Методология разработки аккумуляторных топливных систем дизелей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, доктор наук Дунин Андрей Юрьевич

• Дунин Андрей Юрьевич
• доктор наук
• 2021

Оглавление диссертации доктор наук Дунин Андрей Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПУТЕЙ И ИМЕЮЩИХСЯ ПРОБЛЕМ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОВЕРШЕНСТВА ДИЗЕЛЕЙ

1.1 Пути улучшения показателей рабочего процесса дизеля

1.1.1 Анализ действующих международных и отечественных экологических норм, предъявляемых к дизелям

1.1.2 Анализ способов выполнения дизелем действующих экологических норм при обеспечении требуемого уровня его форсированности

и экономических показателей

1.2 Совершенствование аккумуляторных топливных систем с целью управления передним фронтом характеристики впрыскивания

1.3 Анализ существующих программных комплексов для исследования рабочих процессов дизеля

1.3.1 Программные комплексы для расчета процессов, формирующих

цикл дизеля

1.3.2 Методы расчета процессов топливоподачи

1.4 Основные результаты и выводы по первой главе. Постановка цели

и задач исследования

2 ИНТЕГРИРОВАННЫЙ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ ДИЗЕЛЕЙ

2.1 Назначение интегрированного расчетно-экспериментального

комплекса ИКТС-МАДИ и его структура

2.2 Экспериментальная составляющая интегрированного расчетно-экспериментального комплекса ИКТС-МАДИ

2.3 Основные результаты и выводы по второй главе

3 РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ТОПЛИВОПО ДАЧЕЙ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ АККУМУЛЯТОРНЫХ ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

3.1 Разработка гидромеханического способа формирования характеристики впрыскивания

3.1.1 Способ формирования ступенчатой формы переднего фронта дифференциальной характеристики впрыскивания

3.1.2 Выбор основных параметров разработанной конструкции электрогидравлической форсунки для получения устойчивой ступенчатой формы переднего фронта характеристики впрыскивания

3.2 Разработка способа воздействия на форму характеристики впрыскивания управлением перемещением иглы распылителя

3.2.1 Способ управления формой дифференциальной характеристики впрыскивания формированием электрического импульса, поступающего

на электромагнит управляющего клапана форсунки

3.2.2 Исследование применимости управления передним фронтом характеристики впрыскивания формированием электрического импульса

3.3 Влияние ступенчатой формы переднего фронта дифференциальной характеристики впрыскивания на рабочий процесс дизеля

3.4 Основные результаты и выводы по третьей главе

4 РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ АККУМУЛЯТОРНЫХ ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ

ДЛЯ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

4.1 Разработка аккумуляторных топливных систем для выполнения отечественными дизелями действующих и перспективных экологических требований

4.1.1 Аккумуляторная топливная система многоцелевого дизеля

4.1.2 Аккумуляторная топливная система для автотракторного дизеля

4.2 Анализ влияния компоновки и параметров линии высокого давления аккумуляторной топливной системы на процесс впрыскивания

4.2.1 Исследование влияния объема внутреннего топливного аккумулятора электрогидравлической форсунки на волновые явления, возникающие вследствие процесса впрыскивания топлива

4.2.2 Исследование влияния конструкции линии высокого давления аккумуляторной топливной системы на межцилиндровую неравномерность цикловой подачи топлива, вызванную волновыми явлениями,

сопровождающими процесс впрыскивания

4.3 Основные результаты и выводы по четвертой главе

5 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ИСТЕЧЕНИЯ ТОПЛИВА

НА ПРОЦЕСС ВПРЫСКИВАНИЯ И ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЯ

5.1 Исследование влияния расположения распыливающих отверстий и повышения давления впрыскивания на истечение топлива

из распылителя

5.1.1 Влияние ориентации струй распыливающих отверстий распылителя и температуры топлива на его гидравлические характеристики

5.1.2 Анализ влияния повышения давления впрыскивания на истечение топлива из распылителя

5.1.3 Влияние свойств жидкого топлива на параметры процесса впрыскивания при повышении давления впрыскивания в топливном аккумуляторе до 300 МПа

5.2 Влияние повышения давления в топливном аккумуляторе до 300 МПа

на рабочий процесс дизеля

5.3 Анализ влияния давления впрыскивания и режима работы аккумуляторной топливной системы на энергетический баланс дизеля

5.4 Перспективы дальнейшего развития методологии совершенствования рабочего процесса двигателя с воспламенением от сжатия применением интегрированного расчетно-экспериментального комплекса в жизненном цикле топливных систем дизелей

5.4.1 Совершенствование конструкции электрогидравлической форсунки

с целью сохранения управляемости топливоподачей при давлениях впрыскивания более 300 МПа

5.4.2 Применение электрогидравлических насос-форсунок для впрыскивания топлива с давлениями более 300 МПа

5.4.3 Совершенствование конструкции распылителя для повышения его прочности и улучшения точности управления при впрыскивании топлива с

давлениями более 300 МПа

5.5 Основные результаты и выводы по пятой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Копии патентов, полученных на объекты

интеллектуальной собственности

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Копии актов о внедрении и использовании результатов диссертационного исследования

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методология разработки аккумуляторных топливных систем дизелей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. На сегодняшний день дизель - один из основных видов транспортных энергетических установок, соответствующий экологическим стандартам, которые значимо различаются как по количеству нормируемых токсичных компонентов, так и по их предельно допустимым уровням в зависимости от назначения двигателя.

Выполнение действующих правил на содержание токсичных веществ в отработавших газах (ОГ) дизеля при обеспечении требуемого уровня его форсированности и экономических показателей связано с комплексным совершенствованием систем топливоподачи, наддува, рециркуляции и нейтрализации ОГ. Применительно к аккумуляторной топливной системе (АТС) с электронным управлением рассматриваются технические возможности повышения давления впрыскивания, быстродействия и точности управления топливоподачей.

Развитие методов и способов совершенствования рабочего процесса двигателя достигается разработкой новых конструкций АТС и доводкой существующих на основе комплексного применения математического моделирования и экспериментальных исследований.

Степень разработанности. Для современных АТС актуальна разработка методов улучшения экологических показателей рабочего процесса высокофорсированного дизеля, к которым относят управление формой характеристики впрыскивания и повышение энергии топливной струи.

В настоящее время давление впрыскивания наиболее технически совершенными образцами топливных систем достигает 200 ... 270 МПа и, как предполагается, может быть увеличено в будущем до 300 МПа для достижения перспективных экологических требований по уменьшению доли дисперсных частиц в ОГ. Это потребует пересмотра конструкции топливной системы (ТС) и организации рабочего процесса дизеля, в частности, повышения давления наддува и степени рециркуляции отработавших газов для большего снижения содержания оксидов азота N0 в ОГ.

Ранее были разработаны различные способы управления формой характеристики впрыскивания с целью снижения содержания КОх, однако они либо конструктивно сложны, либо не удовлетворяют требованиям к рабочему процессу двигателя. Необходим поиск более рациональных технических решений, охватывающих как уже существующие ТС, так и перспективные.

Для разработки новых конструкций топливных систем и их доводки совместно с рабочим процессом дизеля целесообразно комплексное многоуровневое объединение расчетных и экспериментальных методов в интегрированном комплексе. Его структура должна включать в себя экспериментальную составляющую с испытательными стендами и моделирующую составляющую с компьютерными программами на основе моделей, описывающих рабочие процессы дизеля и ТС.

Цель и задачи исследования. Цель - развитие методов и способов разработки аккумуляторных топливных систем с применением интегрированного расчетно-экспериментального комплекса для совершенствования рабочего процесса дизеля.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

• сформировать методологию разработки и совершенствования топливных систем, обеспечивающих выполнение дизелем экономических и экологических требований при заданном уровне его форсированности;

• разработать интегрированный расчетно-экспериментальный комплекс для исследования, разработки и совершенствования топливных систем дизелей (ИКТС-МАДИ);

• разработать способы управления формой характеристики впрыскивания и предложить для их применения варианты конструкции аккумуляторных топливных систем для дизелей различного назначения;

• уточнить параметры разработанных аккумуляторных топливных систем с учетом влияния волновых явлений в линии высокого давления многоцилиндрового двигателя;

• оценить влияние повышения давления впрыскивания до 300 МПа на показатели рабочего процесса дизеля, гидравлические характеристики распылителя и параметры топливной струи;

• разработать методику оценки влияния давления впрыскивания и режима работы аккумуляторной топливной системы с электронным управлением на энергетический баланс дизеля;

• оценить влияние повышения давления в топливном аккумуляторе и управления характеристикой впрыскивания на энергетический баланс дизеля;

• разработать рекомендации по совершенствованию конструкций аккумуляторных топливных систем для улучшения рабочего процесса дизеля путем управления формой характеристики впрыскивания и подачей топлива с давлением до 300 МПа.

Научную новизну представляют:

• методология разработки и совершенствования топливных систем для выполнения дизелем экономических и экологических требований при заданном уровне его форсированности;

• интегрированный расчетно-экспериментальный комплекс ИКТС-МАДИ, позволяющий проводить глубокое исследование рабочих процессов топливных систем дизелей;

• новые способы управления формой характеристики впрыскивания для аккумуляторных топливных систем и результаты исследования их эффективности;

• анализ влияния повышения давления впрыскивания до 300 МПа на гидравлические характеристики распылителя, параметры топливной струи и показатели рабочего процесса дизеля;

• методика оценки влияния давления впрыскивания и режима работы аккумуляторной топливной системы на энергетический баланс дизеля.

Теоретическая и практическая значимость работы:

• предложена концепция и разработан интегрированный расчетно-экспериментальный комплекс ИКТС-МАДИ для исследования, разработки и совершенствования топливных систем дизелей, создана его структура;

• разработаны способы управления формой характеристики впрыскивания, реализованные в конструкции перспективных аккумуляторных топливных систем с давлением в топливном аккумуляторе до 200 МПа;

• выполнен анализ влияния компоновки линии высокого давления разработанных аккумуляторных топливных систем на неравномерность топливоподачи с учетом волновых явлений, возникающих при работе многоцилиндрового двигателя;

• исследовано влияние на энергетический баланс дизеля однократного и многократного впрыскивания с управлением формой переднего фронта характеристики впрыскивания;

• разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции аккумуляторных топливных систем для улучшения рабочего процесса дизеля управлением формой характеристики впрыскивания при подаче топлива с давлением 300 МПа.

Методология и методы исследования:

• в расчетных исследованиях использованы известные физические законы, описывающие теплофизические и гидродинамические процессы с использованием современных численных методов и высокоскоростных вычислительных комплексов;

• экспериментальные исследования дизелей и их топливных систем проведены с применением современного измерительного оборудования при соблюдении методик, основанных на действующих государственных стандартах.

Положения, выносимые на защиту:

• методология разработки и совершенствования топливных систем, обеспечивающих выполнение дизелем экономических и экологических требований при заданном уровне его форсированности;

• структура интегрированного расчетно-экспериментального комплекса ИКТС-МАДИ для исследования, разработки и совершенствования топливных систем дизелей;

• способы управления формой характеристики впрыскивания для аккумуляторных топливных систем, расчетно-экспериментальный анализ их эффективности и рекомендации по повышению точности управления формой характеристики впрыскивания;

• перспективные конструкции аккумуляторных топливных систем для управления передним фронтом характеристики впрыскивания с давлением в топливном аккумуляторе 200 МПа и результаты их испытаний;

• результаты исследования влияния компоновки линии высокого давления разработанных аккумуляторных топливных систем на неравномерность топливоподачи с учетом волновых явлений, возникающих при работе многоцилиндрового двигателя;

• результаты исследования влияния параметров аккумуляторной топливной системы на волновые явления в линии высокого давления;

• результаты исследования влияния высокого давления впрыскивания на гидравлические характеристики распыливающих отверстий, параметры топливной струи и показатели рабочего процесса дизеля;

• методика и результаты исследования влияния давления впрыскивания и режима работы аккумуляторной топливной системы на энергетический баланс дизеля;

• рекомендации по совершенствованию конструкции аккумуляторных топливных систем для улучшения рабочего процесса дизеля путем управления формой характеристики впрыскивания и подачей топлива с давлением до 300 МПа.

Степень достоверности полученных результатов определяется следующим:

• оригинальность методики разработки и совершенствования топливных систем дизелей с применением ИКТС-МАДИ заключается в его соответствии по ряду признаков уникальным научным установкам, а также в совместном

применении его экспериментальной и моделирующей составляющих для поэлементных и полноразмерных испытаний топливных систем с системами управления, отдельно или в составе моторной исследовательской установки;

• новизна предложенных способов управления передним фронтом характеристики впрыскивания и рекомендаций по совершенствованию конструкции аккумуляторных топливных систем для обеспечения их работы с давлением впрыскивания до 300 МПа подтверждается полученными патентами РФ;

• экспериментальные исследования дизелей и их топливных систем проведены с соблюдением апробированных методик, основанных на действующих государственных стандартах;

• расчетные исследования проведены с использованием известных физических законов, описывающих рабочие процессы дизелей и их топливных систем;

• полученные результаты моделирования согласуются с экспериментальными данными;

• рекомендации сформированы на основе анализа результатов расчетных и экспериментальных исследований.

Личный вклад автора:

• сформирована методика разработки и совершенствования топливных систем, обеспечивающих выполнение дизелем мощностных, экономических и экологических требований;

• предложена концепция и разработан интегрированный расчетно-экспериментальный комплекс ИКТС-МАДИ для исследования, разработки и совершенствования топливных систем дизелей, сформирована его структура;

• разработаны конструкции исследовательских установок для экспериментальной составляющей ИКТС-МАДИ и методики их применения;

• для моделирующей составляющей ИКТС-МАДИ разработаны: модель динамики иглы и управляющего клапана электрогидравлической форсунки, учитывающая действие дополнительных пружин согласно патента № 2613009; алгоритмы, определяющие тип соединения элементов аккумуляторной топливной

системы и моделирующие волновые процессы для исследования их влияния на межцилиндровую неравномерность топливоподачи;

• в соавторстве предложены способы управления формой характеристики впрыскивания для аккумуляторных топливных систем;

• проведен анализ эффективности предложенных способов управления формой характеристики впрыскивания, разработаны рекомендации по повышению их точности;

• предложены перспективные конструкции аккумуляторных топливных систем для управления формой характеристики впрыскивания и разработаны их конструктивные элементы;

• проведены испытания разработанных аккумуляторных топливных систем с целью определения их характеристик и управления передним фронтом характеристики впрыскивания;

• проведен анализ влияния компоновки линии высокого давления разработанных аккумуляторных топливных систем на неравномерность топливоподачи с учетом волновых явлений, возникающих при работе многоцилиндрового двигателя;

• проведено исследование влияния параметров аккумуляторной топливной системы на волновые явления в линии высокого давления;

• выполнен анализ влияния повышения давления впрыскивания до 300 МПа на гидравлические характеристики распылителя, параметры топливной струи и показатели рабочего процесса дизеля;

• разработана методика и исследовано влияние давления впрыскивания и режима работы аккумуляторной топливной системы на энергетический баланс дизеля;

• разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции аккумуляторных топливных систем для улучшения рабочего процесса дизеля путем управления формой характеристики впрыскивания и подачи топлива с давлением до 300 МПа.

Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международных научно-технических конференциях «Луканинские чтения» (Москва, МАДИ, 2015, 2019 и 2021 г.г.); Всероссийских научно-технических конференциях по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок (Москва, МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2016, 2017, 2018, 2019, 2020 и 2021 г.г.); научных конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов, студентов и сотрудников структурных подразделений университета (Украина, Киев, НТУ, 2016 и 2017 г.г.); Международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем» (Волгоград, ВолгГТУ, 2018 г.); Симпозиуме по энергетике в Сербии (Сербия, Ниш, Университет Ниша, 2015, 2017 г.г.); Международном конгрессе «Моторные транспортные средства и двигатели» (Сербия, Крагуевац, Университет Крагуеваца, 2016, 2018 г.г.); Международной конференции -школе молодых ученых «Волны и вихри в сложных средах» (Москва, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, 2016, 2018, 2019 и 2020 г.г.); Международной научно-технической конференции «Двигатель-2017», посвященной 110-лению специальности "Поршневые двигатели" в МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2017 г.); Международной научной конференции «Транспортные машины 2017» (Литва, Каунас, Университет имени А. Стульгинскиса, 2017 г.); Международная конференция по вопросам связи, управления и информационным технологиям 2018 (Испания, Мадрид, Политехнический университет Мадрида, 2018 г.); 4-й виртуальной международной научной конференции «Технологии и управление в энергетике» (Сербия, Ниш, Университет Ниша, 2018 г.); Международная конференция по вопросам связи, управления и информационным технологиям (Австрия, Вена, 2019 и 2020 г.г.); Международной научно-технической конференции «Системы формирования и обработки сигналов в области бортовой связи» (Москва, 2019, 2020 г.г.); 19-й международной конференции по энергетике в Сербии (Сербия, Сокобаня, 2019 г.); МАНФ-2020 «Наземные интеллектуальные транспортные средства и системы» (Москва, ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2020 г.); Международная конференция «Интеллектуальные технологии в дорожно-транспортном комплексе» (Москва, МАДИ, 2020 г.).

Отдельные результаты диссертации:

- получены и успешно применены при выполнении двух государственных контрактов (№ 11411.1003703.05.002 от 13.12.2011 г. и № 12411.1370300.05.002 от 22.02.2012 г.) по федеральной целевой программе «Национальная технологическая база» на 2007-2011 годы (подпрограмма «Создание и организация производства в Российской Федерации в 2011-2015 годах дизельных двигателей и их компонентов нового поколения») и соглашения о предоставлении субсидии от 27.07.2015 г. № 14.580.21.0002 - федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы»;

- внедрены в учебном процессе и научно-исследовательскую работу ФГБОУ ВО «МАДИ»;

- внедрены в опытно-конструкторские работы АО «Ногинский завод топливной аппаратуры»;

- используются в опытно-конструкторских работах АО «НИИ «Элпа».

Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в

57 печатных работах, в том числе 2 монографии, 13 статей в рецензируемых научных изданиях, 10 патентов на изобретения и полезные модели, 16 статей в изданиях, входящих в международные базы данных Scopus и Web of Science.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, двух приложений, содержит 476 стр., 62 табл., 246 рис. Список литературы включает 237 наименований.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПУТЕЙ И ИМЕЮЩИХСЯ ПРОБЛЕМ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОВЕРШЕНСТВА ДИЗЕЛЕЙ

1.1 Пути улучшения показателей рабочего процесса дизеля

1.1.1 Анализ действующих международных и отечественных экологических норм, предъявляемых к дизелям

В настоящее время для всех двигателей устанавливаются экологические стандарты (нормы токсичности), которые сильно различаются как по количеству нормируемых токсичных компонентов, так и по их предельно допустимым уровням в зависимости от назначения двигателя. Экологические стандарты также определяют тестовые циклы, по которым должен испытываться двигатель, период (или пробег транспортного средства), в течение которого должны выполняться стандарты, условия проведения испытаний (например, температуру запуска холодного двигателя).

Для двигателей автомобильного транспорта Европейским союзом (European Union) установлены нормы Euro, регламентирующие выбросы с отработавшими газами (ОГ) оксида углерода CO, углеводородов CH, оксидов азота NOx (в некоторых нормах учитываются суммарные концентрации CH и NOx, которые обозначаются как "СН + NOx") и дисперсных частиц PM (Particulate Matter).

В случае пассажирских автомобилей и легкого коммерческого автотранспорта двигатель проходит испытания на оценку токсичности ОГ в составе транспортного средства на беговых барабанах. При этом транспортные средства поделены на категории [163] для каждой из которых установлен свой порядок ввода экологических норм и уровень ограничения на выбросы токсичных веществ с ОГ (таблица 1.1) [164, 167, 168].

Таблица 1.1 - Нормы Euro для пассажирских автомобилей и легкого коммерческого автотранспорта

Категория транспортного средства Euro Дата СО СН + NOx NOx РМ PN

г/км -1 км

М1 (автомобили, предназначенные для перевозки пассажиров и оборудованные не более 8 местами не считая места водителя) N1, класс I (автомобили с максимальной массой < 1305 кг) 5 а Сентябрь 2009 г. (для всех моделей с января 2011 г.) 0,50 0,230 0,180 0,0045 -

5 b Сентябрь 2011 г. (для всех моделей с января 2013 г.) 0,50 0,230 0,180 0,0045 61011

6 Сентябрь 2014 г. 0,50 0,170 0,080 0,0045 61011

N1, класс II (автомобили с максимальной массой > 1305 ... 1760 кг) 5 а Сентябрь 2010 г. (для всех моделей с января 2012 г.) 0,63 0,295 0,235 0,0045 -

5 b Сентябрь 2011 г. (для всех моделей с января 2013 г. 0,63 0,295 0,235 0,0045 61011

6 Сентябрь 2015 г. 0,63 0,195 0,105 0,0045 61011

N1, класс III (автомобили с максимальной массой > 1760 кг) 5 а Сентябрь 2010 г. (для всех моделей с января 2012 г.) 0,74 0,350 0,280 0,0045 -

5 b Сентябрь 2011 г. (для всех моделей с января 2013 г. 0,74 0,350 0,280 0,0045 61011

6 Сентябрь 2015 г. 0,74 0,215 0,125 0,0045 61011

Продолжение таблицы 1. 1

N2 (автомобили, предназначенные для перевозки грузов, максимальной массой свыше 3,5 т, но не более 12 т) 5 а Сентябрь 2010 г. (для всех моделей с января 2012 г.) 0,74 0,350 0,280 0,0045 -

5 Ь Сентябрь 2011 г. (для всех моделей с января 2013 г. 0,74 0,350 0,280 0,0045 61011

6 Сентябрь 2015 г. 0,74 0,215 0,125 0,0045 61011

Отличие норм Euro 5 b и Euro 6 от Euro 5 a заключается в дополнительном учетом количества дисперсных частиц PN (Particle Number Emissions), выброшенных в атмосферу с ОГ за 1 км испытательного цикла (таблица 1.1). Это количество не должно превышать 6 • 1011 км-1. Кроме того, введение Euro 6 требует еще большего снижения содержания СН + NOx и NOx в ОГ дизелей.

Начиная с норм Euro 3 при оценке соответствия автотранспортного средства европейским экологическим стандартам применяется ездовой цикл NEDC (New European Driving Cycle), который включает в себя 4 идущих друг за другом городских цикла UDC (Urban Driving Cycle) и последующий загородный цикл EUDC (Extra Urban Driving Cycle). При испытаниях регистрация выбросов токсичных веществ начинается при пуске холодного двигателя и продолжается при его прогреве в течении 40 с и последующем выполнении цикла NEDC.

С 2000 г. введено требование на минимальное цетановое число дизельного топлива, используемого при испытаниях Euro, которое должно быть не менее 51 [32, 167, 178]. В том же году принято ограничение на содержание серы в дизельном топливе на уровне 300 млн-1 С 2009 г. используется топливо, в котором сера содержится в количестве не более 10 млн-1. Аналогичные требования к топливам содержат нормы Stage и Tier, предназначенные для дизелей многоцелевого назначения [150, 177].

Транспортное средство, сертифицированное по нормам Euro 4 должно на протяжении 100.000 км или 5 лет эксплуатации (в зависимости от того, что наступит раньше) сохранять следующий уровень эмиссии токсичных веществ: для CO - 1,1 г/км; для СН + NOx и NOx - 1,0 г/км; для РМ - 1,2 г/км.

Переход на Euro 5, Euro 6 сохраняет километраж и сроки прежними, однако дает дополнительное требование по ресурсу элементов системы управления -160.000 км или 5 лет эксплуатации. При этом, для Euro 5 на протяжении 100.000 км или 5 лет должен сохраняться следующий уровень токсичности: CO - 1,5 г/км; для СН + NOx и NOx - 1,1 г/км; для РМ - 1,0 г/км.

Дизели и газовые двигатели с искровым зажиганием грузовых автомобилей и автобусов проверяются отдельно от транспортного средства в стендовых

условиях. Нормы, установленные стандартами Euro представлены в таблицах 1.2 и 1.3 [174, 178, 211].

Таблица 1.2 - Нормы Euro для дизелей грузовых автомобилей и автобусов при работе по циклам ESC и ELR

Euro Дата СО СН NOx РМ Дымность

г/(кВтч) м-1

Euro 4 Октябрь 2005 г. 1,5 0,46 3,5 0,02 0,5

Euro 5 Октябрь 2008 г. 1,5 0,46 2,0 0,02 0,5

Euro 6 Январь 2013 г. 1,5 0,13 0,4 0,01 —

Таблица 1.3 - Нормы Euro для дизелей и газовых двигателей грузовых автомобилей и автобусов при работе по циклу ЕТС

Euro Дата СО NMŒ СН4 NOx РМ

г/(кВтч)

Euro 4 Октябрь 2005 г. 4,0 0,55 и1 3,5 0,033

Euro 5 Октябрь 2008 г. 4,0 0,55 и1 2,0 0,03

Euro 6 Январь 2013 г. 4,0 0,164 0,52 0,4 0,01

- контролируется только для газовых двигателей, питаемых природным газом (NG);

2 - контролируется только для газовых двигателей, питаемых как природным газом (NG), так и сжиженным нефтяным (LPG);

- не контролируется для газовых двигателей;

4 - для дизелей контролируется содержание всех углеводородов (ТНС).

Начиная с Euro 4 дизели испытывают по 13-режимному циклу ESC (European Stationary Cycle), показанному в таблице 1.4, который дополнен циклом ELR (European Load Response), представленным на рисунке 1.1, для определения дымности. Она оценивается коэффициентом поглощения (м-1).

Таблица 1.4 - 13-режимный испытательный цикл Б8С

Номер режима Частота вращения Нагрузка, % Коэффициент весомости режима Продолжительность, мин

1 Холостой ход — 0,15 4

2 А 100 0,08 2

3 В 50 0,10 2

4 В 75 0,10 2

5 А 50 0,05 2

6 А 75 0,05 2

7 А 25 0,05 2

8 В 100 0,09 2

9 В 25 0,10 2

10 С 100 0,08 2

11 С 25 0,05 2

12 С 75 0,05 2

13 С 50 0,05 2

Рисунок 1.1 - Цикл ББЯ: п - частота вращения коленчатого вала; 1 - время цикла

При выполнении циклов ESC и ELR величины частот вращения коленчатого вала, соответствующие режимам А, B, C (таблица 1.4, рисунок 1.1) рассчитывают по следующим формулам:

A = nio + 0,25 (иы - nio), B = nio + 0,50 (Пы - nio), C = nio + 0,75 (nhi - nio), где nhi - частота вращения, соответствующая эффективной мощности, равной 70 % от максимальной эффективной мощности (Ne max) нетто в зоне частот вращения выше частоты вращения, соответствующей Ne max; nio - частота вращения, соответствующая эффективной мощности, равной 50 % от максимальной эффективной мощности (Ne max) нетто в зоне частот вращения ниже частоты вращения, соответствующей Ne max.

В дополнение к циклам ESC и ELR проводятся испытания по циклу неустановившихся режимов ETC (European Transient Cycie), изображенному на рисунок 1.2, где: n - отношение текущей частоты вращения коленчатого вала к номинальной частоте вращения, выраженное в процентах; Мк - отношение текущего эффективного крутящего момента к максимальному, выраженное в процентах.

Все газовые двигатели, начиная с Euro 3 проходят сертификацию только по циклу ETC.Введение Euro 6 привносит по сравнению с Euro 4 и Euro 5 ряд изменений.

Устанавливается ограничение на содержание аммиака (NH3) в ОГ. Для дизелей и газовых двигателей оно составляет 10 млн-1 за весь цикл испытаний (ESC + ETC для дизелей; ETC для газовых двигателей). Вводятся нормы, ограничивающие PN, помимо PM, указанных в таблицах 1.2 и 1.3.

Рисунок 1.2 - Цикл неустановившихся режимов ETC

Для сертификации двигателя на удовлетворение требованиям норм Euro 6 испытания будут проводиться дополнительно по новым циклам WHSC (World Harmonized Stationary Cycle) и WHTC (World Harmonized Transient Cycle), приведенный рисунке 1.3. Цикл WHSC содержит 13 режимов и отличается от ESC другими значениями n и нагрузки, а также весовыми коэффициентами.

М 1Г)Г) П

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 t, с

Рисунок 1.3 - Цикл неустановившихся режимов WHTC

Циклы WHSC и WHTC отражают условия работы двигателя в составе транспортного средства в Европейском союзе, США, Японии и Австралии и характеризуются наличием большого числа режимов с малыми и средними частотами вращения коленчатого вала и частичными нагрузками. Аналогичные нормы введены в Китае.

Во всем Мире, наряду с автомобильным транспортом, содержание токсичных веществ в ОГ ограничивают для внедорожной техники.

Европейский союз вводит ограничения на содержание токсичных веществ в ОГ внедорожной техники, которые оговариваются нормами Stage [165, 166, 175, 176, 177, 179]. Сводная информация по стандартам Stage представлена в таблице 1.5. В этой таблице все двигатели условно разделены по интервалам мощностей Ne max Согласно [172] Ne max - максимальная эффективная мощность нетто, определяемая при положении рычага управления дизелем на упоре максимальной подачи.

Таблица 1.5 - Пределы выбросов токсичных веществ с ОГ двигателей

внедорожной техники по стандартам Stage

Ne max, кВт Stage Дата СО Ш Ш + NOx NOx РМ

г/(кВтч)

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Дунин Андрей Юрьевич, 2021 год

/ \

1 ■ 1 ,СЮкл/с1т > 1 1 \

0,4 0.3 1,2 1,6 2.0 2,4 2,8 Т, МС

Рисунок 3.29 - Параметры процесса топливоподачи ЭГФ №1 при управлении передним фронтом характеристики впрыскивания: ктр = 60 Нс/м, рак = 100 МПа

Показанные на рисунках 3.28 и 3.29 характеристики впрыскивания получены при рак = 100 МПа и Qц = 258,2 мг. Для расчета влияния сил трения ^тр при движении поршенька управляющего клапана были использованы данные, приведенные в работе [130] для иглы распылителя.

Аналогичные рисункам 3.28 и 3.29 результаты получены при рак = 150 МПа и силе К,м, заданной в соответствии с таблицей 3.5.

Показано, что ступенчатый передний фронт характеристики впрыскивания полностью сглаживается при ктр = 60 Нс/м (рак = 100 МПа, рисунок 3.29) и при ктр = 50 Нс/м (рак = 150 МПа). В случае ктр = 60 Нс/м максимальное значение силы трения составило ^тр тах = 84 Н.

Оценка стабильности формирования ЭГФ №1 ступенчатой характеристики впрыскивания по сравнению со стабильностью формирования предварительного впрыскивания проведена экспериментально с применением ИКТС-МАДИ. Для проведения исследований выбрана форсунка производства АЗПИ, выполненная

по схеме, изображенной на рисунке 3.25. Система управления экспериментальной установкой ИКТС-МАДИ (рисунок 2.6) обеспечивает формирование управляющего импульса с точностью до ± 5 мкс.

Продолжительности управляющих импульсов и интервалов между ними при формировании ступенчатой характеристики впрыскивания приведены в таблице 3.6, где: тимп1, тимп2, тимпз - длительности, соответственно, первого, второго и третьего управляющих импульсов; Лт1-2, Лт2-3 - интервалы, соответственно, между первым и вторым, вторым и третьем управляющими импульсами.

Таблица 3.6 - Продолжительности управляющих импульсов и интервалов между ними, задаваемых при испытании ЭГФ №1, в случае формирования ступенчатого переднего фронта дифференциальной характеристики впрыскивания

Параметр Рак, МПа тимпЪ мс Лт1-2, мс мс Лт2-3, мс "^им^ мс

Значение 150 0,35 0,27 0,33 0,43 1,9

Результаты трех замеров цикловых подач топлива реализованных в соответствии с таблицей 3.6 приведены в таблице 3.7 [224], где: т - количество циклов впрыскиваний; М- мерная масса топлива за т циклов.

Таблица 3.7 - Результаты измерения цикловых подач топлива ЭГФ №1 при формировании ступенчатого переднего фронта дифференциальной характеристики впрыскивания

№ замера т М, г мг

1 125 54,6 436,8

2 125 65,9 527,2

3 125 68,8 550,4

Оценка стабильности цикловых подач с предварительным впрыскиванием ЭГФ №1 показала колебания Qц от 0,8 до 8,7%.

Из таблицы 3.7 видно, что наибольший разброс Qц между замерами составил 22,5%. Такой увеличенный (по сравнению с применением предварительного впрыскивания) разброс объясняется наличием в конструкции ЭГФ №1 управляющего клапана с поршеньком 12 (рисунок 3.25). Переменная сила трения в соединении поршенек - направляющая поверхность приводит к нестабильному движению управляющего клапана и, как следствие, к изменению формы переднего фронта характеристики и времени окончания впрыскивания топлива.

Расчетное исследование ЭГФ №2, отличающейся высоким быстродействием привода управляющего клапана 2 (рисунок 3.26), с целью оценки возможности реализации ступенчатой характеристики впрыскивания топлива показало, что при рак = 100 МПа это возможно осуществить, только используя управляющие импульсы отличающиеся на 1 мкс (таблица 3.8). Такая точность формирования импульса находится за пределом возможностей большинства современных систем управления АТС. На данном режиме работы ЭГФ №2 расчетная цикловая подача Qц составила 43,9 мг, а расход топлива на управление Q1 = 37,3 мг.

Таблица 3.8 - Заданное изменение во времени т силы электромагнита ЭГФ №2, обеспечивающее ступенчатый передний фронт дифференциальной характеристики впрыскивания при рак = 100 МПа

Параметр Величины

т, мс 0 0,006 0,007 0,008 0,19 0,2 2 2,1

^эл, Н 0 200 200 0 0 200 200 0

Для получения ступенчатого впрыскивания топлива при рак = 200 МПа пришлось увеличить силу от предварительной затяжки пружины 9 (рисунок 3.26) клапана 2 с 47 до 94 Н. В этих условиях для организации ступенчатого впрыскивания потребовались импульсы отличающиеся на 0,01 мкс.

В таблице 3.9 представлена зависимость силы ¥эм от времени т при рак = 50 МПа. На данном режиме работы ЭГФ №2 получен ступенчатый передний фронт при Qц = 31,1 мг и Qy = 26,54 мг.

Таблица 3.9 - Заданное изменение во времени т силы ¥эм электромагнита ЭГФ №2, обеспечивающее ступенчатый передний фронт дифференциальной характеристики впрыскивания при рак = 50 МПа

Параметр Величины

т, мс 0 0,005 0,015 0,02 0,19 0,2 2 2,1

¥ Н 1 эм? 0 200 200 0 0 200 200 0

Результаты, приведенные в таблицах 3.6 и 3.7, показывают, что получить ступенчатую характеристику при современной точности сигналов систем управления (± 1 мкс) возможно только при рак < 50 МПа из-за особенности конструкции управляющего клапана ЭГФ №2. Следует также отметить, что ступенчатое впрыскивание используется, как правило, при нагрузках близких к максимальным [33, 35, 99], на которых требуются высокие давления впрыскивания топлива.

Для экспериментального анализа стабильности формы характеристики впрыскивания топлива ЭГФ №3 (рисунок 3.27), выбраны три режима работы форсунки СМ2.2, представленные в таблице 3.10: первый и второй режимы -ступенчатый передний фронт характеристики впрыскивания; третий - двукратное впрыскивание. Первый и второй режимы отличаются как длительностью ступени (на режиме №1 ступень формируют два предварительных импульса, а на режиме №2 - один), так и давлением в топливном аккумуляторе при проведении эксперимента: рак = 100 МПа - в первом случае и рак = 150 МПа - во втором. Исследования проведены на экспериментальной установке ИКТС-МАДИ (рисунок 2.6). На каждом режиме работы форсунки проведено три регистрации характеристики впрыскивания, по которым были рассчитаны величины Qц.

Таблица 3.10 - Продолжительности управляющих импульсов и интервалов между ними, задаваемых при испытании ЭГФ №3

№ режима Тимп1, мс Ат1-2, мс 1имп2, мс Ат2-3, мс 1имп3, мс

1 0,25 1,3 0,15 1,3 0,5

2 0,25 1,12 0,5 - -

3 0,15 6 0,7 - -

Из таблицы 3.10, режим №1, виден еще один недостаток предложенного способа управления характеристикой впрыскивания - т2, как и каждый последующий импульс должен быть меньше предыдущего (в данном случае т1). Это связано с тем, что за время окончания предыдущего импульса игла не успела сесть на седло и последующий импульс вновь способствует ее подъему, но уже с некоторого промежуточного положения. Это положение определяется как параметрами предыдущего импульса, так и динамикой электрического привода ЭГФ, давлением рак, а также волновыми явлениями в линии высокого давления [42, 46, 148, 219, 220, 225], которые будут описаны далее. Сокращение т2 и последующих импульсов, образующих ступень переднего фронта, ограничивают ее длительность, так как выбор продолжительности импульса ограничен точностью сигналов системы управления дизелем, о чем было сказано выше.

Полученные характеристики впрыскивания для режимов №1 ... 3 (таблица 3.10) представлены соответственно на рисунках 3.30 ... 3.32 [224], где dQ/dт1, dQ/dт2, dQ/dтз -дифференциальные характеристики впрыскивания за первую, вторую и третью регистрации. Величины Qц за каждый замер ^ц1, Qц2, Qц3) даны в таблице 3.11.

Межцикловая нестабильность на режиме №1 (таблица 3.11 и рисунок 3.30) составляет 18,9 мг (15,1%); на режиме №2 (таблица 3.11 и рисунок 3.31) - 19,5 мг (13,06%). При этом межцикловая нестабильность характерна также и для режима №3 с предварительным и основным впрыскиваниями (таблица 3.11 и рисунок 3.32). В этом случае ее величина составляет 8,7 мг (9,4%).

сЮ/ск, мг/мс

40

35

30

25

20

15

10

СЮ/С1Т2

сЮ/сН"1

6016т 3 /""т. СД //

¿л\ ] к

10

12 Т, МС

Рисунок 3.30 - Результаты регистрации дифференциальных характеристики впрыскивания топлива при работе ЭГФ №3 на режиме №1 (рак = 100 МПа)

сЮ/с!т, мг/мс

100

90 80 70 50 50 40 30 20 10

dQ/dт2

с10/с1т1

сю/сь-з. 7' > 1 ■ /Л*. /

П1 XI

к

и '1

6 Т, МС

Рисунок 3.31 - Результаты регистрации дифференциальных характеристики впрыскивания топлива при работе ЭГФ №3 на режиме №2 (рак = 150 МПа)

с10/с1т, мг/мс

40 35 30 25 20 15 10 5 0

сЮ/с1т1 А

сЮ/с1т3

N \

С10/С|Т2 1 ^ п

3 \

О 2 4 6 8 10 12 14 16 Т, МС Рисунок 3.32 - Результаты регистрации дифференциальных характеристики впрыскивания топлива при работе ЭГФ №3 на режиме №3 (рак = 100 МПа)

Таблица 3.11 - Результаты регистрации цикловых подач на режимах работы ЭГФ №3

№ режима Рак, МПа Qцl, мг Qц2, мг Qц3, мг

1 100 128,7 132,2 113,3

2 150 161,4 144,7 141,9

3 100 96,9 88,2 92,8

Как показали работы, проведенные автором, помимо межцикловой нестабильности, характеристика впрыскивания зависит от технологических допусков на изготовление ЭГФ [29].

Конструкция ЭГФ №3 позволяет получить ступенчатую характеристику впрыскивания при рак = 150 МПа в отличие от ЭГФ №2 с более быстрым приводом управляющего клапана.

Таким образом, для применения разработанного способа управления формой характеристики впрыскивания, необходимо увеличивать точность

формирования сигнала системой управления с увеличением динамики привода и давления впрыскивания. Это дополнительно удорожает АТС.

Для решения этой проблемы предложена ЭГФ №4 [51], которая отличается конструкцией управляющего клапана 3 (рисунок 3.33) с плоским запором, а также тем, что при нахождении в верхнем положении торец иглы 8 не перекрывает слив (в отличие от ЭГФ №2, рисунок 3.26).

Рисунок 3.33 - Конструктивная схема ЭГФ №4, отличающаяся управляющим клапаном с плоским запором и иглой, не перекрывающей слив при нахождении в крайнем верхнем положении:

1 - пружина управляющего клапан; 2 - электромагнит; 3 - управляющий клапан; 4 - выпускной жиклер; 5 - управляющая камера; 6 - корпус ЭГФ; 7 - пружина иглы; 8 - игла распылителя; 9 - наполнительный жиклер; 10 - внутренний объем ЭГФ; 11 - подыгольный объем; 12 -втулка распылителя

С применением моделирующей составляющей разработанного ИКТС-МАДИ проведено расчетное исследование предложенной конструкции ЭГФ (рисунок 3.33).

Рассмотрена возможность получения ступенчатой характеристики впрыскивания при подаче одного (таблица 3.12) и двух (таблица 3.13) предварительных импульсов. В обоих случаях общая длительность группы управляющих импульсов составила одинаковую величину 2,1 мс. Давление в топливном аккумуляторе рак = 200 МПа.

Таблица 3.12 - Продолжительности управляющих импульсов и интервалов между ними для ЭГФ №4 (один предварительный импульс)

Параметр Величины

т, мс 0 0,1 0,12 0,14 0,35 0,37 2 2,1

¥ Н 1 эм? 0 200 200 0 0 200 200 0

Таблица 3.13 - Продолжительности управляющих импульсов и интервалов между ними для ЭГФ №4 (два предварительных импульса)

Параметр Величины

т, мс 0 0,1 0,2 0,25 0,38 0,43 0,435 0,445 0,63 0,68 2 2,1

¥ Н 1 эм? 0 200 200 0 0 200 200 0 0 200 200 0

На рисунках 3.34 и 3.35 приведены результаты расчета параметров процесса впрыскивания ЭГФ №4 при подаче одного и двух предварительных импульсов соответственно.

Расчетно доказана возможность получения с применением ЭГФ №4 ступенчатой характеристики впрыскивания топлива [224], как с помощью формирования одного предварительного импульса (рисунок 3.34), так и с помощью двух предварительных импульсов (рисунок 3.35).

В отличии от ЭГФ №2 аналогичные результаты получены в диапазоне значений рак от 50 до 200 МПа, что полностью покрывает диапазон изменения давления в топливном аккумуляторе современной АТС. При этом ЭГФ №4 показала более быстрое нарастание переднего фронта характеристики впрыскивания, сопоставимое с ЭГФ №2.

Как и в случае ЭГФ №3 (режим №1, таблица 3.10), при применении ЭГФ №4 длительность второго предварительного импульса должна быть меньше первого. Так, согласно таблицы 3.13, при рак = 200 МПа: тимп1 = 0,25 мс, а тимп2 = 0,065 мс.

О 0,4 0 8 1,2 1 6 2,0 2,4 2,8 3,2 3 6 I, МС

Рисунок 3.34 - Параметры процесса топливоподачи ЭГФ №4 при управлении передним фронтом характеристики впрыскивания одним предварительным импульсом: рак = 200 МПа, Qц = 662,5 мг

1"1кп, Ии, ММ

0 0,4 0,3 1,2 1,6 2,0 2,4 2,3 3,2 3,6 Т, МС

сЮ/йг, сЮкл/Ьт, мг/мс

С| / а/ сНг

/ г г* с1С — и — с!т — \ \

0 0,4 0,3 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 Т, МС

Рисунок 3.35 - Параметры процесса топливоподачи ЭГФ №4 при управлении передним фронтом характеристики впрыскивания двумя предварительным импульсом: рак = 200 МПа, Qц = 675,2 мг

Не смотря на одинаковую продолжительность группы управляющих импульсов в 2,1 мс (таблицы 3.12 и 3.13), в случае подачи одного управляющего суммарная длительность импульсов без учета интервалов между ними составила больше времени, чем в случае с двумя предварительными импульсами: 1,89 мс (таблица 3.12) против 1,785 мс (таблица 3.13). Однако во втором случае (рисунок 3.35) Qц и длительность процесса впрыскивания выше, чем в первом (рисунок 3.34), что объясняется большим временем-сечением Лкл = ^т) управляющего клапана. С повышением числа предварительных импульсов это может способствовать снижению точности управления Qц.

Предложенная конструктивная схема ЭГФ №4 реализована в экспериментальных образцах форсунок АТС, разработанных в МАДИ и описанных в главе 4 диссертации.

3.3 Влияние ступенчатой формы переднего фронта дифференциальной характеристики впрыскивания на рабочий процесс дизеля

Расчетное исследования влияния ступенчатой формы переднего фронта дифференциальной характеристики впрыскивания на рабочий процесс дизеля проведено в программном комплексе ДИЗЕЛЬ-РК, разработанном в МГТУ им. Н.Э. Баумана и подробно описанном в [59].

В качестве объекта исследования выбран дизель 1ЧН 12/13 (рисунок 2.23, таблицы 2.2 и 2.3), входящий в состав ИКТС-МАДИ.

Для проверки модели дизеля 1ЧН 12/13, созданной в ДИЗЕЛЬ-РК, проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных, приведенных в [7], на режиме максимального крутящего момента: Мк = 145 Н-м, п = 1400 мин-1. Выбранный режим - один из тяжелых с позиции обеспечения требований к экологическим показателя на котором применяют управление передним фронтом характеристики впрыскивания [99].

Согласно [7] в исследованиях применен распылитель с шестью распыливающими отверстиями диаметром 0,24 мм. Величина Qц составила 110 мг, а

продолжительность впрыскивания - 20° поворота коленчатого вала (ПКВ). Угол опережения впрыскивания составил 5° ПКВ до верхней мертвой точки (ВМТ).

Экспериментальная дифференциальная характеристика впрыскивания топлива, заданная в ДИЗЕЛЬ-РК, приведена на рисунке 3.36.

0 2 4 6 3 10 12 14 16 10 20

Угол поворота коленЕала после начала еп рыска, [град]

Рисунок 3.36 - Дифференциальная характеристика впрыскивания топлива, заданная по работе [7] в программном комплексе ДИЗЕЛЬ-РК, на режиме максимального крутящего момента дизеля 1ЧН 12/13 (рак = 100 МПа)

На рисунке 3.36 «скорость впрыска» соответствует величине ё^/ёф, где ф -угол поворота коленчатого вала двигателя.

Сопоставление расчетных значений показателей рабочего процесса дизеля 1ЧН 12/13 на режиме максимального крутящего момента в сравнении с результатами испытаний, проведенных в МАДИ [7], представлены в таблице 3.14.

Анализ данных в таблице 3.14 подтверждает сходство основных параметров рабочего процесса дизеля 1ЧН 12/13, полученных экспериментально и расчетно.

Цель исследования - анализ возможности снижения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами дизеля 1ЧН 12/13 при помощи формирования ступенчатого переднего фронта дифференциальной характеристики впрыскивания совместно с управлением углом опережения впрыскивания топлива фо вп. и увеличением давления рк [48].

Таблица 3.14 - Сопоставление расчетных значений показателей рабочего процесса дизеля 1ЧН 12/13 на режиме максимального крутящего момента и экспериментальных данных (Мк = 145 Н-м, п = 1400 мин-1)

Параметр и размерность Эксперимент Расчет Ошибка, %

Давление воздуха на впуске, рк, МПа 1,9 1,91 0,52

Температура воздуха на впуске, Тк, К 300 313 4,15

Расход воздуха, Gв, кг/ч 123,7 123,2 0,4

Коэффициент избытка воздуха, а 1,85 1,85 0

Максимальное давление впрыскивания р'ф тах, МПа 77 80 3,9

Максимальное давление цикла, р2, МПа 10,3 10,9 5,5

Индикаторный КПД, ^ 0,46 0,457 0,44

Эффективная мощность, Ыв, кВт 21,6 20,95 3,35

Содержание оксидов азота в отработавших газах КОх, г/(кВт- ч) 5,8 5,3 9,4

На первом этапе расчетного исследования рассмотрено влияние ступенчатого переднего фронта характеристики впрыскивания топлива на показатели токсичности дизеля.

Расчеты проведены для двух характеристик впрыскивания, приведенных на рисунках 3.37 и 3.38 в том виде, как они были заданы в расчетном комплексе ДИЗЕЛЬ-РК. Отличие задаваемых характеристик в величине У - отношении максимального значения dQ/dт в зоне ступени переднего фронта дифференциальной характеристики впрыскивания к (dQ/dт)max. Для характеристики на рисунке 3.37 величина У составила 0,33, а на рисунке 3.38 - У = 0,59.

Результаты расчета рабочего процесса дизеля 1 ЧН 12/13 для трех характеристик впрыскивания (рисунки 3.36 ... 3.38) сведены в таблице 3.15, где: характеристика №1 - дифференциальная характеристика впрыскивания, приведенная на рисунке 3.36; характеристика №2 и характеристика №3 -показаны на рисунках 3.37 и 3.38 соответственно.

Рисунок 3.37 - Дифференциальная характеристика впрыскивания топлива со ступенчатым передним фронтом (У = 0,33), заданная в программном комплексе ДИЗЕЛЬ-РК, на режиме максимального крутящего момента дизеля 1ЧН 12/13 (рак = 110 МПа)

О 2 4 6 3 10 12 14 16 1S 20 Угол поворота коленЕала после начала впрыска, [град]

Рисунок 3.38 - Дифференциальная характеристика впрыскивания топлива со ступенчатым передним фронтом (У = 0,59), заданная в программном комплексе ДИЗЕЛЬ-РК, на режиме максимального крутящего момента дизеля 1ЧН 12/13 (рак = 105 МПа)

Таблица 3.15 - Влияние формы дифференциальной характеристики впрыскивания на показатели рабочего процесса дизеля 1ЧН12/13 (режим максимального крутящего момента)

Параметр и размерность Характеристика №1 Характеристика №2 Характеристика №3

Максимальное давление цикла р2, МПа 10,9 10,1 10,7

Максимальная температура цикла Т2, К 1814 1761 1800

Максимальная скорость нарастания давления (ф/ЭДтах, МПа/° 0,208 0,192 0,203

Содержание дисперсных частиц в отработавших газах РМ, г/(кВт- ч) 0,25 0,39 0,28

Содержание оксидов азота в отработавших газах КОх, г/(кВт-ч) 5,25 3,96 4,98

Применение ступенчатой характеристики впрыскивания №2 (рисунок 3.37) снижает ^р/^ф)тах на 8% по сравнению с базовой характеристикой №1 (рисунок 3.36). Это приводит к уменьшению N0 на 32% при увеличении РМ на 59%.

Снижение (ф/Аф)тх и N0 произошло благодаря уменьшению количества топлива, поданного за период задержки воспламенения. Характеристика №2 обладает наименьшей величиной У = 0,33.

Ступенчатая характеристика впрыскивания №3 (рисунок 3.38) с большей высотой расположения ступеньки (У = 0,59) не значительно влияет на показатели рабочего процесса по сравнению с характеристикой №2 (таблица 3.15).

Эффективность ступенчатого впрыскивания уменьшается с увеличением скорости подачи топлива на первом этапе подачи относительно максимальной

скорости основной фазы впрыскивания. Так, например, при У = 0,33 выбросы N0 снизились на 25%, а при У = 0,59 на 5,3 по сравнению с работой дизеля при подаче топлива с дифференциальной характеристикой №1.

На втором этапе исследовано влияния фовп. на показатели цикла при значении степени повышении давления наддува пк = 2. В расчетах использовались две характеристики впрыскивания топлива: базовая характеристика №1 и характеристика №2, показавшая наилучший результат на первом этапе исследований.

Рассмотрен диапазон изменения фовп. от -5 ... 15 °ПКВ до ВМТ. Отрицательное значение фовп. обозначает, что впрыскивание начато после ВМТ.

Результаты влияния фовп. и формы характеристики впрыскивания приведены в таблице 3.16 и на рисунке 3.39.

Таблица 3.16 - Влияние формы дифференциальной характеристики впрыскивания и угла опережения впрыскивания на показатели рабочего процесса дизеля 1ЧН 12/13 (режим максимального крутящего момента, пк = 2)

Параметр Характеристика №1 Характеристика №2

фо.вп., °ПКВ до ВМТ -5 0 5 10 15 -5 0 5 10 15

Л1 0,427 0,446 0,457 0,462 0,46 0,417 0,436 0,449 0,46 0,46

Рг, МПа 7,95 8,98 10,91 12,9 14,81 7,95 8,27 10,13 12,26 14,36

Тг, К 1729 1771 1813 1872 1942 1696 1725 1761 1844 1913

(ф/ёф)тах, МПа/° 0,209 0,170 0,208 0,359 0,63 0,209 0,166 0,192 0,299 0,545

РМ, г/(кВт- ч) 0,858 0,383 0,245 0,168 0,121 1,11 0,599 0,392 0,217 0,15

КОх, г/(кВт- ч) 2,97 3,88 5,23 7,86 11,83 2,35 2,4 3,96 7,04 11

а 1,85 1,85 1,85 1,85 1,85 1,85 1,85 1,85 1,85 1,85

-10 -5 0 5 10 15 20 фо.ы,., *ПКВ до ВМТ Рисунок 3.39 - Влияние формы дифференциальной характеристики впрыскивания и угла опережения впрыскивания на показатели токсичности отработавших газов дизеля 1ЧН 12/13 (режим максимального крутящего момента,

Пк = 2)

Для обоих дифференциальных характеристик более ранний угол опережения впрыскивания (15 °ПКВ до ВМТ) на линии сжатия приводит к повышению максимальной температуры сгорания Т (таблица 3.16) из-за более раннего начала процесса сгорания. Это способствует более полному окислению топлива, благодаря чему увеличивается Однако, раннее начало

тепловыделения способствует росту максимальных величин давления р2 и скорости его нарастания (ф/ёф)тах, а также повышению выбросов N0

Уменьшение фовп. до 5 °ПКВ после ВМТ приводит к снижению максимальной температуры тепловыделения и времени, отводимого на процесс окисления продуктов сгорания, но одновременно снижается полнота сгорания. Это уменьшает содержание N0 при ухудшении экономичности и повышении содержания РМ в отработавших газах. Так, например, для характеристики №2 при фо вп. = 5 °ПКВ после ВМТ по сравнению с началом впрыскивания за 15 °ПКВ до ВМТ выбросы N0 снизились в 5 раз, а содержание РМ увеличилось почти в 8 раз. При этом " уменьшился на 9%.

При всех значения фовп. ступенчатая характеристика №2 продемонстрировала снижение N0 и рост РМ с уменьшением " (рисунок 3.39).

На третьем этапе исследования степень повышения давления пк увеличена до 3. Это способствовало росту коэффициента избытка воздуха с 1,85 (пк = 2) до 2,57 (пк = 3). В остальном серия расчетов соответствовала второму этапу. Полученные результаты приведены в таблице 3.17 и на рисунке 3.40.

Таблица 3.17 - Влияние формы дифференциальной характеристики впрыскивания и угла опережения впрыскивания на показатели рабочего процесса дизеля 1ЧН 12/13 (режим максимального крутящего момента, пк = 3)

Параметр Характеристика №1 Характеристика №2

фо.вп., °ПКВ до ВМТ -5 0 5 10 15 -5 0 5 10 15

Л1 0,445 0,462 0,472 0,474 0,468 0,438 0,457 0,468 0,473 0,47

Рг, МПа 11,83 12,51 14,92 17,3 19,6 11,83 11,86 14,2 16,68 19

Тг, К 1552 1599 1652 1711 1781 1518 1563 1612 1673 1746

(ф/ёф)шах, МПа/° 0,311 0,263 0,299 0,48 0,73 0,311 0,261 0,286 0,411 0,65

РМ, г/(кВт- ч) 0,138 0,059 0,054 0,059 0,064 0,264 0,102 0,08 0,076 0,078

КОх, г/(кВт- ч) 3,27 4,45 6,19 9,18 13,7 2,88 3,83 5,24 7,83 11,87

а 2,6 2,58 2,56 2,54 2,52 2,6 2,59 2,57 2,55 2,53

РМ, г/(кВтч) 1,2

1.0

0.8

0,6

0,4

0,2

N0*, г/(кВгч) 14

]

/ / у

/

//

РМ /X }у*3Ра <терист 1ка №2 _

^характеристика №1

12

10

6

-10 -5

10 15 20 ф0

ЬПКВ до ВМТ

Ч

0,48 0,46 0,44

0,42 0,40

■ характ еристик 1 №1 . И

1 А // г/ [ хха ракт еристин а №2

-10 -5 0 5 10 15 20 фс.ЕП„ °ГЖВ до ВМТ

Рисунок 3.40 - Влияние формы дифференциальной характеристики впрыскивания и угла опережения впрыскивания на показатели токсичности отработавших газов дизеля 1ЧН 12/13 (режим максимального крутящего момента, Пк = 3)

Увеличение пк дает возможность снизить выбросы РМ и повысить ^ при незначительном увеличении выбросов КОх. Следует также отметить, что с ростом пк растут механические нагрузки из-за роста р2.

Сравнение результатов расчета влияния увеличения давления наддува с пк = 2 (таблица 3.16 и рисунок 3.39) до пк = 3 (таблица 3.17 и рисунок 3.40), при использовании ступенчатого переднего фронта дифференциальной характеристики впрыскивания, показывает существенное снижение РМ (с 1,11 ...

0,15 до 0,264 ... 0,078 г/(кВт- ч) из-за увеличения коэффициента избытка воздуха и увеличение " (с 0,417 ... 0,45 до 0,438 ... 0,47). При этом увеличиваются максимальная температура цикла и выбросы КОх.

3.4 Основные результаты и выводы по третьей главе

1. Для снижения содержания оксидов азота в отработавших газах разработаны способы управления формой характеристики впрыскивания: первый - конструкция электрогидравлической форсунки (ЭГФ) с двумя промежуточными упорами и дополнительными пружинами (патент на изобретение № 2613009); второй - управление электрическим импульсом, поступающим на электромагнит управляющего клапана (патент на изобретение № 2652855). Преимущества методов - отсутствует необходимость установки дополнительных сложных прецизионных узлов в конструкцию ЭГФ, что делает эти способы относительно простыми и недорогими.

2. Для анализа влияния на топливоподачу упругости в элементах ЭГФ с двумя промежуточными упорами в вычислительную составляющую ИКТС-МАДИ введена модель динамики иглы и управляющего клапана, учитывающее действие дополнительных пружин согласно патента № 2613009.

3. Проведено расчетное обоснование выбора основных конструктивных решений ЭГФ с двумя промежуточными упорами и дополнительными пружинами для получения устойчивой ступенчатой формы переднего фронта характеристики впрыскивания:

• значения жесткости основной и дополнительной пружин иглы распылителя составляют 55 Н/мм, силы предварительной затяжки основной пружины составляет 5 МПа, а дополнительной - 35 МПа;

• определены ход управляющего клапана и подъем иглы распылителя, при которых происходит достижение ими промежуточных упоров: 0,012 и 0,08 мм соответственно;

• снижение объема управляющей камеры до 30 мм приводит к более ровному протеканию характеристики впрыскивания при подъеме иглы на упор, сокращается гидравлическая задержка, задний фронт характеристики впрыскивания становится более крутым; дальнейшее уменьшение объема до 10

3

мм не приводит к существенным изменениям в улучшении характеристики топливоподачи, но технологически усложняет конструкцию.

4. Недостаток конструкции ЭГФ с двумя промежуточными упорами и дополнительными пружинами - невозможность управлять скоростью истечения (высотой ступени переднего фронта) в фазе предварительного впрыскивания. Для решения этой проблемы предложено управление электрическим импульсом, поступающим на электромагнит клапана ЭГФ. Импульс состоит из двух предварительных и одного основного. Длительность первого управляющего импульса определяет высоту ступени переднего фронта дифференциальной характеристики впрыскивания, которая составляет 0,2 . 0,8 максимальной ее высоты. Интервалы между импульсами подбираются таким образом, чтобы обеспечить ступенчатый передний фронт дифференциальной характеристики впрыскивания.

5. Способ управления электрическим импульсом для обеспечения ступенчатой формой переднего фронта дифференциальной характеристики впрыскивания исследован с применением вычислительной составляющей ИКТС-МАДИ на четырех вариантах ЭГФ с различной конструкцией управляющего клапана:

• дополнительное трение в паре поршенек управляющего клапана -направляющая поверхность ЭГФ №1 сглаживает ступенчатую форму переднего фронта характеристики впрыскивания;

• при применении ЭГФ №2 с разгруженным от давления топлива управляющим клапаном, каналом на поршне и увеличенным внутренним объемом получить ступенчатое впрыскивание возможно лишь при небольших давлениях топлива в топливном аккумуляторе рак (рак < 50 МПа);

• в рабочем диапазоне значений рак (рак < 200 МПа) ступенчатая форма переднего фронта получена с применением управляющего клапана с плоским запором и иглой (ЭГФ №4), не перекрывающей слив при нахождении в крайнем верхнем положении, а также ЭГФ №3 с частичным перекрытием слива топлива из камеры управления;

• при применении ЭГФ №3 нестабильность топливоподачи при ступенчатом переднем фронте сопоставима с нестабильностью предварительного впрыскивания;

• в качестве наиболее приемлемого выбран вариант конструкции ЭГФ №4.

6. С применением полученных экспериментально дифференциальных характеристик впрыскивания проведены расчетные исследования рабочего процесса одноцилиндрового дизеля 1ЧН12/13 ИКТС-МАДИ по идентифицированной модели:

• на режиме максимального крутящего момента при степени повышения давления в компрессоре рк = 2 и угле опережения впрыскивания фовп. = 5° ПКВ до ВМТ применение ступенчатой характеристики впрыскивания топлива, по сравнению с ее традиционной формой, снижает максимальную скорость нарастания давления (dp/dф)max на 8% и выбросы оксидов азота КОх - на 32% при увеличении содержания дисперсных частиц РМ на 59% и уменьшении индикаторного КПД " на 1,8%;

• увеличение рк снижает эффект от ступенчатого переднего фронта характеристики впрыскивания, так при рк = 3 величина (dp/dф)max снижается на 5% и КОх - на 18%, а РМ увеличивается на 48% при снижении " на 0,8%;

• эффективность применения ступенчатого впрыскивания уменьшается с увеличением скорости подачи топлива на первом этапе подачи (на ступеньке дст) относительно максимальной скорости впрыскивания (^тах), например, при дст / Ятах = 0,33 выбросы КЮх снизились (по сравнению с традиционной характеристикой впрыскивания) на 25%, а при дст / дтах = 0,55 - на 5,3%.

4 РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

АККУМУЛЯТОРНЫХ ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

В предыдущей главе для иллюстрации возможностей вычислительной и исследовательской составляющих ИКТС МАДИ рассмотрены результаты их применения для разработки способов управления передним фронтом дифференциальной характеристики впрыскивания с последующим выбором конструктивной схемы ЭГФ №4 (рисунок 3.33), реализующей их при значениях давления рак до 200 МПа.

Последующее применение интегрированного комплекса ИКТС-МАДИ (этап 3, рисунок 2.2) связано с определением технических решений элементов конструкций вариантов форсунок и АТС для дизелей различного назначения, обеспечивающих необходимую стабильность топливоподачи при управлении формой характеристики впрыскивания (пункт 4.1).

Особенность АТС - необходимость включения в линию высокого давления топливных аккумуляторов, запасающих энергию впрыскивания и обеспечивающих стабильность топливоподачи в условиях многократного впрыскивания при высоких давлениях. В этих условиях, как показано в работах МАДИ [54, 222], проведенных с применением ИКТС-МАДИ, влияние колебания величины рак значимо сказывается на точности управления характеристикой впрыскивания и Qц. Возникает необходимость выбора величины внутренних объемов топливных аккумуляторов и вариантов их включения в линию высокого давления АТС (пункт 4.2).

4.1 Разработка аккумуляторных топливных систем для выполнения отечественными дизелями действующих и перспективных экологических требований

4.1.1 Аккумуляторная топливная система многоцелевого дизеля

Основные требования, предъявляемые к АТС перспективных транспортных дизелей (судовых и железнодорожных):

• уровень максимального давления впрыскивания до 200 МПа;

• возможность организации предварительных и последующих впрыскиваний;

• формирование на отдельных режимах ступенчатой характеристики впрыскивания.

Рассматривая два варианта привода ЭГФ (электромагнитный и пьезопривод), следует отметить, что в настоящее время наибольшее распространение получил более надежный в эксплуатации электромагнитный привод.

Рост давления впрыскивания в АТС требует изменения конструкции их распылителя. В распылителе традиционной конструкции топливо поступает по специальному каналу в карман распылителя. Проведенные расчеты показали (подпункт 5.4.4 диссертации): такое решение способствует тому, что максимальные концентрации напряжений от высокого давления топлива сосредоточены на поверхности топливного канала и в зоне его выхода в карман. Эта зона является особенно критичной для распылителя АТС, поскольку в ней постоянно присутствует высокое давление топлива.

В распылителе новой конструкции «с плавающей втулкой» 12 (рисунок 3.33) топливный канал отсутствует. Подвод топлива к распыливающим отверстиям осуществляется непосредственно вдоль всей поверхности иглы. Применение плавающей втулки по данным, приведенным в работе [82], позволяет повысить допустимые давления топлива в распылителе до 250 МПа, при этом максимальные напряжения не превышают напряжений при нагружении корпуса

распылителя традиционного типа давлением 160 МПа. Важный показатель эффективности рабочего процесса ЭГФ - относительная доля топлива, идущая на управление.

С целью уменьшения расхода топлива на управление используется отрицательная обратная связь по положению поршня и жестко связанной с ним иглы (мультипликатора). После достижения поршнем верхнего упора слив топлива из управляющей камеры прекращается. Это приводит к росту давления в управляющей камере и, следовательно, к отрыву поршня от верхнего упора; после чего поршень вновь поднимается до упора. Таким образом, совершается колебательное движение поршня, которое уменьшает расход топлива на управление.

Конструктивная схема ЭГФ №4 (рисунок 3.33) и параметры ее элементов подобраны в ходе описанных в главе 3 исследований методов управления передним фронтом дифференциальной характеристики впрыскивания. Большую роль в выборе конкретных технических решений сыграл опыт, накопленный в МАДИ и МГТУ им. Н.Э. Баумана [27, 33, 35, 144].

На рисунке 4.1 показана разработанная конструкция экспериментальной ЭГФ многоцелевого дизеля [27, 50, 223, 229]: 1 - корпус распылителя; 2 - игла распылителя; 3 - гайка распылителя; 4 - пружина распылителя; 5 - втулка распылителя; 6 - камера управления; 7 - входной жиклер; 8 - выходной жиклер; 9 -седло управляющего клапана; 10 - каналы отвода топлива, расходуемого на управление; 11 - канал подвода топлива от аккумулятора форсунки; 12 -управляющий клапан; 13 - якорь; 14 - сердечник электромагнита; 15 - корпус электромагнита; 16 - пружина якоря; 17 - пружина магнита; 18 - провода питания электромагнита; 19 - корпус форсунки; 20 - уплотняющие кольца; 21 - канал для проводов питания электромагнита; 22 - встроенный топливный аккумулятор; 23 -прижим; 24 - гайка питателя; 25 - питатель; 26 - отверстия для установки топливных трубок; 27 - топливопроводы высокого давления; 28 - штуцер для отвода утечек топлива из питателя; 29- стопорный бурт; 30 - канал подачи топлива в топливный аккумулятор.

Рисунок 4.1 - Экспериментальный образец электрогидравлической форсунки аккумуляторной топливной системы многоцелевого дизеля

Особенности конструкции ЭГФ (рисунок 4.1):

• топливный аккумулятор 22, встроенный в корпус 19 ЭГФ для сглаживания колебания давления, которые возникают из-за пульсирующей подачи со стороны ТНВД, а также из-за работы форсунок во время впрыскивания;

• распылитель с плавающей втулкой 5, для повышения его прочности и ресурса;

• конструкция элементов сливного канала, позволяющая существенно снизить долю топлива расходуемого на управление: выходной жиклер 8, управляющий клапан 12 и его седло 9, канал отвода топлива 10 в корпусе ЭГФ.

Аккумуляторы нескольких ЭГФ соединены друг с другом топливопроводами высокого давления (рисунок 4.2). Топливо из ТНВД 1 поступает в аккумулятор первой форсунки 3, затем по топливопроводам 4 последовательно передается к аккумуляторам всех ЭГФ [50, 51].

Рисунок 4.2 - Линия высокого давления с последовательным подключением электрогидравлических форсунок аккумуляторной топливной системы многоцелевого дизеля:

1 - топливный насос высокого давления; 2, 4 - топливопроводы; 3 -электрогидравлические форсунки

л

3

3

Последовательное подключение ЭГФ (рисунок 4.2) без промежуточных внешних топливных аккумуляторов способствует высокой степени унификации разрабатываемой АТС для различных типов и моделей двигателей.

Питатель 25 (рисунок 4.1) крепиться к корпусу 19 форсунки гайкой 24. В питателе имеются отверстия 26 с внутренней резьбой для фиксации топливопроводов высокого давления, а также канал 30 для подвода топлива к аккумулятору 22. Для удаления возможных утечек топлива из-за неплотности прилегания уплотняющего конуса топливопровода высокого давления к поверхности питателя в последнем имеется отверстие, в которое ввинчивается штуцер 28, связанный с линией низкого давления топливной системы.

При подаче управляющего импульса на электромагнит по проводам 18 сердечник электромагнита 14 втягивает управляющий клапан 12, преодолевая силу пружины 16, и топливо из камеры управления 6 через выходной жиклер 8 по дренажным каналам 10 сливается в топливный бак. За счет дросселирования топлива на входе в камеру управления (диаметр входного жиклера 7 меньше диаметра выходного жиклера 8) давление в камере управления 6 снижается и под действием усилия топлива, находящегося в полости распылителя у основания запирающего конуса иглы 2, она поднимется, преодолевая усилие пружины 4. Топливо поступает к входным кромкам распыливающих отверстий (8распыливающих отверстий диаметром 0,32 мм).

Для страгивания управляющего клапана применяют ток 25 ... 30 А. Сила тока для удержания клапана в открытом состоянии составляет 12 ... 15 А. Величина напряжения в обоих случаях: 45 В. Для питания электромагнита 15 в корпусе форсунки имеется канал 21, в котором проложены провода 18.

Заданный закон подачи топлива на всех режимах работы двигателя формируется изменением длительности управляющего импульса и давления в аккумуляторе 22.

После окончания импульса якорь 13 электромагнита под действием пружины 16 опускается и прижимает клапан 12 управления к седлу 9, разобщая камеру управления 6 с дренажной системой (каналы 10). При этом диск якоря 13

сжимает возвратную пружину 17, которая демпфирует действие пружины 16 во избежание смятия седла 9 при резкой посадке на него запирающего элемента 12.

Слив из камеры управления 6 прекращается. Давление в камере 6 возрастает и выравнивается с давлением в полости распылителя, игла 2 распылителя гидравлически уравновешивается, под действием пружины 4 садится на седло корпуса распылителя 1 и перекрывает подачу топлива к входным кромкам распыливающих отверстий. Впрыскивание топлива прекращается.

Топливо, расходуемое на управление, отводится из внутренней полости форсунки по каналу 10 и далее поступает в канал головки цилиндра двигателя. При этом во избежание утечек топлива при перетекании на корпусе форсунки установлены уплотняющие кольца 20.

Для установки форсунки в головку цилиндра двигателя используется прижим 23, опирающийся на бурт 29 на корпусе 19 и фиксируемый на нем штифтом.

Основной недостаток последовательного расположения ЭГФ (рисунок 4.2) -значимое влияние волновых явлений, возникающих в линии высокого давления, на межцилиндровую неравномерность цикловой подачи. Исследование этого влияния представлено в пункте 4.2 диссертации.

Для решения этого недостатка предложена конструкция с параллельным подключением ЭГФ к общему топливному аккумулятору (рисунок 4.3).

Такое подключение ЭГФ требует введения дополнительного элемента -топливного аккумулятора, объем которого подбирается с учетом геометрических параметров встроенных топливных аккумуляторов 22 (рисунок 4.1). При этом объем внешнего топливного аккумулятора может быть рассредоточен между несколькими меньшего размера, как представлено в пункте 4.2.

На основе разработанной конструкции (рисунок 4.1) изготовлено 6 экспериментальных образцов ЭГФ (согласно рисункам 4.2 и 4.3), для каждого из которых определены зависимости Qц и расхода Qу топлива на управление через клапан 12 (рисунок 4.1) от Тимп в диапазоне рак от 30 до 200 МПа при однократном впрыскивании. У всех ЭГФ были распылители с восемью распыливающими отверстиями диаметров 0,32 мм. Полученные характеристики представлены на рисунках 4.4 . 4.9.

5 12 6 7 8 3 9 10 13

Рисунок 4.3 - Линия высокого давления с параллельным подключением электрогидравлических форсунок к общему аккумулятору топливной системы многоцелевого дизеля:

1 - топливный насос высокого давления; 2 - общий топливный аккумулятор; 3 -электрогидравлическая форсунка с внутренним аккумулятором; 4, 5, 6, 7, 8, 9,10 -топливопроводы; 11 - штуцер; 12 - питатель; 13 - заглушка

Рисунок 4.4 - Характеристики экспериментального образца №1 электрогидравлической форсунки (рисунок 4.1) аккумуляторной топливной системы многоцелевого дизеля

Рисунок 4.5 - Характеристики экспериментального образца №2 электрогидравлической форсунки (рисунок 4.1) аккумуляторной топливной системы многоцелевого дизеля

Оц, мг

2000 ■ — 1300 -1600 ■ — 1400 - -1200 — 1000 ■ — 300 -500 - -

«Ю--

200 --

О —

о

си плг

Рисунок 4.6 - Характеристики экспериментального образца №3 электрогидравлической форсунки (рисунок 4.1) аккумуляторной топливной системы многоцелевого дизеля

Рисунок 4.7 - Характеристики экспериментального образца №4 электрогидравлической форсунки (рисунок 4.1) аккумуляторной топливной системы многоцелевого дизеля

Рисунок 4.8 - Характеристики экспериментального образца №5 электрогидравлической форсунки (рисунок 4.1) аккумуляторной топливной системы многоцелевого дизеля

Рисунок 4.9 - Характеристики экспериментального образца №6 электрогидравлической форсунки (рисунок 4.1) аккумуляторной топливной системы многоцелевого дизеля

Каждая испытываемая ЭГФ на экспериментальной установке для полноразмерных испытаний аккумуляторных топливных систем ИКТС-МАДИ (рисунки 2.12 и 2.13) подключалась к экспериментальному образцу ТНВД 1 (рисунок 4.2) разработанной АТС через топливопровод длиной 2200 мм и диаметром канала 4,8 мм. Остальные ЭГФ были отключены от системы управления и гидравлически не были связаны, ни с испытываемой форсункой, ни с ТНВД.

Все расходные характеристики Qц = Г(тимп) испытуемых ЭГФ (рисунки 4.4 ... 4.9) близки к линейным, что обеспечивает удобство организации управления ими. Исключение составляют малые подачи при тимп = 1 ... 3 мс и рак = 30 МПа.

Для экспериментальных образцов №1 ... 6 ЭГФ разброс наибольших цикловых подач (при тимп = 6 мс и давлении рак = 200 МПа) составляет от 1819,8 мг (образец №6) до 1866,4 мг (образец № 5). Таким образом, расхождение в номинальной цикловой подачи у испытуемых ЭГФ укладывается в 2,5% относительно наибольшего значения.

Зависимости Qу = Г(тимп) также носят линейный характер (рисунки 4.4 ... 4.9). На режиме самой малой цикловой подачи, достигаемой при тимп = 1 мс и рак = 30 МПа (соответствует холостому ходу дизеля 6ЧН 20/28 модели Д200) разброс значений отношения цикловой порции расхода на управления форсункой к цикловой подачи составляет от 7% (образцы №5 и 6) до 8,2% (образец №1). Для номинального режима работы экспериментальных ЭГФ (тимп = 6 мс и рак = 200 МПа) аналогичный разброс составляет от 6,8% (образец №1) до 7,1% (образец №6).

Возможность управления многократным впрыскиванием разработанной конструкцией ЭГФ (рисунок 4.1) подтверждена на рисунках 2.21 и 2.22.

Для экспериментального исследования применимости разработанного способа управления формой дифференциальной характеристики впрыскивания формированием электрического импульса, поступающего на электромагнит управляющего клапана 3 (рисунок 3.33), выбран образец №1 форсунки (рисунок 4.1). ЭГФ была подключена к экспериментальному ТНВД 1 (рисунок 4.2) через топливопровод 2 длиной 2200 мм и диаметром канала 4,8 мм. К образцу №1 последовательно подключены остальные экспериментальные образцы ЭГФ 4 - по порядку согласно номерам и соединены между собой топливопроводами длиной 557 мм и диаметром 4,8 мм. К последней форсунке в ряду (образец №6) подсоединен датчик давления, регистрирующий величину рак. Таким образом, исследовалось управление передним фронтом характеристики впрыскивания при работе ЭГФ в составе АТС [51].

В таблице 4.1 приведены режимы работы электрогидравлической форсунки, на которых проводилась регистрация характеристик впрыскивания. Во всех случаях давление рак составило 200 МПа - номинальное для данной конструкции ЭГФ (рисунок 4.1).

Таблица 4.1 - Длительности управляющих импульсов, подаваемые на электромагнит экспериментального образца электрогидравлической форсунки (рисунок 4.1)

№ тимпЬ ДТ1-2, АТ2-3,

режима мс мс мс мс мс

1 0,91 0,75 0,93 — —

2 0,99 1,2 0,8 — —

3 1,3 1,8 1,04 2,38 1,8

Режимы 1 и 2 соответствуют однократному впрыскиванию с формируемым ступенчатым передним фронтом его дифференциальной характеристики. Режим 3 соответствует однократному впрыскиванию с формируемым по наклону передним фронтом характеристики впрыскивания.

Полученные дифференциальные характеристики впрыскивания и соответствующие им управляющие импульсы представлены на рисунках 4.10 ... 4.12, где: I - сила тока управляющего импульса, посылаемого на электромагнит форсунки.

I» А

30

25

20

¡5

Е0

с10/с1т, мг/мс

120

О/

с1 Ут \ ^ - ~ У ■ ■ч ч

1 1» У \ щ \ ч/ / / ^ / \ \ \

\ ц У \ 1 \

1 1 / ^ > \

1 1 \ 1 г

100

80

60

40

20

0

10 Т. МС

Рисунок 4.10 - Дифференциальная характеристика впрыскивания и соответствующий ей управляющий импульс на режиме 1 работы экспериментального образца №1 электрогидравлической форсунки (рисунок 4.1)

I, А

30

25

20

15

10

с10/с1т, мг/мс

120

\Ш1

С Ч У * \ Ч \

I г ✓ / г \ V \

N / 9 ч 1 \ \

4 1 1 г \ 1 г \

1 4 * ! 1 \

100

50

60

40

20

0

10 Г. МС

Рисунок 4.11 - Дифференциальная характеристика впрыскивания и соответствующий ей управляющий импульс на режиме 2 работы экспериментального образца №1 электрогидравлической форсунки (рисунок 4.1)

1,А

40

35 30 25 20 15 10 5 0

10

15

6016т, мг/мс

120

100

1 6СУ6т /

-/ /

✓ X ч \ _\..

/ _/_[. \ 1_

! 1 _1_1 * V 1

1 1

1 1

V 1 1 ——'---

80

60

40

20

0

20 Т, МС

Рисунок 4.12 - Дифференциальная характеристика впрыскивания и соответствующий ей управляющий импульс на режиме 3 работы экспериментального образца №1 электрогидравлической форсунки (рисунок 4.1)

В таблицах 4.2 и 4.3 приведены результаты обработки полученных дифференциальных характеристик впрыскивания (рисунки 4.10 ... 4.12), где: Дтимп - время срабатывания иглы форсунки - задержка начала впрыскивания топлива относительно прихода управляющего импульсами к электромагнитному клапану форсунки; тступ - длительности ступени переднего фронта дифференциальной характеристики впрыскивания; твп - продолжительность впрыскивания; X - отношение длительности ступени переднего фронта дифференциальной характеристики впрыскивания к продолжительности впрыскивания; (ё^/ёт)ступ - максимальное значение массовой скорости подачи топлива в зоне ступени переднего фронта дифференциальной характеристики впрыскивания; (ё^/ёт)тах - максимальное значение массовой скорости подачи топлива за весь процесс впрыскивания; У - отношение максимального значения ё^/ёт в зоне ступени переднего фронта дифференциальной характеристики впрыскивания к (ё^/ёт)тах.

Таблица 4.2 - Результаты обработки дифференциальных характеристик впрыскивания экспериментального образца №1 электрогидравлической форсунки (рисунок 4.1)

№ Ат имп бц,

режима мс мг

1 0,62 520,2

2 0,59 533,8

3 0,56 1058,7

Таблица 4.3 - Характеристики ступенчатого переднего фронта дифференциальной характеристики впрыскивания экспериментального образца №1 электрогидравлической форсунки (рисунок 4.1)

№ ^туш твгъ X (ёбМт)ступ, (ёб/ёт)тах, У

режима мс мс мг/мс мг/мс

1 0,67 7,8 0,09 39,8 96,1 0,41