CC BY
89
Оригинальная статья / Original article УДК: 629.113.004
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-8-182-190
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ФОРСУНКИ
© И.В. Якимов1, С.Н. Кривцов2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Резюме. Цель. В ИРНИТУ проводится исследование применимости метода диагностики по обратной топливной магистрали для диагностики аккумуляторных топливоподающих систем автомобильных дизельных двигателей, в частности, технического состояния инжекторов как наиболее ответственной и уязвимой составляющей. Для составления математической модели электрогидравлической форсунки (ЭГФ) c целью получения точных, объективных результатов исследования возникла необходимость в определении исходных данных (структурных параметров) - масс и геометрических размеров деталей форсунки. Ввиду отсутствия такой информации эти данные были определены самостоятельно. Методы. Жесткость пружин определялась методом ступенчатой нагрузки. Размеры калиброванных отверстий ЭГФ измерялись с помощью электронного микроскопа JEOL JIB-Z4500 ФТИ ИРНИТУ, остальные размеры определялись микрометром. Результаты. Определены все необходимые структурные параметры исследуемой ЭГФ, используемые для ее математического моделирования. Заключение. Полученные структурные параметры позволят составить исследуемой математическую модель ЭГФ. Ключевые слова: электрогидравлическая форсунка (ЭГФ), топливный аккумулятор высокого давления ТАВД, диагностика, топливоподающая система ТПС, дизель, обнаружение утечек.
Формат цитирования: Якимов И.В., Кривцов С.Н. Определение исходных данных для математической модели электрогидравлической форсунки // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. № 8 (115). С. 182-190. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-8-182-190
DETERMINATION OF INPUT DATA FOR THE MATHEMATICAL MODEL OF AN ELECTROHYDRAULIC INJECTOR I.V. Yakimov, S.N. Krivtsov
Irkutsk National Research Technical University (INRTU), 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Abstract. Purpose. A research is carried out in the Irkutsk National Research Technical University (INRTU) on the applicability of the return fuel line diagnosis method for the diagnostics of accumulator fuel systems (Common rail system) of automotive diesel engines, in particular, for trouble-shooting of the technical condition of injectors as vital and the most vulnerable components. Compilation of the mathematical model of the electrohydraulic injector (EHI) that can enable the obtaining of accurate, objective results of the study requires the determination of input data (structural parameters) including masses and geometric dimensions of injector parts. Due to the absence of such information, these data were determined independently. Methods. Spring stiffness was determined by a step load method. Dimensions of EHI calibrated orifices were measured by means of an electron microscope JEOL JIB-Z4500 of INRTU Physico-Technical Institute, other dimensions were determined with a micrometer. Results. All structural parameters of the studied EHI necessary for its mathematical modeling have been determined. Conclusion. Obtained structural parameters allow to build a mathematical model of the studied EHI.
Keywords: electrohydraulic injector (EHI), high pressure fuel accumulator (HPFA) Common rail), diagnostics, fuel delivery system (FDS), diesel engine, leak detection.
For citation: Yakimov I.V., Krivtsov S.N. Determination of input data for the mathematical model of an electrohydraulic injector. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 8 (115), pp. 182-190. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-8-182-190
Якимов Игорь Владимирович, аспирант, e-mail: igor_auto@mail.ru Yakimov Igor, Postgraduate, e-mail: igor_auto@mail.ru
2Кривцов Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта, e-mail: krivcov_sergei@mail.ru
Krivtsov Sergey, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automobile Transport, e-mail: krivcov_sergei@mail.ru
Введение
Электрогидравлическая форсунка (ЭГФ) дизельных двигателей автомобилей - это сложная система, функционирующая в тяжелых рабочих условиях высоких и низких температур, высоких циклических механических нагрузок. Вместе с тем она должна удовлетворять жестким критериям входных и выходных параметров, нарушение которых может привести к неправильной работе, ухудшению эксплуатационных и экологических показателей дизельного двигателя, что в конечном итоге может привести к серьезным его поломкам.
За качество работы ЭГФ отвечают ее структурные и регулировочные параметры, которые изменяются в зависимости от времени работы, качества топлива и условий эксплуатации автомобиля [1]. Для обнаружения отклонения структурных параметров применяются различные диагностические методы3, реализуемые как на автомобиле, так и со снятием ЭГФ [2, 3]. Чтобы отчетливо выявить отклонения и
дефекты форсунок, применяются различные тестовые воздействия [4] и режимы, в том числе с применением специальных стендов [5].
Существующий недостаток знаний о работе и диагностике электрогидравлических форсунок аккумуляторных топливопо-дающих систем приводит к непредвиденным финансовым издержкам при ремонте автомобилей с ЭГФ [6]. Для обоснования методов диагностики ЭГФ необходимо аналитически исследовать их рабочий процесс.
С целью исследования процессов, происходящих в ЭГФ и составления математической модели их описания, необходим учет структурных и регулировочных параметров, участвующих в процессе топ-ливоподачи. В связи с отсутствием доступной информации указанные параметры определены самостоятельно с использованием нескольких методов измерений.
Объект и методы измерений
В качестве исследуемого образца взята ЭГФ 0445110376 автомобилей семейства «Газель-бизнес», «Газель-next», схема представлена на рис. 1.
Наиболее ответственные размеры отверстий для обеспечения требуемого закона подачи топлива - это диаметр отверстий распылителя, диаметр сливного жиклёра и диаметр наполнительного жиклёра управляющей камеры. Все вышеперечисленные отверстия имеют очень малые размеры, трудно поддающиеся контактно-
3Федотов А.И. Диагностика автомобиля: учебник для студентов вузов по направлению подготовки бакалавров и магистров «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов». Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012. 468 с. / Fedotov A.I. Vehicle Diagnostics: a textbook for university students in the training direction of bachelors and masters "Operation of transport and technological machines and complexes" Irkutsk: IrGTU Publ., 2012. 468 p.
му измерению, поэтому их размеры были получены в лаборатории электронной микроскопии ФТИ ИРНИТУ с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL JIB-Z4500 с характеристикой увеличения от 5 до 300000 крат. Снимки отверстий жиклёров управляющей камеры и распылителя представлены на рис. 2-4.
Размеры плунжера-мультипликатора, шарика и иглы определялись микрометром с разрешением 10 -3 мм.
Массы подвижных частей клапана и иглы с мультипликатором определялись взвешиванием на лабораторных весах с точностью до 0,01 г.
Жесткость пружин определялась по следующей методике: измерялась длина пружины в свободном состоянии, затем она нагружалась грузом определенного веса, во время деформации под грузом опять измерялась длина пружины (рис. 5).
Рис. 1. Электрогидравлическая форсунка 0445110376: dcnue - диаметр сливного жиклёра; йшар - диаметр шарика; бмульт - зазор между штоком и клапаном-мультипликатором; ймульт - диаметр штока мультипликатора; бнап - диаметр наполнительного жиклёра; йиг - диаметр иглы; 5иг - зазор между иглой и корпусом распылителя; йхарвкт.иг - характерный диаметр иглы; брасп - диаметр распыляющих отверстий Fig. 1. Electrohydraulic injector 0445110376: dvent - diameter of the dump hole; dball - ball diameter; Smulti - gap between the rod and the valve-multiplier; dmult - diameter of the multiplier rod; dm - diameter of the filling hole; dndie - needle diameter; 5ndie - gap between the needle and the spray nozzle body; dspec nd/e - specific needle diameter;
dspray - diameter of spraying holes
Г
261.253 мкм
хЗОО 50pm 2016/03/10 28 50 SEI
Рис. 2. Отверстие сливного жиклёра управляющей камеры Fig. 2. The control chamber dump hole
Рис. 3. Отверстие наполнительного жиклёра управляющей камеры Fig. 3. The control chamber filling hole
20kV x450 50pm 2016/03/10 36 50 SEM_SEI
Рис. 4. Отверстие распылителя (7шт.) Fig. 4. Spray nozzle hole (7pc.)
Рис. 5. Измерение жесткости пружин Fig. 5. Spring stiffness measurement
Известно, что усилие пружины определяется как
F = —c ■ x.
Преобразовав выражение найдем жесткость пружины:
c =
G
m ■ g
x Xj x0
(1) (2)
жины в нагруженном положении, мм.
Регулировочные параметры электрогидравлической форсунки в значительной степени влияют на процесс ее функционирования. К ним можно отнести ход клапана, магнитный воздушный зазор, силы затяжки пружин якоря и распылителя [6].
Для определения предварительной деформации пружины якоря составлена расчетная схема (рис. 6).
Деформация пружины при сборке электрогидравлической форсунки происходит при закручивании гайки электромагнита 1 с определенным усилием. Предварительное сжатие обеспечивается за счет регулировочной шайбы 2 пружины и утопа-ния штока якоря 5 в корпус клапана. Таким образом, деформация пружины будет составлять:
=-(А +0магп ) + К + + L2 , (3)
где О - вес груза, ^ х0 - длина пружины в свободном положении, мм; х - длина пру-
где хо - длина пружины в свободном состоянии, мм.
Рис. 6. Расчетная схема для определения деформации пружины якоря: 1 - электромагнит; 2 - шайба; 3 - пружина якоря; 4 - демпфирующая пружина; 5 - якорь Fig. 6. Design circuit for armature spring deformation determination: 1- electromagnet; 2 - spacer; 3 - armature spring; 4 - damping spring; 5 - armature
Преднатяг пружины распылителя Х2 находим по аналогичной методике. Согласно схеме, изображенной на рис. 7, можно заключить, что в ней содержится два регулировочных элемента: шайба 3, регулирующая преднатяг пружины 4, и проставка 6, ограничивающая величину максимального хода штока мультипликатора. Эта величина может быть измерена (рис. 6).
Окончательно преднатяг пружины распылителя находится как
Х2 = "L3 +А + 1пруж2 + h2 .
(4)
Таким образом, с учетом выражения (1), зная жесткость пружин, можно найти начальные силы затяжки пружины якоря (3) и распылителя (4).
Одним из ключевых моментов построения математической модели является моделирование течения топлива при срабатывании электромагнитного клапана. Для
математического описания принято во внимание следующее: при поднятии клапана давление в управляющей камере снижается благодаря ее сообщению с полостью слива посредством сливного жиклёра, при этом топливо проходит через щель, образованную посадочным конусом клапана и шариком. Это пространство имеет форму кольца. Для того чтобы найти боковую площадь поверхности , мм2, составлена расчетная схема, представленная на рис. 8.
Направляющая усеченного конуса у, мм, может быть найдена как
у = h • sin(-).
(5)
Аналогичным образом находим высоту конуса h, (мм):
h = (г + у) • sin(-).
(6)
Рис. 7. Расчетная схема для определения деформации пружины распылителя: 1 - корпус форсунки; 2 - шток мультипликатора; 3 - регулировочная шайба; 4 - пружина; 5 - проставка; 6 - регулировочная шайба; 7 - игла распылителя; 8 - корпус распылителя Fig. 7. Design circuit for spray nozzle spring deformation determination: 1 - injector body; 2 - multiplier rod; 3 - controlling spacer; 4 - spring; 5 - spacer ring; 6 - controlling spacer; 7 - spray nozzle needle; 8 - spray nozzle body
Рис. 8. Схема перемещения шарика в клапане ЭГФ, где: a - угол конуса посадочного места шарика; r - радиус шарика; h - ход шарика (клапана)
Fig. 8. EHI valve ball movement circuit: a - cone angle of the ball mounting seat; r - ball radius; h - (valve) ball stroke
са S
Нижнее основание усеченного кону-
о
, мм2, (затемненного) рассчита-
осн.нижн.
ем по формуле
sосннижн. = 2(r + h• sin(|)) cos(^). (7)
2
са, мм2:
Площадь боковой поверхности кону-
Радиус нижнего основания, мм:
R = (r + h^sin(^))^cos(^). (9) Радиус верхнего основания, мм:
r-y = r • cos (10)
S6ok = 2n•(h^ sin Q • cos Q)
2r + h^ sin (!) ) + 2r • cos (!) ). (8)
3.
Объем усеченного конуса, мм3:
VKon=HR2-r2)^h .
(11)
Результаты измерений
В результате проведенных измерений получены значения всех необходимых структурных параметров ЭГФ 0445110376
автомобилей семейства «Газель-бизнес», «Газель-пехЬ, используемых для составления математической модели (таблица).
Значения параметров ЭГФ 0445110376 двигателя ISf 2,8 Parameter values of EHI0445110376 of engine ISf 2.8
Параметр / Parameter Значение / Value
Диаметр распыляющих отверстий, dpacn, мм / Diameter of spraying holes, dsprav, mm 0,16
Количество распыляющих отверстий / Number of spraying holes 7
Жесткость пружины распылителя, с2, Н/мм / Spring stiffness of the spray nozzle, с2, Н/mm 30
Жесткость пружины клапана, Ci, Н/мм / Valve spring stiffness, с1, Н/mm 50
Диаметр наполнительного жиклёра, dHan, мм / Diameter of the filling hole dm, mm 0,226
Диаметр сливного жиклёра, dCf]ue, мм / Diameter of the dump hole, dvent, mm 0,261
Диаметр иглы, due, мм / Needle diameter, dnde, mm 4
Диаметр штока мультипликатора, dMyflbm, мм / Diameter of the multiplier rod, dmu/t, mm 4,3
Характерный диаметр иглы, dxapue, мм / Specific needle diameter, dspecndiie, mm 2,13
Зазор между иглой и корпусом распылителя, 5ие, мкм / Gap between the needle and the spray nozzle body, 5ndle, ^m 3
Зазор между штоком и клапаном-мультипликатором, 5мульт, мкм / Gap between the rod and the valve-multiplier, 5mutn, ^m 3
Диаметр шарика, dwap, мм / Ball diameter, dbali, mm 1,5
Масса подвижной части клапана, г / Weight of the valve movable part, g 10
Масса подвижных частей иглы и мультипликатора, г / Weight of needle and multiplier movable parts, g 17
Заключение
Полученные данные позволят максимально приблизить результаты математического моделирования и эксперимента. Недостающие значения коэффициентов расхода определяются опытным путем -проливкой топливом жиклёров и сечений
распылителя при постоянном давлении. Предложенный методический подход к формированию математической модели может быть применен и для других серийно выпускаемых ЭГФ.
Библиографический список
1. Кривцов С.Н., Якимов И.В. Предпосылки применения динамического метода для диагностирования аккумуляторных топливоподающих систем автомобильных дизелей // Информационные технологии, системы и приборы АПК - АГРОИНФО-2015: материалы Междунар. науч.-практ. конф. (Новосибирск, 22-23 октября 2015 г.). Новосибирск: Изд-во СибФТИ, 2015. С. 342-346.
2. Кривцов С.Н. Динамический метод диагностирования автомобильных дизельных двигателей, оснащенных аккумуляторной топливоподающей системой // Автомобильная промышленность. 2015. № 9. С. 26-30.
3. Кривцов С.Н. Динамика роста и падения давления топлива в аккумуляторной топливоподающей системе дизеля при его пуске и остановке как диагностиче-
ский параметр // Автотранспортное предприятие. 2015. № 11. С. 45-48.
4. Федотов А.И., Портнягин Е.М. К вопросу о тестовых воздействиях на объект диагностирования // Вестник ИрГТУ. 2011. № 5 (52). С. 95-100.
5. Кривцов С.Н., Федотов А.И., Кривцова Т.И. Модернизация стендов по регулировке ТнВд для работы с
системой Common Rail // Автотранспортное предприятие. 2015. № 6. С. 31-34.
6. Кривцов С.Н Измерение индуктивности электромагнита, как фактор повышения качества регулировки электрогидравлических форсунок Common Rail при ремонте // Автомобильная промышленность. 2015. № 7. С. 9-11.
References
1. Krivtsov S.N., Yakimov I.V. Predposylki primeneniya dinamicheskogo metoda dlya diagnostirovaniya akku-mulyatornykh toplivopodayushchikh sistem avtomo-bil'nykh dizelei [Backgrounds for the application of a dynamic method for diagnosing accumulator fuel supply systems of automobile diesel engines]. Materialy Mezhdunarodnoi nauchno-praktichekoi konferentsii "In-formatsionnye tekhnologii, sistemy i pribory APK -AGROINFO-2015" [Materials of International Scientific and Practical Conference "Information Technologies, Systems and Equipment of Agro-Industrial Complex-AGROINFO-2015"]. Novosibirsk, SibFTI Publ., 2015, pp. 342-346. (In Russian)
2. Krivtsov S.N. Dinamicheskii metod diagnostirovaniya avtomobil'nykh dizel'nykh dvigatelei, osnashchennykh akkumulyatornoi toplivopodayushchei sistemoi [Dynamic diagnosis method of automotive diesel engines equipped with direct fuel injection system]. Avtomobil'naya promyshlennost' [Automotive Industry]. 2015, no. 9, pp. 26-30. (In Russian)
3. Krivtsov S.N. Dinamika rosta i padeniya davleniya topliva v akkumulyatornoi toplivopodayushchei sisteme dizelya pri ego puske i ostanovke kak diagnosticheskii parametr [Dynamics of fuel pressure rise and drop in
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов. Якимов И.В. несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 07.04.2016 г.
direct fuel injection system under diesel engine start-up and stoppage as a diagnostic parameter]. Avtotran-sportnoe predpriyatie [Motor Transport Enterprise]. 2015, no. 11, pp. 45-48. (In Russian)
4. Fedotov A.I., Portnyagin E.M. K voprosu o testovykh vozdeistviyakh na ob"ekt diagnostirovaniya [On the test effects on the object of diagnosis]. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2011, no. 5 (52), pp. 95-100. (In Russian)
5. Krivtsov S.N., Fedotov A.I., Krivtsova T.I. Moderni-zatsiya stendov po regulirovke TNVD dlya raboty s sistemoi Common Rail [Modernization of test benches for fuel injection pump adjustment to work with Common Rail System]. Avtotransportnoe predpriyatie Motor Transport Enterprise] 2015, no. 6, pp. 31-34. (In Russian)
6. Krivtsov S.N Izmerenie induktivnosti elektromagnita, kak faktor povysheniya kachestva regulirovki el-ektrogidravlicheskikh forsunok Common Rail pri remonte [Electromagnet inductance measurement as a factor improving adjustment quality of Common Rail electrohy-draulic injectors under repair]. Avtomobil'naya promyshlennost' Automotive Industry]. 2015, no. 7, pp. 9-11. (In Russian)
Contribution
The authors declare equal participation in obtaining and formalizing the scientific results. Yakimov I.V. bears the responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 7 April 2016
