощность, в несколько раз превышающую вырабатываемую всеми другими источниками, включая гидравлические, тепловые и атомные станции. Следует отметить как явное преимущество этих источников энергии их мобильность. Это установившееся состояние, характерное как для всего мира, так и для ряда стран СНГ, включая Беларусь, в обозримой перспективе по целому ряду причин измениться не может, т.е. на ближайшие десятилетия, как поршневое двигате-лестроение так и сопутствующие ему отрасли народного хозяйства будут являться крупнейшими потребителями минеральных и трудовых ресурсов.
В этой связи имеет смысл остановиться на трех основных проблемах развития двигателей, предназначенных для использования их в составе мобильных транспортных средств и средств малой механизации (СММ).
Первая из них - повышение эколого-экономических показателей при одновременном увеличении уровня форсирования.
Вторая - необходимость резкого сокращения сроков разработки конструкций двигателей.
И, наконец, третья проблема заключается в дальнейшем неуклонном повышении надежности и ресурса в условиях встречной необходимости одновременного снижения удельной материалоемкости и увеличения уровня форсирования двигателей.
Одним из перспективных путей решения перечисленных проблем является применение двухтактных ДВС. Основные положительные преимущества двухтактных ДВС перед двигателями, работающими по четырехтактному циклу это повышенные мощностные показатели, уменьшенные удельная масса и габаритный объем, отсутствие механической системы газораспределения, простота конструкции и др. К особенностям этих двигателей также можно отнести большие резервы по уменьшению их массово - габаритных показателей и фор-сировке как по степени сжатия горючей смеси є, так и по скоростному режиму. Эти преимущества обуславливают более низкую стоимость этого класса двигателей в целом, и в частности более низкую стоимость ремонта и обслуживания.
Двухтактным ДВС свойственна низкая экономичность, высокая эмиссия вредных веществ в отработавших газах (ОГ), повышенные уровни шума. Топливная экономичность двухтактных ДВС с искровым зажиганием существенным образом может быть улучшена при переходе от внешнего смесеобразования на внутреннее, применении автономной системы смазки и более совершенной системы зажигания. С повышением топливоэкономических показателей двухтактных ДВС с искровым зажиганием уменьшается токсичность ОГ, особенно по углеводородам.
Применение впрыскивания топлива как основное направление совершенствования характеристик ДВС с искровым зажиганием
В настоящее время, руководствуясь работами [4, 37, 40] можно принять следующую классификацию систем впрыскивания. Предлагаемая классификация не исчерпывает всех возможных вариантов, однако, охватывает практически все системы, используемые в настоящее время на двух- и четырехтактных ДВС. 1 .По месту подачи топлива: - центральное одноточечное впрыскивание; - распределенное впрыскивание; - непосредственное впрыскивание в цилиндры. 2. По способу подачи топлива: - системы непрерывного впрыскивания; - системы с циклической подачей. 3. По типу узлов, дозирующих топливо: - системы с плунжерными насосами; - системы с дозаторами-распределителями; - системы с электромагнитными форсунками: - системы с регулятором давления топлива. 4. По основным параметрам регулирования состава смеси: - по разряжению во впускной системе; - по углу открытия дроссельной заслонки и частоте вращения двигателя; - по разряжению во впускной системе и частоте вращения двигателя; - по часовому расходу воздуха. 5. По способам регулирования количества смеси: - пневматическое регулирование; - механическое регулирование; - электронное регулирование;
Процесс впрыскивания бензина сообщает рабочим циклам некоторые особенности, которых трудно добиться при карбюраторном смесеобразовании. В двигателях, оснащенных системами впрыскивания бензина, уменьшается неоднородность в составе смеси в различных цилиндрах многоцилиндрового ДВС вследствие более точной дозировки топлива, подаваемого в каждый цилиндр; снижается сопротивление впускной системы вследствие отсутствия карбюратора и появляется возможность организации более эффективного процесса продувки камеры сгорания без потери топлива, что обуславливает повышение коэффициента наполнения и некоторый прирост индикаторного коэффициента полезного действия (КПД), а следовательно, и удельной мощности двигателя с непосредственным впрыскиванием по сравнению с теми же параметрами карбюраторного двигателя [17, с. 193]. Лучшая продувка и большая равномерность состава смеси по цилиндрам снижает температуру стенок цилиндра, днища поршня и выпускных клапанов, что в свою очередь позволяет снизить потребное октановое число на 2 - 3 единицы, т.е. поднять степень сжатия без опасности возникновения детонации.
Кроме того, снижается образование оксидов азота при сгорании, и улучшаются условия смазки зеркала цилиндра [10]. К достоинствам впрыскивания топлива относится также независимость протекания процесса смесеобразования от положения двигателя, отсутствие явления обледенения впускной системы, более легкий и надежный пуск двигателя при низких температурах окружающей среды. Двигатели с системами впрыскивания топлива имеют возможность использования более тяжелых топлив благодаря принудительному распылива-нию [39].
Явные преимущества обусловили широкое распространение различных систем впрыскивания, в первую очередь наиболее перспективной аппаратуры впрыскивания для четырехтактных автомобильных ДВС с электронным управлением [4]. Такое явление обусловлено тем, что именно автомобильные ДВС являются крупнейшими потребителями углеводородного топлива и одновременно в виду наибольшей распространенности этого класса двигателей требуется значительное снижение эксплуатационного расхода топлива и уменьшение токсичности ОГ. Впервые в 30 - е годы 20 века фирма "Daimler - Benz" занималась впрыскиванием топлива в цилиндр с целью повышения мощности путем лучшего распределения горючей смеси по цилиндрам. Первый двигатель с непосредственным впрыскиванием был установлен на автомобиле Mercedes -Benz 300 SL, выпуск которого был начат с 1954 года. Вместе с тем система механического впрыскивания бензина, установленная на этом автомобиле, оказалась весьма сложной в производстве и эксплуатации.
Гидродинамические системы впрыскивания
В системах гидродинамического впрыскивания используется принцип гидравлического удара. Исследования [48, 69] по системам этого типа были проведены начиная с 1970 года в г. Цвикау (Германия). Созданная электронная гидравлическая импульсная система для двухтактного двухцилиндрового автомобильного двигателя (Vh = 0,594 л) приведена на рис. 1.12. Принцип действия заключается в превращении кинетической энергии в потенциальную. Система, состоящая из шестеренчатого насоса, редукционного клапана, гидроаккумулятора, фильтра грубой и тонкой очистки создает начальное давление порядка 0,7 МПа. Это давление также при закрытом запорном клапане имеет место в генерирующем трубопроводе. Открытие электромагнитного запорного клапана в определенном моменте вследствие соответствующего сигнала от электронного блока управления, вызывает превращение действующего в трубопроводе давления в скорость течения. Закрытие запорного клапана после определенного срока вследствие повторного сигнала от электронного блока управления, вызывает при условии очень короткого определенного периода задержки небольшую компрессию топлива в место закрытия. Эта компрессия сопровождается повышением давления, которое превышает начальное давление в 6-10 раз и величина которого зависит от свойств трубопровода и топлива. Это повышение давления (гидравлический удар) распространяется со скоростью волны давления (примерно скорость звука) до форсунки и вызывает впрыскивание определенной порции топлива. С другой стороны волна давления распространяется вдоль генерирующего трубопровода, отражается в устройстве для предотвращения кавитации и вторичных волн давления и возвращается к запорному клапану. Цикловая подача в первую очередь определяется амплитудой давления, а также параметрами форсунки и генерирующего трубопровода. Характеристика повышения давления по сравнению с плунжерным насосом не зависит от частоты вращения коленчатого вала. Величина амплитуды давления линейно зависит от скорости течения топлива в генерирующем трубопроводе в момент закрытия запорного клапана, от скорости распространения волны давления и плотности топлива. Эти параметры постоянны для данной системы впрыскивания (ГИСВ). Управление цикловой подачей поэтому реализуется величиной амплитуды давления. Цикловую подачу необходимо изменять от минимума (при холостом ходе) до максимума (при полной нагрузке). Это достигается путем вариации скорости течения в моменте закрытия запорного клапана, причем максимальная цикловая подача осуществляется при максимальной скорости течения топлива, и минимальная цикловая подача при минимальной скорости для данной ГИСВ. Скорость течения топлива регулируется изменением продолжительности открытия запорного клапана при постоянном начальном давлении топлива или изменением начального давления при постоянной продолжительности открытия запорного клапана. Изменение начального давления не оказывается целесообразным, потому что этот способ требует большого числа устройств и деталей. В данной ГИСВ применяется способ регулирования цикловой подачи путем изменения продолжительности открытия запорного клапана при постоянном начальном давлении топлива. В зависимости от характеристики течения топлива и времени закрытия запорного клапана торможение движения топлива при закрытии не всегда мгновенно, но и может осуществляться по определенной функции.
Работа ГИСВ определяется 8 параметрами, которые повышают опасность снижения надежности, но и позволяют оптимизировать систему. Они подразделяются на две группы. В первую группу входят: скорость звука в системе, время действия давления, плотность топлива. Эти параметры зависят, прежде всего, от температуры топлива и изменение этих параметров одинаковым образом влияет на все цилиндры. Изменение этих параметров компенсируется с помощью электронного устройства с датчиком температуры топлива. Во вторую группу входят следующие параметры: начальное давление, давление открытия форсунки, гидравлическое сопротивление, эффективное проходное сечение форсунки, время открытия запорного клапана. Эти параметры определяются точностью изготовления деталей и могут быть разными для каждой линии. Компенсация их влияний возможна только при установке специального электронного блока управления для каждой линии. С экономической точки зрения это не целесообразно. Насосное устройство состоит из шестеренчатого насоса, фильтров грубой и тонкой очистки. Шестеренчатый насос создает давление в системе - 0,7 МПа, находится на одном валу с лубрикатором и приводится в действие от электродвигателя. Сепаратный привод обеспечивает предпусковую подкачку топлива и впрыскивание осуществляется уже при первом повороте коленчатого вала. Производительность шестеренчатого насоса рассчитана на режим полной нагрузки. При средних нагрузках избыток топлива стекает в топливный бак через редукционный клапан. Редукционный клапан обеспечивает давление в системе 0,7 ± 0,02 МПа.
В системе была использована серийная форсунка фирмы Boch DLO 20 D. Форсунка имеет максимальное давление открытия 3,66 МПа, ход иглы 0,255 мм, диаметр отверстия 2,695 мм, массу иглы 0,2 г. Угол распыла топлива составляет до 20.
Смазка трущихся поверхностей двигателя осуществляется масляным туманом. Лубрикатором подаются капли масла во впускной трубопровод после дроссельной заслонки. При испытаниях системы были опробованы нижеследующие варианты. 1. Впрыскивание сверху, є = 9,0. Давление открытия форсунки -4,7 МПа, начальное давление топлива - 0,7 МПа.
Влияние повышенной частоты вращения на наполнение топливного насоса
Повышенная частота вращения может служить причиной ухудшения наполнения нагнетательной полости насоса и снижения коэффициента подачи топливного насоса.
Для анализа качества наполнения надплунжерного объема топливом было исследовано на расчетной модели влияние частоты вращения на динамику изменения величины свободного объема в полости над плунжером. Возникновение свободного объема, т. е. разрыва сплошности жидкого топлива и образование газовых объемов, связано с двумя явлениями. Во - первых, скорость движения плунжера может быть столь высока, что топливо может не успевать заполнять надплунжерный объем и давление в нем может стать ниже давления насыщенных паров топлива. Во - вторых, плунжер перекрывает при обратном ходе наполнительное отверстие и создает разряжение в полости. На рис. 2.4 приведены расчетные кривые изменения величины свободного объема Q4 над плунжером и давления рт в полости при различной частоте вращения кулачкового валика насоса. Расчеты проводились при завышенной цикловой подаче топлива g =23 мм при которой негативный эффект должен проявляться в наибольшей степени.
Как видно из приведенных кривых процесс наполнения заканчивается даже для максимальной частоты вращения валика насоса до геометрического начала подачи ргн = 376 ПКВ. Расчет производился при отсутствии давления подкачки топлива.
В реальной конструкции подкачка топлива должна быть применена по следующим причинам. Температура топлива на входе в насос в летнее время при t0 =30...40 С может достигать 70...100 С [42, с. 195]. Вследствие этого, при использовании бензина, в питающем трубопроводе возникают паровые пробки, которые могут приводить к нестабильной работе топливной аппаратуры и затруднять пуск двигателя после остановки. Чтобы избежать этого, на линии нагнетания давление топлива увеличивают до 0,3 МПа. На рис. 2.5 показаны две кривые изменения свободных объемов в надплунжерной полости при отсутствии давления подкачки топлива и при его значении равном 0,3 МПа.
Из графика видно, что повышение давления подкачки до 0,3 МПа уменьшает продолжительность наполнения на 30 град. ПКВ.
Программа численного эксперимента по выявлению закономерностей то-пливоподачи при приводе толкателя насоса круговым эксцентриком состояла в варьировании частотой вращения валика привода насоса при фиксированном положении рейки управления цикловой подачей топлива. На рис. 2.6 - 2.19 приведены графики изменения в функции угла поворота валика насоса (коленчатого вала двигателя) давления в надплунжерной полости насоса, давления в полости форсунки, величины подъема нагнетательного клапана, хода иглы форсунки и объемной скорости подачи топлива на градус ПКВ. Расчеты проводились для режимов работы в соответствии с табл. 2.2. Как видно из таблицы и построенного на ее основании графика, приведенного на рис. 2.20 величина цикловой подачи топлива при фиксированном положении рейки топливного насоса зависит от частоты вращения валика насоса. Это обстоятельство учитывается в разделе, посвященном рассмотрению принципов регулирования двухтактного двигателя с непосредственным впрыскиванием бензина.
Модернизация систем испытательного стенда
Проведенные предварительные экспериментальные исследования двигателя оборудованного системой топливоподачи с механическим приводом пока зали необходимость доработки систем питания и смазки для обеспечения работоспособности двигателя надлежащим образом во всем рабочем диапазоне частоты вращения.
Установка на двигатель системы питания с непосредственным впрыскиванием от ТНВД модели 63.1111009 приводит через несколько минут работы к нарушению в системе топливоподачи. Двигатель начинает работать с перебоями, теряем мощность, подача топлива при постоянном положении рейки ТНВД снижается. Изучение отмеченного нарушения показало, что причиной нестабильной работы является появление паровой фазы бензина в линии низкого давления ТНВД.
Для устранения отмеченных явлений стендовая система топливоподачи была дооборудована топливопрокачивающим насосом, топливным аккумулятором, топливным фильтром тонкой очистки и линией возврата топлива. Схема топливной системы стенда показана на рис. 3.2.
Работа топливной системы осуществляется следующим образом. Топливо из топливного бака 1 через запорный вентиль 2, фильтр предварительной очистки 3 и электромагнитный клапан 4 попадает в контур циркуляции. Движение топлива по контуру обеспечивается топливоподкачивающим насосом 6 с электроприводом, который забирает топливо из расходомера 5 и нагнетает его в фильтр тонкой очистки 7 объемом 0,7 л. Из фильтра топливо, проходя запорный вентиль 9, через штуцер подвода топлива 10 поступает в полость низкого давления ТНВД 8. Из ТНВД часть топлива поступает к форсунке и в цилиндр двигателя, а оставшаяся часть - через жиклер 11 по линии отвода топлива 12 возвращается в расходомер 5.
Фильтр предварительной очистки обеспечивает фильтрацию топлива от частиц размером более 40 мкм. Он обеспечивает чистоту топлива поступающего из бака в контур циркуляции. В качестве топливоподкачивающего насоса используется роликовый электронасос, обеспечивающий расход топлива до 1 л/мин. Электропитание насоса на стенде может меняться от 0 до 14 В, что позволяет, соответственно, изменять и расход топлива в контуре.
Фильтр тонкой очистки выполняет две функции в системе. Первая -фильтрация топлива, поступающего в ТНВД, от посторонних частиц размером более 5 мкм. Вторая - сглаживание пульсаций давления топлива после подкачивающего насоса с целью улучшения стабильности работы ТНВД.
Жиклер устанавливается в контуре циркуляции на выходе топлива из ТНВД для обеспечения повышенного давления в его полости низкого давления. Величина повышенного давления определяется производительностью подкачивающего насоса, которая задается напряжением электропитания. Создаваемое повышенное давление уменьшает образование газовой фазы в линии низкого давления ТНВД и улучшает наполнение надплунжерного пространства ТНВД при высокой частоте работы.
В расходомере топлива происходит отделение газовой фазы из топлива и осуществляется автоматическое управление электромагнитным клапаном. Электромагнитный клапан периодически открывается по мере расходования из контура определенной дозы топлива.
Штуцер подвода топлива имеет специальную конструкцию, обеспечивающую отвод газовой фазы из полости низкого давления ТНВД. Организация движения топлива в полости низкого давления с помощью штуцера подвода топлива показана на рис. 3.3. Установка перегородки в штуцере позволяет отделить подводимое в головку топливо от отсечного топлива с пузырьками газовой фазы.
