CC BY
37
УДК 621.436.001.63.4
СИСТЕМА ДВУХФАЗНОЙ ТОПЛИВОПОДАЧИ ДЛЯ МАЛОРАЗМЕРНОГО ВЫСОКООБОРОТНОГО ДИЗЕЛЯ МД-6 И ДИЗЕЛЕЙ АНАЛОГИЧНОГО ТИПА
Н.Н. Патрахальцев1, С.В., Гусаков1, Е.Г. Пономарев2, П. Вальехо2
1) Кафедра комбинированных ДВС Российского университета дружбы народов Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6 2) НПП «Агродизель»
Россия, 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 58
В статье приводится описание конструкции системы двухфазной топливоподачи малоразмерного высокооборотного дизеля и результаты ее экспериментальных исследований на безмоторной установке.
В настоящее время двигатели внутреннего сгорания являются самым распространенным источником механической энергии в мире. Поэтому одной из важнейших задач двигателе-строения при создании высокоэффективного рабочего процесса высокооборотного малоразмерного дизеля с непосредственным впрыскиванием является улучшение его удельных энергетических, экономических и экологических параметров. Одним из способов улучшения удельных энергетических показателей дизеля принято форсировать его по частоте вращения коленчатого вала.
Как известно, повышенная частота вращения коленчатого вала сокращает время рабочего цикла, что влечет за собой уменьшение времени впрыскивания. Чтобы обеспечить определенную цикловую подачу топлива в цилиндр для получения положительной работы, необходимо увеличить объемную скорость подачи топлива (за счет увеличения диаметра плунжера или его хода), что приводит к росту динамического фактора [1]. Повышенный динамический фактор у дизелей с непосредственным впрыскиванием приведет к существенному увеличению жесткости рабочего процесса двигателя. Как показал многолетний опыт эксплуатации дизелей [3], от жесткости рабочего процесса зависит, в значительной степени, износ основных деталей двигателя, уровни шума и вибрации, содержание токсических компонентов и дымность в отработавших газах (ОГ).
Одним из способов организации рабочего процесса с низким уровнем токсичности и дымности ОГ без существенных конструктивных изменений дизеля является применение сажевых фильтров, системы подачи воды во впускной коллектор, присадок, подающихся вместе с дизельным топливом через штатную систему, каталитических катализаторов, рециркуляции ОГ, что заметно увеличивает металлоемкость и ухудшает экономичность дизеля, а также усложняет его эксплуатацию и техническое обслуживание. При этом не решается вопрос снижения динамического фактора и вообще сокращения периода задержки воспламенения, которое могло бы обеспечить более мягкий процесс сгорания и увеличить моторесурс дизеля.
Одним из методов сокращения периода задержки воспламенения для улучшения управления процесса сгорания в дизелях с непосредственным впрыскиванием является двухстадийное смесеобразование.
Нами был предложен и реализован на практике новый способ подачи топлива, отличающийся от известных тем, что дополнительное топливо, которое поступает во впускной коллектор, подается не из линии высокого давления, а из полости низкого давления. Для подачи дополнительного порции топлива (ДПТ) используется импульс давления, который образуется при отсечке топлива в штатной системе топливоподачи (ход и диаметр плунжера - 6 мм; плунжерная пара - золотникового типа; нагнетательный клапан - грибкового типа; длина, наружный и внутренний диаметр трубопровода высокого давления - 400 мм, 7 мм, 3 мм соответственно; форсунка - закрытого типа; начальное давление подъема иглы форсунки - 21 МПа) и распространяется по трубопроводу к дополнительной форсунке (ДФ), установленной во впускном коллекторе (рис. 1).
Эффективность предлагаемого способа заключается в том, что при впрыскивании порции топлива через дополнительную форсунку во впускной коллектор не нарушается закон
изменения давления у штуцера основной форсунки (ОФ), что имеет место в системах с питанием ДФ от линии высокого давления, поскольку отсутствует тройник-распределитель топлива в линии высокого давления и утечки топлива из линии нагнетания к ДФ. Таким образом, не нарушается качество распыливания топлива основной форсункой (ОФ), что приводит к улучшению экономических и экологических показателей дизеля.
Рис. 1. Схема организации двухфазной топливоподачи двигателя МД-6:
I - топливный насос высокого давления; 2 - корпус формирователя импульса давления, 3- жиклер, 4 - наполнительный клапан, 5 - тяга, 6 - золотниковый кран, 7 - дополнительная форсунка, 5 - впускной коллектор,
9 - камера сгорания, 10 — основная форсунка
Импульсом давления в полости низкого давления (рис.2) можно управлять, изменяя пропускную способность жиклера (ПСЖ), установленного в той же полости. В полости низкого давления импульс отсечки топлива разделяется на две части: одна часть топлива стравливается через жиклер по трубопроводу обратного топлива в бак, а другая часть топлива поступает по трубопроводу к ДФ. Количество поступающего топлива и качество распыливания через ДФ зависит от затяжки ее пружины и пропускной способности жиклера.
Рис. 2. Характеристика изменения давления в полости низкого давления ТНВД:
1 - ПСЖ=58 мм3,
2 - ПСЖ=105 мм3,
3 - ПСЖ=170 мм3.
Впрыскивание дополнительной порции топлива во впускной коллектор через ДФ осуществляется в конце такта сжатия - в начале такта рабочего хода, когда впускной и выпускной клапан находятся в закрытом положении (рис.З). Дополнительная порция топлива направляется на тарелку впускного клапана. Таким образом, данная порция топлива в течение большей части цикла (<р) остается в околоклапанной полости и под действием температуры поверхностей впускного клапана подогревается, испаряется и хорошо смешивается с возду-
хом при впуске. В связи с этим не предъявляется больших требований к качеству распыли-вания топлива дополнительной форсункой.
Для проверки работоспособности опытной системы двухфазной топливоподачи и выбора параметров, которые смогли бы обеспечить необходимую дополнительную порцию топлива через ДФ, безмоторная установка была укомплектована контрольной измерительной аппаратурой для регистрации быстропротекающих процессов. Задача решалась на базе программно-аппаратурного комплекса, включающего пьезокварцевые датчики давления А УЬ типа 7<2Р\ усилитель заряда А К/, типа 3059; двухканальный осциллограф С1-93; отметчик и датчик углового положения кулачкового вала топливного насоса высокого давления; аналого-цифровой преобразователь, работающий под управлением персонального компьютера; программное обеспечение для обработки результатов индицирования.
ВМ1
НМ1
ЇМТ
г г Роф иПс 30 го 10 л 4 Г Рд.» гЛа 3 г ] 'ч. л г
/1 V У Г ч N /
/ / / > \
\ к 1 й Ч / / \ /1
\ і 1 У / > / ■V 'ъ
530
570
Ы0
ЬЗО
690
50
90
130
170
І
гзо
гм
г 90
33(
371
^ ПК
Ч'Іікв
Рис. 3. Характер протекания процессов в системе питания дизеля:
/ - подъем открытия выпускного клапана дизеля МД-6, 2 - подъем открытия впускного клапана,
3 - характеристика изменения давления у штуцера основной форсунки,
4 - характеристика изменения давления в полости низкого давления ТНВД
На этой установке производилось индицирование полости низкого давления для всего диапазона цикловых подач (&,), при разных частотах вращения кулачкового вала (я) и при разных ПСЖ, установленного в формирователе импульса давления.
На графиках, представленных на рис. 4, а и 4, б, приведены значения максимального давления импульса (РИлшх) и его продолжительности (іри) при отсечке в зависимости от величины цикловой подачи основной порции топлива (ОПТ).
Проведенные исследования показали, что изменение пропускной способности жиклера, установленного в полости низкого давления, обеспечивает управление импульсом давления при отсечке, что дает возможность регулировать количество топлива, подаваемого через ДФ.
По результатам проведенного индицирования в полости низкого давления системы топливоподачи была выбрана величина пропускной способности жиклера 170 см3/мин, обеспечивающая уровень давления для преодоления усилия затяжки пружины и открытия иглы ДФ, что обеспечивает впрыскивание нужной цикловой подачи через нее, которая составляет 30% от общей цикловой подачи для двигателя МД-6 [2].
Для определения величины дополнительной порции топлива были построены экспериментальные зависимости от усилия затяжки пружины клапана форсунки при постоянной пропускной способности 170 см3/мин и частоте вращения кулачкового вала 1500 мин'1.
Как видно на рис. 5, по мере увеличения затяжки пружины ДФ от 1,0 до 6,5 МПа расход через нее уменьшается от 18 до 0 мм3, при этом цикловая подача через основную форсунку (ОФ) остается постоянной. Диапазон изменения давления затяжки пружины ДФ от 4,0 до 5.5 МПа обеспечивает уменьшение дополнительной порции дизельного топлива от 30 до 10% (относительно цикловой подачи через ОФ), соответственно.
На следующем этапе испытаний проводились работы по исследованию влияния частоты вращения кулачкового вала от 1000 до 1600 мин'1 на цикловую подачу основной и дополнительной форсунки при разных затяжках пружины ДФ (4,0; 4,5; 5,5 МПа) и постоянной пропускной способности жиклера 170 см3/мин.
На рис. 6 видно, что при постоянном положении рейки и разных частотах вращения кулачкового вала от 1000 до 1600 мин'1, цикловая подача через ДФ практически не меняется.
При этом цикловая подача через ОФ растет по мере увеличения частот вращения кулачкового вала.
Римах.МПа
'Ри-ПКВ
а.
б.
Рис. 4. Максимальный импульс давления отсечки ТНВД дизеля МД-6 (а) и его продолжительность (б);
ПСЖ: о------о-58см’/мин; А.......Д - 105 см3/мин; С-------П-ПОсм’/мин
дц.(дФ),ммУцик
дцСо^.мм^цик
V Ч
\ \
\ \
\
\
\
\
\
\ УцСдф)
к
\
\
\ V \
N N.
і N
дцСдФ^.мм/цик
дц(о»),мм/иик
10
19
17 18
І& 17
15
16
14
15
13 14
1? 13
11
іг
10
1]
9 10
В 9
7 8
6 7
3 6
4 5
3 4
г 3
і г
8.0
3.0
4,0 5.0 6.0 Рэп.Сд^ЖПо
Рис. 5. Влияние затяжки пружины ДФ на ее цикловую подачу, при «=1500 мин1, и ПСЖ=170 см3/мин:
/’зп(ДФ)- давление затяжки пружиныДФ, /гр - постоянное положение рейки
/
/
/
/ ч
/
/
у /
/
/ ■
,/
Рап^р«)*4.0ИПо
/
\ Рап<д*>-4.эмПо Р*пСлу>-а.5ИПо
1000
1200 1400 1600
п,о»/мин
Рис. 6. Влияние затяжки пружины ДФ при разных частотах вращения кулачкового вала при йр=соп51 и ПСЖ=170 см3/мин на ее цикловую подачу
Также проводились работы по исследованию влияния затяжки пружины ДФ (4,0; 4,5; 5,5 МПа) на ее цикловую подачу топлива на всем диапазоне цикловых подач при частоте вращения кулачкового вала 1500 мин'1, пропускной способности жиклера 170 см3/мин.
Результаты, представленные на рис. 7, показывают, что по мере уменьшения цикловой
подачи через ОФ увеличивается цикловая подача через ДФ. Это связано с тем, что при уменьшении цикловой подачи топлива через ОФ импульс давления при отсечке в штатной системе топливоподачи растет, что приводит к увеличению цикловой подачи через ДФ.
ди<д*5,ммУцик
Рис. 7. Влияние цикловой подачи основной фор' сунки на цикловую подачу дополнительной форсунки при различных затяжках ее пружины: п = 1500 мин'1;
ПСЖ = 170 см3/мин
4- 6 8 10 12 14 16 1В ои.<о*>.
mmV U,
Таким образом, выбор величины дополнительной порции топлива определялся по степени ее влияния на сгорание основной порции топлива, в качестве критерия использовалась дымность ОГ [2]. Изменение величины ДПТ осуществлялось за счет изменения проходной способности жиклера и затяжки пружины ДФ. Установлена рациональная, по соображениям расхода топлива и дымности, величина ДПТ, которая составила 30% от номинальной цикловой подачи для двигателя МД-6. Для обеспечения подачи 30% дизельного топлива через ДФ необходимо использовать жиклер с пропускной способностью 170 см3/мин и установить давление затяжки в ДФ 4 МПа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Астахов И.В. Закон подачи топлива как фактор повышения надежности работы и ресурса быстроходного дизеля.//Энергомашиностроение. - 1956.-№ 8.- С. 16-21.
2. Гусаков С. В., Девянин С. Н., Вальехо Пабло. Повышение максимальной мощности дизеля МД-6, работающего на рапсовом масле путем подачи дополнительного топлива на впуск. //Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС. Материалы VII международного научно-практического семинара. Владимир. - 1999. -с.61-62.
3. Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. - JL: Машиностроение, 1990. - 352 с.
UDC 621.436.001.63.4
SYSTEM TWO-PHASE FUEL INJECTION FOR SMALL-DIMENSION HIGH-REVOLUTIONS DIESEL MD-6 AND DIESEL OF SIMILAR TYPE
N.N. Patrakhaltsev1, S.V. Gusakov1, E.G. Ponomarev2, P. Vallejo2
1) Department of Internal Combustion Engines Russian Peoples’ Friendship University Miklukho-Maklaya St., 6, 117198 Moscow, Russia
2) SIE “Agrodiesel”
Timiryazevskaya St., 58, Moscow, Russia
In article the description of a design of system two-phase a diesel engine and results of its experimental researches on non-engine installation is resulted.
