Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса, постановка цели и задач исследования
1.1. Обзор состояния и перспектив развития систем топливопода-чи бензиновых двигателей
1.2. Основы конструкции и функционирования электромагнитных форсунок в системах впрыскивания топлива
1.3. Причины и последствия загрязнения электромагнитных форсунок
1.3.1. Причины и механизм образования загрязнений форсунок 34
1.3.2. Последствия загрязнения электромагнитных форсунок 48
1.4. Способы очистки электромагнитных форсунок и их оценка 49
1.5. Постановка цели и задач исследования 53
Глава 2. Комплексное экспериментальное исследование эксплуатационных изменений рабочих показателей форсунок 55
2.1. Задачи экспериментального исследования 55
2.2. Лабораторная установка для комплексного исследования электромагнитных форсунок
2.3. Объект и методика исследования 63
2.4. Результаты определения количественных рабочих показателей форсунок и их анализ
2.5. Результаты определения качественных рабочих показателей форсунок и их анализ-
2.6. Исследование элементов проточной части форсунок с помощью электронного и оптического микроскопов
Глава 3. Компьютерное моделирование течения топлива через проточную часть форсунки
3.1. Задачи теоретического исследования
3.2. Построение модели
3.3. Описание программного комплекса
3.4. Результаты моделирования и их анализ
Глава 4. Моторные исследования работы двигателя с форсунками различного технического состояния
4.1. Задачи исследования
4.2. Моторный стенд и методика проведения испытаний
4.2.1. Моторный стенд
4.2.2. Методика проведения испытаний
4.3. Результаты испытаний и их анализ
4.4. Способ экспресс-диагностики технического состояния форсунок
4.5. Практическая реализация способа экспресс-диагностики
4.6. Рекомендации по использованию предложенного способа диагностики технического Состояния форсунок
Основные результаты и выводы Список использованной литературы
- Основы конструкции и функционирования электромагнитных форсунок в системах впрыскивания топлива
- Лабораторная установка для комплексного исследования электромагнитных форсунок
- Описание программного комплекса
- Способ экспресс-диагностики технического состояния форсунок
Введение к работе
В настоящее время в мировой, автоиндустрии около 90 % бензиновых
двигателей легковых автомобилей выпускается с системами распределенного
впрыскивания топлива (РВТ), а примерно 10 % - с системами
непосредственного впрыскивания топлива (НВТ). Каждая из этих систем
имеет свои преимущества и недостатки, которые и определяют
целесообразность их применения на различных моделях автомобильных
двигателей. Несомненно, и в дальнейшем обе эти системы впрыскивания
топлива будут совершенствоваться и развиваться в составе комплексного
микропроцессорного управления двигателем*. ;
Важнейшим элементом систем впрыскивания бензина является злектромагнитнаяі форсунка, принцип действия которой предложил Т. Гэтт еще в 1913 году. С того времени форсунка прошла длительный путь эволюционного совершенствования и сегодня последнее поколение форсунок для впрыскивания бензина имеет высокие рабочие показатели. В процессе эксплуатации техническое состояние форсунок, оцениваемое значением их рабочих показателей, неизбежно ухудшается из-за загрязнения элементов проточной части, износа запирающего элемента и седла, отклонения характеристик электромагнитной системы, засорения индивидуальных сетчатых фильтров и др. Эти эксплуатационные изменения рабочих показателей электромагнитной форсунки определяются качеством и составом применяемого топлива, условиями эксплуатации двигателя, особенностями изменения нагрузок при работе двигателя в составе транспортного средства, культурой технического обслуживания автомобильной техники и др.
Эксплуатационные изменения рабочих показателей форсунок (статической и динамической производительности, неравномерности подачи топлива в комплекте форсунок) оказывают сложное и взаимосвязанное
влияние на. энергетические и; экологические характеристики двигателя, его пусковые качества, на динамику транспортного средства.
Существующие способы очистки электромагнитных форсунок (химические, ультразвуковые) часто не дают желаемого эффекта и не позволяют в процессе эксплуатации восстановить их рабочие показатели до исходных значений.
В; нашей стране в настоящее время осуществлен полный переход на системы РВТ в области бензиновых двигателей легковых автомобилей. Однако при этом возникают специфические проблемы, связанные с эксплуатацией этих систем, в основном - из-за невысокого качества: бензина , (по данным Минтранса около 40»% выпускаемого топливаше соответствует действующим, отечественным техническим-регламентам) и недостаточно; высокой культуры эксплуатации автомобильной техники. Во многом эти проблемы і и определяют эксплуатационные изменения рабочих показателей', ;'. -.: электромагнитных форсунок.
Таким образом, актуальность работы обусловлена широким*
распространением систем впрыскивания топлива и существующей проблемой поддержания заданных энергетических и экологических характеристик автомобильных бензиновых двигателей в условиях эксплуатации путем сохранения рабочих показателей электромагнитных форсунок.
Объектами исследования являлись двигатель ВАЗ-2111 и три однотипных, комплекта четырехсопловых электромагнитных форсунок производства фирмы R. Bosch (№ 280 150 996) с конусным запирающим элементом (иглой). Первый комплект форсунок имел наработку 89 тыс. км пробега; автомобиля, второй - 150 тыс. км, третий комплект составляли
НОВЫе форсуНКИ:
Научная новизна работы заключается в следующем:
выполнен анализ процессов загрязнения и последствий износа элементов электромагнитной форсунки, их причин и влияния на характеристики автомобильного бензинового двигателя;
выявлено разнонаправленное влияние загрязнения элементов проточной части и последствий износа запирающего элемента и седла электромагнитной форсунки на ее рабочие показатели;
с помощью компьютерного моделирования получены гидродинамические картины течения топлива через проточную часть и выявлены закономерности истечения топлива через распылитель новой форсунки и форсунки с наработкой;
экспериментально получены данные по эксплуатационным изменениям рабочих показателей электромагнитных форсунок и определено их влияние на энергетические и экологические характеристики автомобильного бензинового двигателя.
Практическую ценность работы представляют:
созданная и внедренная в учебный процесс лабораторная установка для комплексного исследования работы электромагнитных форсунок, включающая специальную аппаратуру для высокоскоростной фоторегистрации топливного факела форсунки;
выявленные последствия загрязнения и износа элементов электромагнитной форсунки, связанные с изменением ее рабочих показателей в эксплуатации, а также влияние этих изменений на энергетические и экологические характеристики автомобильного бензинового двигателя;
предложенный и внедренный в автосервисе способ экспресс-диагностики технического состояния электромагнитных форсунок, позволяющий без демонтажа их с двигателя оценивать износ элементов форсунок и выявлять необходимость замены их комплекта.
Реализация результатов исследования
Предложенный способ экспресс-диагностики технического состояния электромагнитных форсунок внедрен в сервисном центре ООО «Автомир-Владимир».
Созданная лабораторная установка для комплексного исследования рабочих показателей электромагнитных форсунок (управляемая программой, реализованной в среде LabVIEW) применяется при проведении лабораторных работ по различным дисциплинам на кафедре кафедры ТД и ЭУ Владимирского государственного университета.
Апробация работы
Основные материалы и результаты работы докладывались на:
Международном симпозиуме «Электроника и электрооборудование транспорта» (г. Суздаль, март 2007);
Международной конференции пользователей программного комплекса . «COMSOL» (Франция, г. Гренобль, октябрь 2007);
XI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей» (Владимир, ВлГУ, июнь 2008);
научно-техническом семинаре кафедры «Автомобильные и тракторные двигатели» МГТУ «МАМИ» с участием представителей ГНЦ «НАМИ» (Москва, октябрь 2008), а также на научно-технических семинарах кафедры ТД и ЭУ Владимирского государственного университета.
Публикации
По теме диссертации опубликовано шесть научных работ (две из них - в журнале, рекомендованном ВАК, одна - за рубежом).
Основы конструкции и функционирования электромагнитных форсунок в системах впрыскивания топлива
Системы подачи топлива бензиновых двигателей прошли сложный путь развития на протяжении более чем 120 лет. Эти системы с момента своего появления выполняли две функции: дозирование топлива в зависимости от режимных параметров работы двигателя; образование топливовоздушной смеси (смешивание частиц топлива с воздухом).
Реализация первой функции должна обеспечивать возможно более точное дозирование топлива по определенному закону в зависимости от нагрузи ки, частоты вращения вала, теплового состояния двигателя и др. и равномерное распределение топлива по цилиндрам. Вторая функция может реали-зовываться как для достижения высокой гомогенности (однородности) топливовоздушной смеси, так и для получения расслоенного заряда (с ядром богатого состава для нормального воспламенения и зонами обедненной смеси). На протяжении многих лет обе эти функции систем топливоподачи бензиновых двигателей изучались и совершенствовались специалистами различных стран мира.
С появлением первых бензиновых двигателей (80-е годы XIX века) начали применяться карбюраторы испарительного типа (фитильные и барбо-тажные). Эти карбюраторы были очень примитивны и имели массу недостатков [1,2].
Именно поэтому еще на заре автомобильного двигателестроения велся поиск принципиально иных систем топливоподачи. В конце XIX века были созданы двигатели с впрыском бензина при помощи механических насосов
(Харгривс, Газельвандер- Шпиль и др.) [1-3]. Однако эти первые системы были очень несовершенны и не смогли конкурировать с появившимися в начале 90-х годов XIX века карбюраторами распыливающего типа (В. Майбах, Д. Банки, Я. Чонка). По конструкции эти карбюраторы были принципиально простыми и относительно надежными, поэтому к началу I мировой войны работы по впрыску топлива были почти совсем прекращены. Дальнейшее развитие систем топливоподачи бензиновых двигателей пошло по пути совершенствования распыливающего карбюратора.
По мере его развития постоянно увеличивалось количество функций и усложнялась конструкция. Принципиально простой распыливающий карбюратор под влиянием все возрастающих требований превращался в более совершенную, но одновременно и более сложную систему, обеспечивающую требуемую подачу топлива на различных режимах работы двигателя. Совершенствование карбюраторов шло- по пути усложнения конструкции для удовлетворения постоянно возрастающих требований, по снижению токсичности отработавших газов (ОГ) и повышению топливной экономичности автомобильных двигателей. Увеличение количества дополнительных корректирующих звеньев, особенно включающих подвижные механические элементы, вело не только к усложнению конструкции, но и неизбежно вызывало увеличение нестабильности характеристик карбюратора, которую все труднее было компенсировать точностью изготовления. Кроме этого, несмотря на неуклонно возрастающее количество звеньев, и элементов коррекции, их все же было недостаточно для учета всех факторов, влияющих на то-пливоподачу. Поэтому на определенном этапе, а именно в 70-е годы XX века, дальнейшее усложнение классического распыливающего карбюратора стало бессмысленным, так как был достигнут предел его принципиальных возможностей [4].
Стремление обеспечить требуемые показатели двигателей наиболее простыми и дешевыми средствами привело к введению элементов электро ники в механический карбюратор. Такие электронные карбюраторы выпускались некоторое время в Европе, в США и Японии [5,6]. Однако это решение было явно половинчатым и поэтому производство этих карбюраторов длилось недолго.
На основе поисковых работ в области систем впрыскивания бензина, которые эпизодически велись в разных странах исследователями-энтузиастами, в 50-х годах прошлого века появились реальные возможности использовать элементы электроники для формирования электрических импульсов переменной длительности, управляющих электромагнитной форсункой. С появлением полупроводниковых приборов (вторая половина 50-х годов), возникли благоприятные возможности для практической реализации электронного управления топливоподачей.
В 1957г. американская фирма Bendix первой создала электронную систему распределенного впрыскивания топлива (РВТ) и начала ее промышленный выпуск. Однако эта система в то время не нашла применения на рынке США, что побудило компанию Bendix продать результаты разработки фирме R.Bosch, которая на этой основе, при использовании собственного опыта, создала систему впрыскивания топлива D-Jetronic [1] и довела ее до стадии производства (1967 г.).
Начало промышленного выпуска электронных систем впрыскивания топлива явилось поворотным моментом в развитии аппаратуры топливоподачи бензиновых двигателей. С этого времени производство этих систем стало быстро расширяться. Электроника нашла эффективное применение в системах впрыскивания топлива, удачно раскрыв при этом их потенциальные преимущества.
Лабораторная установка для комплексного исследования электромагнитных форсунок
Эта аппаратура включает три основных функциональных узла (рис.2.5): блока 4 стробоскопических источников света в виде четырех ламп-вспышек, которые объединены в два модуля по две лампы в каждом; электронного блока 6 управления лампами-вспышками и цифрового фотоаппарата 3. Силовой блок 5 предназначен для создания импульсов высокого напряжения (20...40 кВ), обеспечивающих зажигание импульсных ламп-вспышек 4. Работа силового блока 6, электромагнитной форсунки 2, ламп-вспышек 5 и цифрового фотоаппарата 4 синхронизируется с помощью специально созданного электронного блока управления 7. При этом обеспечивается зажигание ламп-вспышек в любой момент открытия электромагнитной форсунки (движения топливного факела). Применение нескольких ламп-вспышек расширяет возможности аппаратуры для высокоскоростной фоторегистрации топливного факела и дает возможность получить его изображение в любой фазе развития факела.
В процессе эксперимента была выбрана необходимая длительности выдержки затвора фотоаппарата, подобраны времена задержки зажигания ламп-вспышек, выбран цветовой фон экрана 1 для четкой визуализации развития топливного факела. Установлено, что в простейшем случае достаточно одной лампы-вспышки, расположенной над регистрируемым топливным факелом форсунки.
Конструкция модулей ламп-вспышек показана на рис. 2.6. Корпус такого модуля представляет собой цилиндрическую алюминиевую трубу с прорезью для выхода светового потока и с размещенными в торцевых частях1 импульсными лампами-вспышками. К корпусу приварен специальный отсек, где на диэлектрической А подложке размещены импульсные трансформаторы и конденсаторы для каждой из ламп-вспышек, закрепленные на диэлектрической подложке с помощью диэлектрических хомутов. Электрические соединения элементов блока выполнены монтажным проводом МГТФ с дополнительной фторопластовой изоляцией, что необходимо для обеспечения нормальной работы с высокими напряжениями, используемыми для зажигания ламп-вспышек.
Электронный блок 7 управления лампами-вспышками состоит из генератора импульсов, выполненного на базе микроконтроллера PIC16F84. Генератор импульсов служит для формирования инициирующих импульсов управления, подаваемых далее на силовой блок 6, а так же для программирования длительности интервала задержки Т3 и периода вспышек. Силовой блок служит для формирования зажигающих импульсов на управляющие электроды ламп-вспышек, а также для подачи высокого напряжения к блокам ламп-вспышек.
В проводимых экспериментальных исследованиях использовался цифровой фотоаппарат производства Canon модели Power Shot S3IS. Объектив фотоаппарата фокусировался на распылителе исследуемой форсунки. Выдержка затвора задавалась в пределах 1...2 с. При открытии затвора фотоаппарата одновременно производился ручной запуск открытия форсунки с ПК. Исследуемая электромагнитная форсунка открывалась и через заданный интервал времени вспыхивала импульсная лампа-вспышка. При этом матрица фотоаппарата регистрировала освещенный топливный факел форсунки. Для повышения качества фоторегистрации распыливаемого топлива применялся цветной фон, не дающий бликов. Было опробовано несколько цветовых вариантов фона. Наилучшие результаты были получены при использовании фона красного цвета. частоту впрыскивания топлива — 5... 100 Гц; количество произведенных циклов впрыскивания топлива.
Кроме этого установка позволяет осуществлять однократный впрыск топлива форсункой и фоторегистрировать топливный факел в различных фазах его развития.
Использование мерных колб для интегрального измерения количества впрыскиваемого топлива за определенный период времени (количество циклов срабатывания форсунки) позволяет количественно определять такие рабочие показатели форсунки (см. главу 1), как: статическая производительность отдельной форсунки - qcm; цикловая подача отдельной форсунки - qm; неравномерность подачи топлива комплектом форсунок - Sj. Применение персонального компьютера дает возможность записать все данные, собранные в течение эксперимента, на его жесткий диск для их последующей обработки и анализа.
Опыт использования описанной лабораторной установки для комплексного исследования функционирования электромагнитных форсунок показал ее работоспособность и эффективность. С помощью этой установки были решены все поставленные в данной диссертационной работе задачи.
Описание программного комплекса
В главе 2 было отмечено, что в процессе эксплуатации сопрягаемые и подвижные детали в проточной части форсунки подвергаются износу, последствием которого является увеличение подъема иглы. При этом известно, что часто форсунки после очистки от загрязнений не восстанавливают свои первоначальные рабочие характеристики, что сказывается на работе двигателя. Возможными последствиями износа элементов форсунки являются изменение дисперсности дробления топлива, направления и параметров топливного факела. Это, в свою очередь, может привести к ухудшению процессов смесеобразования и изменению энергетических и экологических показателей двигателя. В связи с этим в данной части диссертационной работы решаются следующие задачи.
1. Разработать математическую модель для определения параметров потока топлива на выходе форсунки и реализовать ее в программном пакете.
2. Определить влияние увеличения подъема иглы (вследствие износа) форсунки на параметры истечения топлива из распылителя.
Для решения поставленных задач было проведено математическое моделирование с помощью квазистационарной модели, учитывающей три возможных подъема иглы - 150, 200 и 250 мкм. Первый случай соответствует подъему иглы новой форсунки, два других - случаям с различным износом сопрягаемых и подвижных деталей.
В ходе компьютерного моделирования для соплового отверстия распылителя форсунки вычислялись: скорость истечения потока и (м/с), относительное давление р (кПа) и завихренность со (с"1). Последняя величина определяется как ротор (вихрь) скорости и отражает скорость изменения направления потока между двумя соседними точками течения, т.е. характеризует локальную нестабильность потока. Численно завихренность со определяется по формуле [75]:
В этих формулах со — завихренность потока, и — скорость потока, V-оператор набла (Гамильтона), равный сумме частных производных по трем координатам.
Реализация модели проводилась в среде программного комплекса COMSOL MULTIPHYSICS, выбранного благодаря таким его достоинствам, как наличие встроенного графического редактора, генератора сетки с тетраэдральными элементами для анализа трехмерных тел произвольной формы и многосеточного модуля решения с алгоритмом Vanka.
Исходные данные для трехмерного геометрического моделирования проточной части были получены путем обмера деталей после разборки форсунок (поскольку конструкция всех современных форсунок неразборная, производилась разрезка их корпусов и отдельных элементов). С целью сокращения объема и времени расчетов использовалась осевая симметрия проточной части форсунки и моделировалась только 1А часть канала (рис. 3.1).
Характеристики потока в каждой точке модели определялись с помощью уравнения Навье - Стокса (3.3) и уравнения неразрывности (3.4).
Исходными данными являлись: вязкость бензина / ,=4,85-10-4 Па»с и его плотность р„=74б кг/м при температуре 7=300 К, принятые по данным библиотеки программного комплекса [67].
В расчетах были приняты следующие граничные условия: скорость потока на стенках и = 0, входное топлива давление рш—Ъ 00 кПа, выходное давление топлива рВых=0 кПа.
При моделировании использовался метод конечных элементов и ячейки тетраэдральной формы. С одной стороны, точность и детализация решения определяются количеством ячеек. С другой, ресурсы памяти и вычислительной мощности компьютера ограничивают максимальное число ячеек. Так как моделируемый объем относительно велик и содержит области с различными давлениями и скоростями, то форсунка разбивалась на два домена -сопло (меньший объем) и корпус (больший объем) с различными параметрами сетки. Первый домен характеризуется значительными перепадами скоростей и давлений, второй - небольшим изменением давления и скорости по величине. Направление же скорости потока в проточной части корпуса форсунки меняется значительно, создавая области с вихревым движением. Для нахождения больших градиентов скорости и давления в сопле форсунки была выбрана сетка с размером ячеек не более 50 мкм.
Способ экспресс-диагностики технического состояния форсунок
Частота вращения вала двигателя измерялась цифровым электронным тахометром, получающим сигнал от индуктивного датчика, входящего в измерительный комплекс моторного стенда. Показания тахометра через специальную схему сопряжения выводились на монитор ПК.
Выброс токсичных компонентов с ОГ определялся с помощью газоанализатора модели SPAC-QQ1 LPC (производства фирмы SPAC, Италия). В процессе испытаний замерялись выбросы оксида углерода СО и углеводородов СН. Кроме этого, прибор позволяет вычислить коэффициент избытка воздуха а по результатам анализа состава ОГ.
Разрежение во впускном трубопроводе определялось по абсолютному давлению во впускном трубопроводе (200...700 мм рт. ст.), измеренному с помощью вакууметра ВП4-У.
Для контроля температуры ОГ в месте соединения выпускных трубопроводов всех цилиндров была установлена ХК (хромель-копель) термопара, подключенная к прибору А565.
В процессе исследований использовались блок диагностики, связанный с контроллером двигателя, и специальная компьютерная программа «АВТО-АС-СКАН» (производитель ООО НЛП «АСЕ», Россия), позволяющие в реальном режиме времени оперативно определять следующие основные параметры работы двигателя: положение дроссельной заслонки; угол опережения зажигания; длительность электрического импульса управления форсункой; массовый расхода воздуха, потребляемого двигателем; массовое цикловое наполнение цилиндров; признак наличия детонации; признак регулирования состава смеси по сигналу Х-зонда; признак обогащения топливовоздушной смеси; температуру охлаждающей жидкости. Кроме этих, возможно определение и других параметров из меню диагностического комплекса.
Испытания форсунок проводились на двигателе ВАЗ-2111, основные параметры и показатели которого приведены в таблице 4.1. Двигатель был укомплектован генератором, воздухоочистителем и системой распределенного впрыскивания топлива. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор не применялся.
На двигателе ВАЗ-2111 использовался электронный блок управления M1.5.4.N (тип 2111-1411020-60) фирмы R.Bosch, расходомер воздуха, форсунки, Х-зонд LHS-25, электробензонасос, широкополосный датчик детонации и регулятор холостого хода отечественного производства. Двигатель имел распределительный вал и ресивер модели ВАЗ-2110. В подсистеме зажигания установлен модуль зажигания производства МЗАТЭ-2 (г. Москва). В штатной комплектации использовались свечи зажигания А17ДВРМ. При испытаниях применялся неэтилированный бензин Аи-92.
Особенностью применяемой системы электронного управления двигателем является использование антидетонационного контура управления углом опережения зажигания (УОЗ) и контура обратной связи с датчиком содержания кислорода в ОГ. Сигнал датчика детонации, установленного на блоке цилиндров двигателя, позволял контроллеру поддерживать требуемый УОЗ для данного режима работы. Контур обратной связи с датчиком содержания кислорода в ОГ обеспечивал поддержание стехиометрического состава смеси на частичных скоростных и нагрузочных режимах работы двигателя. На режимах, близких к полной нагрузке, топливовоздушная смесь (ТВС) обогащалась системой управления двигателем для получения максимальных показателей мощности.
Нагрузочной характеристикой двигателя внутреннего сгорания называется комплекс зависимостей часового, удельного эффективного расходов топлива и других показателей двигателя от его нагрузки при постоянной частоте вращения. В качестве величины нагрузки в данных экспериментах было принято среднее эффективное давление. Нагрузочные характеристики были сняты в диапазоне частот от 1500 до 3500 мин " , с шагом через 500 мин"1. Для каждой характеристики было получено от 8 до 12 точек. Первая точка соответствует полному открытию дроссельной заслонки.
Серия нагрузочных характеристик снятых на различных скоростных режимах, дает возможность построить скоростные характеристики двигателя, его многопараметровую характеристику и получить полное представление о работе двигателя на различных эксплутационных режимах.
