CC BY
106
УДК 629.113
С. А. Гребенников СНИЖЕНИЕ НЕРАВНОМЕРНОСТИ РАБОТЫ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Проведен анализ конструкций и работы самой современной на настоящий момент системы питания дизельного двигателя аккумуляторного типа «Common rail», выявлены причины, вызывающие неравномерность подачи топлива по цилиндрам дизеля, установлены зависимости для математического моделирования пульсаций давления топлива, на основе уравнений сжимаемости топлива и деформации деталей топливной системы.
Неравномерность работы, шум и вибрация, техническое состояние, ресурс, система «Common rail», пульсации давления
S.A. Grebennikov DROP OF UNEVENNESS OF OPERATION OF DIESEL ENGINES
The analysis of designs and work of the most modern currently feed systems of the diesel engine of the storage type «Common rail» is carried out, the reasons causing unevenness offuel delivery on cylinders of the diesel are established, dependences for mathematical modeling of
pulsations ofpressure offuel, on the basis of the equations of compressibility offuel and deformation of details of a fuel system are established.
Unevenness of work, noise and vibration, technical condition, resource, Common rail system, pressure pulsations
Система «Common rail» (в переводе с английского - общая магистраль) находится на вершине эволюции систем впрыска топлива дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Ее характерной особенностью является наличие аккумулятора давления топлива (рис. 1), что фактически разделяет функции нагнетания и распределения топлива. Основными преимуществами системы над предшественниками, являются независимость закона подачи топлива форсункой с электромагнитным или пьезоэлектрическим запирающим элементом от работы насоса высокого давления (ТНВД), возможность электронного управления моментом начала подачи и количеством впрыскиваемого топлива, осуществления нескольких впрыскиваний топлива за один рабочий цикл в один цилиндр. В совокупности с высоким давлением топлива, создаваемым системой «Common rail» на уровне 150-200 МПа, данные преимущества обеспечили настоящий прорыв в техникоэкономических и экологических характеристиках дизельных ДВС, увеличив их долю на мировом рынке автомобилей до 40-60%.
Разделение функций нагнетания давления и распределения топлива позволило исключить влияние технического состояния ТНВД на закон подачи топлива форсункой, что в предыдущих системах обуславливало высокую неравномерность топливопо-дачи, а соответственно и неравномерность работы ДВС. Неравномерная работа цилиндров обусловливает повышенные шум и вибрацию ДВС, снижение его техникоэкономических показателей и ресурса, в связи с чем, в процессе разработки и эксплуатации ДВС ее значение стремятся минимизировать.
Например, с целью уменьшения неравномерности подачи топлива системой «Common rail» каждая ее форсунка имеет 9-значный корректировочный код, характеризующий ее производительность, значение которого необходимо занести в память блока управления системой для корректировки им управляющего форсункой сигнала.
Возможность осуществления нескольких впрыскиваний топлива за один цикл одной и той же форсункой обусловило применение предварительного впрыска небольшой порции топлива, в результате сгорания которой, температура в камере сгорания значительно повышается, что создает лучшие условия для испарения и сгорания основной порции топлива (рис. 2). Эффект от предварительного впрыска сопоставим со значительным повышением степени сжатия и цетанового числа топлива, поскольку резко сокращает период задержки воспламенения топлива, а соответственно жесткость работы и неравномерность вращения коленчатого вала дизеля 5
Рис. 1. Устройство системы питания дизеля с аккумулятором давления «Common rail»:
1 - форсунки; 2 - топливная рампа (аккумулятор давления); 3 - ТНВД, 4 - блок управления
5 W max W min
га
(1)
где Ютах и Ютт - соответственно максимальное и минимальное значения угловой скорости коленчатого вала за рабочий цикл;
V - среднее значение угловой скорости коленчатого вала за рабочий цикл.
(р, °п.к.в.
Рис. 2. Зависимость давления сгорания Р, от угла поворота коленчатого вала р(п.к.в.):
------- - с предварительным впрыском;
....... - при однофазном впрыске;
Рп - давление впрыска
Момент предварительного впрыска, как и количество впрыскиваемого топлива по отдельным цилиндрам, не являются фиксированной величиной, а изменяются с учетом неравномерности изменения технического состояния цилиндров и форсунок. Оценивая ускорения, сообщаемые каждым поршнем коленчатому валу, по сигналу датчика частоты вращения коленчатого вала система управления изменяет указанные параметры впрыска в отдельных цилиндрах.
Существенным фактором понижения шума и вибрации дизельного ДВС стало применение на нем «двух массового» маховика, суть которого заключается в упругом взаимодействии двух частей маховика, образующих его массу (плоскости, контактирующей с фрикционным диском сцепления и плоскости, соединенной с фланцем коленчатого вала.). Причем основной эффект достигается не для агрегатов трансмиссии, а для самого ДВС, за счет уменьшения сопротивления движению поршня в «рабочем ходе» (сжатие упругих элементов) и возврата энергии упругих элементов на такте «сжатие». Благодаря упругой связи маховика с коленчатым валом, снижается неравномерность вращения коленчатого вала и частота его вращения на холостом ходу, уменьшаются нагрузки на детали ДВС, уменьшается воздействие двигателя на свои опоры в кузове автомобиля (реактивный момент), создающий ощущение вибрации у водителя.
При всем совершенстве системы «Common rail» в ней остается значительный резерв повышения ее технико-экономических свойств, признанный всеми производителями данной системы -устранение пульсаций давления в топливной рампе (аккумуляторе давления). Сжимаемость топлива и упругость стенок топливной аппаратуры под воздействием высокого давления, оказывают существенное влияние на процесс топливоподачи пульсациями, обусловленными падением давления топлива в рампе в процессе впрыска топлива, и его повышения от нагнетания плунжерами топливного насоса. Давление топлива - основной параметр для расчета продолжительности впрыска, и его колебания приводят к погрешностям в определении действительной цикловой подачи, что в свою очередь является причиной неравномерной работы ДВС.
Колебания давления можно снизить за счет увеличения объема топливной рампы, что в свою очередь отрицательно сказывается на процессе запуска, когда необходимо быстро создать необходимое давление.
Тип ТНВД и его передаточное отношение относительно коленчатого вала определяют количество, амплитуду и фазовые сдвиги пульсаций давления в топливной системе.
В настоящий момент имеется тенденция к уменьшению количества плунжерных пар насоса. Если начало эпохи системы «Common rail» фирмы Bosch ознаменовали трехплунжерные ТНВД, то в настоящий момент ее насосы с 1 плунжером. Суть этого перехода - уменьшение количества пульсаций давления и устранение неравномерности подачи секциями ТНВД, обусловленной неизбежными различиями характеристик плунжерных пар. Например, насос модели СР1 фирмы Bosch с тремя плунжерами, приводимый от распределительного вала ДВС с передаточным числом относительно коленчатого вала 1:2, за рабочий цикл ДВС совершает три насосных хода (рис. 3). Причем как минимум один из них, обязательно совпадет с моментом подачи топлива в цилиндр (на рис. 3 - со II цилиндром), что значительно
Фаза нагнетания
Рис. 3. Диаграмма фаз топливоподачи трехплунжерного ТНВД с углом развала плунжеров 120°:
МУ - номера цилиндров, в которых осуществляется впрыск
Фаза нагнетания
усложняет задачу расчета параметров впрыска в нем. Насос СР4.1 - одноплунжерный, двухкулачковый с передаточным числом относительно коленчатого вала 1:1 (рис. 4). При данной схеме, насосные ходы плунжера никогда не совпадут с моментом подачи топлива в цилиндр, каждой подаче топлива в цилиндр предшествует фаза нагнетания топлива в рампу, а неравномерность количества нагнетаемого топлива сведена к минимуму, поскольку определяется только погрешностью изготовления кулачка. Технологическая трудность перехода на одноплунжерный насос заключается в обеспечении требуемого ресурса ТНВД в условиях повышенной механической и тепловой нагруженности плунжерной пары из-за неизбежного нагрева топлива при его сжатии.
Еще более усложняют определение параметров впрыска пульсации, вызванные сжимаемостью топлива и упругой деформацией деталей топливной системы (нагнетательного трубопровода, топливной рампы и трубопроводов, соединяющих топливную рампу и форсунки). При этом необходимо учитывать:
- изменение физико-химических свойств топлива от его нагрева в результате сжатия;
- широкий диапазон изменения частоты колебаний топлива в рампе в зависимости от скоростного режима работы дизеля;
- оптимизацию давления в системе «Common rail» на каждом режиме работы ДВС для исключения перегрева топливной аппаратуры и снижения механических потерь на привод ТНВД.
В общем случае сжимаемость топлива характеризуется коэффициентом сжимаемости рт, который отражает изменение объема dV топлива под воздействием давления р
\
Рис. 4. Диаграмма фаз топливоподачи одноплунжерного ТНВД :
1-1У - номера цилиндров в которых осуществляется впрыск
Рт =
dp
[МПа-1].
(2)
По данным [1], при изменении давления от атмосферного значения до 40 МПа, коэффициент Дт изменяется от 10,5 до 6 МПа-1, что и способствует образованию волны давления в трубопроводе, распространяющуюся от форсунки в момент ее закрытия до топливной рампы. При изменении температуры топлива с 20° С до 70° С коэффициент сжимаемости изменяется с 6,3 до 7,7 МПа-1 [1].
Упругую деформацию трубопроводов и рампы Д рассчитаем, используя формулу Ламе для определения деформации оболочки цилиндра под действием распределенной нагрузки с учетом сжимаемости топлива
где Vntp - объем трубопровода; R и r - соответственно внешний и внутренний радиусы трубопровода (рампы); Е и /лп - соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона материала трубопроводов (рампы).
Переменной является и скорость звука а в топливе, с которой движутся пульсации давления по трубопроводам и рампе, поскольку она зависит от температуры и плотности р топлива. Согласно определению Рт имеем
“ •[мс]. (4)
С учетом податливости трубопроводов и рампы
Математическое моделирование колебательных процессов в топливной системе позволит уточнить методику расчета параметров впрыска, сформулировать рекомендации по рациональной организации контура высокого давления системы питания «Common rail», что в итоге снизит негативное влияние пульсаций давления на рабочие процессы дизельного ДВС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ефимов С.И. Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей: учебник для вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / С.И. Ефимов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин и др.; под общ. ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1985. 456 с.
Гребенников Сергей Александрович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и двигатели» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Статья поступила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию 30.04.13
Sergey A. Grebennikov -
Ph.D., associate professor «Cars and engines» Gagarin Saratov State Technical University
