CC BY
62
УДК 621.436.038
К ОБОСНОВАНИЮ ВЫБОРА УПРАВЛЯЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ФОРСУНКИ ДИЗЕЛЯ
А.Н. Врублевский, доцент, к.т.н., А.И. Воронков, доцент, к. т.н., А.В. Денисов, аспирант, ХНАДУ
Аннотация. Проведен анализ перспектив применения устройств управления для топливной системы двигателя. Определены перспективы внедрения таких устройств в двигателестроении Украины.
Ключевые слова: автомобильный дизель, топливная система, электромагнитный привод, пьезоактюатор, стриктор, магнитострикционный привод.
Введение
Эффективные показатели работы двигателя в значительной степени определяются процессом смесеобразования. От равномерности распределения топлива в объеме камеры сгорания и по времени зависят топливная экономичность и экологические показатели дизеля. Основные меры улучшения смесеобразования в настоящее время заключаются в повышении давления и модификации [1, 2] впрыскивания топлива. И если резервы повышения давления впрыскивания в топливных системах (ТС) традиционного типа, укомплектованных топливными насосами высокого давления ТНВД с кулачковым приводом еще не исчерпаны полностью (известны примеры ТНВД с давлением впрыскивания топлива до 150 МПа [3]), то организовать ступенчатое и/или многофазное впрыскивание топлива в традиционных ТС невозможно.
- время открытия иглы форсунки - 0,1 ^ 0,3 мс;
- количество впрысков за цикл - от 1 до 8;
- возможность впрыскивания порций топлива объемом менее 0,5 мм3;
- гибкое изменение давления впрыскивания и закона топливоподачи в зависимости от режима работы дизеля;
- учет технологии и изготовления элементов ТС.
Данные требования позволяют сделать вывод о необходимости прямого непосредственного воздействия на иглу форсунки исполнительного электрического механизма. Эффективность данного решения показана на рис. 1, 2.
0 мс
0,1мс
0,2 мс
аи
0,3 мс I
Эффективным решением является использование ТС с электронным управлением процессом топ-ливоподачи. Такие устройства ведущие двигате-лестроительные фирмы разрабатывают и внедряют в серийное производство [4]. В исполнительных механизмах ТС с электронным управлением используется один из двух физических эффектов
- электромагнитный, либо обратный пьезоэлектрический эффект. В последнее время появились сведения о применении эффекта магнитострик-ции в двигателестроении.
Анализ публикаций
Анализ работы современного автомобильного дизеля позволяет сформулировать основные требования к ТС:
- давление впрыскивания - 180 МПа с перспективой повышения до 220 МПа;
Рис. 1. Процесс впрыскивания топлива форсункой Delphi с непосредственным воздействием пьезопривода на иглу [5]
Рис. 2. Процесс впрыскивания топлива форсункой с сервогидравлическим пьезоприводом
Современные технологии материаловедения позволяют разрабатывать форсунки с непосредственным воздействием пьезокерамического актюа-тора на иглу распылителя. Приведем примеры успешного применения обратного пьезоэффекта ведущими мировыми производителями топлив-
ной аппаратуры для двигателей внутреннего сгорания.
Пьезоактюаторы
В университете г. Ганновера (Германия) исследована работа опытного одноцилиндрового дизеля с системой Common Rail и форсункой, игла которой непосредственно управляется пьезоэлемен-том [6]. Такая система, содержащая минимальное количество подвижных деталей с существенно ограниченной массой, радикально улучшила динамические характеристики подачи топлива. Этому способствовала также исключительно быстрая реакция управляющих элементов на электрические сигналы, что позволило свободно регулировать амплитуду и скорость перемещения иглы форсунки. Исследования показали, что форсунка способна подавать самые малые количества топлива (менее 1 мм3) при сохранении высокого давления впрыскивания и производить многоразовое впрыскивание за один цикл подачи с высокой степенью повторяемости. Число впрыскиваний при частоте вращения 3500 мин1 достигало десяти, а при n = 5000 мин1 - шести за цикл. Следует отметить, что исследования проводились при давлении впрыскивания топлива порядка 150 МПа.
Фирма Bosch разработала третье поколение систем Common Rail [7]. В системах установлены форсунки типа Inline-Injektors с управляющими пьезопакетами, расположенными в удлиненном носке распылителя в непосредственной близости от иглы. Характеристики форсунок по сравнению с известными пьезоэлектрическими форсунками существенно улучшены. Быстродействие увеличено вдвое, масса подвижных деталей снижена с 16 до 4 г, длина форсунки составляет 42 мм вместо прежних 152 мм. Допуск на объем цикловой подачи менее 0,2 мм3, минимальная подача -0,5 мм3. Применение новых форсунок позволяет снизить токсичность ОГ на 15-20%, или повысить мощность двигателя на 5-7%, или снизить уровень шума на 3 дБ. Фирма планирует к 2005 году повысить давление впрыскивания топлива до 180 МПа. Специалисты фирмы считают, что в дальнейшем возможно повышение этого давления до 220 МПа.
Фирма Delphi выпускает форсунку с пьезокера-мическим актюатором [5].
По данным фирмы Delphi применение форсунки с пьезоактюатором, непосредственно воздействующим на иглу, позволяет повысить мощность дизеля на 10 %, либо снизить токсичность на 30%. Время открытия иглы форсунки составляет 0,1 мс, а количество впрыскиваний может достигать 5 за цикл.
К недостаткам пьезоактюаторов следует отнести: ограниченния по сроку эксплуатации, малая относительная величина пьезоэлектрических деформаций (для наилучших из ныне известных материалов она составляет величину 0,001 при напряженности электрического поля порядка 100 кВ/м), а также температурные деформации пьезокерамики, которые соизмеримы с пьезоэлектрическими.
Цель и постановка задачи
Цель данной работы - обосновать и разработать принцип действия и конструкцию исполнительного электроуправляемого механизма для форсунки и других элементов ТС двигателя внутреннего сгорания с электронным управлением.
Перспективы использования магнитострикции редкоземельных магнетиков
Возможность силового воздействия с помощью магнитострикционных материалов на иглу либо на другой какой-либо исполнительный орган форсунки (инжектора) существовала практически с открытия эффекта магнитострикции. Так как при приложении магнитного поля к стриктору (телу из материала, претерпевающего изменение длины при изменении приложенного к нему магнитного поля) в нем возникают значительные усилия [8, 9]. Однако в обычных, хорошо известных магнитострикционных материалах, например у Ni, относительное удлинение X не превышает 10-8, что недостаточно для управления ни иглой, ни электрическим клапаном форсунки.
В последние десятилетия (1980 - 2005 гг.) разработаны магнитострикционные материалы, которые дали возможность приступить к практическому применению эффекта «гигантской магнитострикции». Так, в конце 70-х годов XX века в США (Naval Surfase Warfare Center) разработано интерметаллическое соединение Terfenol-D (Tb0.27Dy0.73Fe1.95). Это соединение обладает пониженной магнитной анизотропией с сохранением высокой магнитострикции. Как показали измерения [8], этот магнитострикционный материал дает предельную излучаемую звуковую мощность на два порядка больше, чем никель и сплав пермендюр, и на порядок большую, чем пьезоке-рамика. Относительное удлинение X этого материала 10-3, а возникающее усилие достигало 100 Н/мм2 сечения стриктора. Таким образом, стриктор длиной 1 см и таком же диаметре, может обеспечить силовое воздействие в пределах 10 мкм с усилием до 105 Н.
В тепловых двигателях для управления двухступенчатой форсункой газодизеля, магнитострик-ционный привод на основе сплава Terfenol-D применяет фирма Westport (Канада) [10]. Первая ступень форсунки обеспечивает подачу запаль-
ной порции дизельного топлива из аккумулятора высокого давления. Вторая ступень подает в цилиндр газ под давлением 30 МПа. По данным разработчика, быстродействие такой форсунки составляет 0,2 мс на открытие.
Сравнение эффективности применения пьезоак-тюатора и магнитострикционного привода приведены в табл. 1.
Таблица 1 Сравнительные характеристики пьезо-и магнитострикционного приводов для форсунки
Данное сравнение свидетельствует о преимуществе применения магнитострикционного привода для непосредственного воздействия на иглу форсунки. Однако при создании такого привода следует учитывать ряд факторов. Вот главные из них:
- редкоземельные магнитострикционные сплавы плохо поддаются механической обработке из-за высокой хрупкости, следовательно, снижается и срок службы такого сплава;
- необходимость создания сильного магнитного поля с целью преодоления отрицательного влияния магнитной анизотропии;
- потеря воспроизводимости работы форсунки из-за возникновения во время работы существенных градиентов температуры и неконтролируемого теплового расширения;
- эффективная работа стриктора возможна в ограниченных температурных условиях, близких к т. н. комнатным температурам.
Из этого следует, что при разработке данного привода следует учитывать температурный режим работы форсунки. И если потребуется разработать мероприятия по охлаждению форсунки, а также выполнять корпусные детали форсунки из материалов с близкими стриктору коэффициентами температурного расширения.
Выводы
Требования, предьявляемые ТС дизелей, позволяют сделать вывод о необходимости прямого непосредственного воздействия на иглу форсунки исполнительного электрического механизма.
Организовать такое воздействие можно, применив в качестве исполнительного механизма материал, обладающий магнитострикционными свойствами - стриктор. Такой стриктор по сравнению
с пьезокерамическими материалами имеет ряд преимуществ, главные из которых высокие относительное удлинение и развиваемое усилие.
При разработке магнитострикционной форсунки следует учитывать особенности работы стриктора и в первую очередь его температурные особенности.
Проведенный нами поиск показал, что технологии изготовления магнитостриктора с параметрами, приемлемыми для привода форсунки разработаны в нашей стране. Это делает реальным разработку и исследование ТС с электронным управлением для современного отечественного дизеля.
Литература
1. Абрамчук А.Ф., Врублевский А.Н., Денисов
А.В. Повышение эколого-экономических показателей автомобильного дизеля путем модификации процесса впрыскивания топлива II Автомобильный транспорт I Сб. научных трудов. - Харьков: ХНАДУ. - 2005. -Вып. 1б. - С. 303-305.
2. Системы управления дизельными двигателями.
Пер. с нем. С40 Первое русское издание. -М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. - 480 с.
3. Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топ-
ливная аппаратура и системы управления дизелей. - М.: Легион - Автодата, 2004. -344 с.
4. Пинский Ф.И., Давтян Р.И., Черняк Б.Я. Мик-
ропроцессорные системы управления автомобильными двигателями внутреннего сгорания. - М.: Легион-Автодата, 2001.-13б с.
5. www.delphi.com
6. Meyer Steffen, Krause Andreas, Krome Dirk,
Merker Gunter P. (Institut fur Technische Verbrennung an der Universitat Hannover). Ein flexibles Piezo-Common-Rail-System mit direktgesteuerter Dusennadel II MTZ. - 2002. -№2 (б3). - Р. 9, 8б-93.
7. Piezo-technik macht injektor flott II VDI-Nachr. -
2003. - №20. - Р. 9.
8. Белов К.П. Магнитострикционные явления.
Материалы с гигантской магнитострикцией II Соросовский образовательный журнал. -1998. - № 3. - С. 112-117.
9. Белов К.П. Магнитострикционные явления и
их технические приложения. - М.: Наука, 1987.
10. Системы управления подачей природного газа
для двигателей II Информационный бюллетень национальной газомоторной ассоциации. - 2001. - № 2 (7). - б c.
Рецензент: А.Л. Григорьев, профессор, д.т.н., НТУ «ХПИ».
Статья поступила в редакцию 15 апреля 2005 г.
Параметр Исполнительный механизм
пьезо-привод магнитострик-ционный привод
Относительное удлинение X до 10-3 более 10-3
Развиваемое усилие, Н!мм2 30 100
