CC BY
49
УДК 621.436.038
УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХСТАДИЙНОЙ ТОПЛИВОПОДАЧИ ПУТЕМ МОДЕРНИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ФОРСУНКИ
А.Н. Врублевский, доцент, к.т.н., В.С. Чумак, студент,
И.А. Перевозник, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Предложено для улучшения характеристик двухстадийной топливоподачи элек-трогидравлической форсунки установить перед впускным жиклером камеры управления дополнительный объем. В результате расчетного исследования определены геометрические размеры данного объема, обеспечивающие повышение давления впрыскивания основной порции топлива на 18 %.
Ключевые слова: аккумуляторная топливная аппаратура, электрогидравлическая форсунка, топливоподача, давление впрыскивания, дополнительный объем.
ПОКРАЩЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДВОСТАДІЙНОЇ ПАЛИВОПОДАЧІ ШЛЯХОМ МОДЕРНІЗАЦІЇ ЕЛЕКТРОГІДРАВЛІЧНОЇ ФОРСУНКИ
О.М. Врублевський, доцент, к.т.н., В.С. Чумак, студент,
І.А. Перевозник, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Анотація. Запропоновано для покращення характеристик двостадійної паливоподачі електрогідравлічної форсунки встановити перед впускним жиклером камери керування додатковий об’єм. В результаті розрахункового дослідження визначено геометричні розміри даного об’єму, які забезпечують підвищення тиску впорскування основної порції палива на 18%.
Ключові слова: акумуляторна паливна апаратура, електрогідравлічна форсунка, паливопода-ча, тиск упорскування, мультиплікатор, камера керування.
IMPROVEMENT OF TWO-STAGE FUEL-SUPPLY CHARASTERISTICS BY MEANS OF ELECTROHYDRAULIC JET MODERNIZATION
А. Vrublevskiy, Associate Professor, Candidate of Technical Science,
V. Chumak, student, I. Perevoznik, Associate Professor, Candidate of Technical Science,
KhNAHU
Abstract. For improvement of two stage fuel-supply characteristics of electrohydraulic jet it is offered to install an additional volume before the inlet nozzle. In the result of a calculation research there were determined the geometrical dimensions of the given volume that improves the injection pressure of the main fuel portion by 18%.
Key words: accumulative fuel equipment, electrohydraulic jet, fuel, fuel-supply, injection pressure, additional volume.
Введение
В последние десятилетия появился и бурно развивается новый класс дизельной топливной аппаратуры (ТА), отвечающий самым высоким требованиям, предъявляемым к
процессу топливоподачи (ТП). Это аккумуляторная ТА с электронным управлением впрыскивания. Данная ТА и ее элементы стала объектом большинства исследований процесса ТП. Конструкция аккумуляторной ТА постоянно усложняется, а ее изготовле-
ние требует разработки новых высоких технологий. Важнейшим элементом любой ТА с электронным управлением является форсунка, определяющая характеристику топливоподачи. Волновые явления в топливных каналах форсунки, деформация иглы и мультипликатора, течение топлива в малых зазорах, сжимаемость топлива и другие процессы влияют на ТП. Наиболее ярко и, как правило, негативно указанные явления проявляются при попытке организации двухстадийной или многостадийной ТП, когда расстояние между соседними впрыскиваниями составляет
0,2 мс и менее.
Анализ публикаций
Разработчиками и исследователями аккумуляторной топливной аппаратуры с электронным управлением предложено множество решений, направленных на улучшение характеристики многостадийной топливоподачи. Радикальным решением задачи является использование пьезопреобразователя для привода клапана управления электрогидравлической форсунки [1, 2]. В таком случае повышается быстродействие форсунки, но возрастает в несколько раз и стоимость форсунки.
Другим путем решения задачи является совершенствование алгоритмов управления топливоподачей [3]. Реализация данного решения не влечет увеличения стоимости топливной аппаратуры, но имеет целый ряд ограничений, в частности по возможному количеству стадий впрыскивания, по достигаемому уровню давления впрыскивания. Улучшение характеристики впрыскивания происходит за счет повышения скорости перемещения управляющего клапана, увеличения силы, развиваемой преобразователем электрической энергии в механическое перемещение. Указанные решения не позволяют непосредственно воздействовать на волновые процессы, во многом определяющие текущий уровень давления в полостях высокого давления компонентов аккумуляторной топливной аппаратуры - гидроаккумуляторе, топливном насосе высокого давления и особенно электрогидравлической форсунке.
Изменить характер распространения импульса давления возможно:
- изменяя внутренний диаметр и длину трубопровода, соединяющего гидроаккумулятор и форсунку [3];
- используя явления деформации, проявляемые в подвижных деталях форсунки, и сжимаемость топлива [4];
- установкой в линии высокого давления форсунки дополнительных объемов - резонаторов [5], модуляторов [6].
Указанное решение можно использовать для модернизации серийной топливной аппаратуры, при этом стоимость модернизации незначительна. Очевидно, что улучшения характеристик ТП необходимо добиваться совместно путем модернизации гидравлической схемы ТА и использования новых алгоритмов управления ТП.
Цель и задачи исследования
Цель исследования - повысить давление впрыскивания основной порции топлива при двухстадийной топливоподаче путем введения в конструкцию форсунки аккумуляторной топливной системы дополнительного объема.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести расчетное исследование процессов, происходящих в электрогидравлической форсунке в период впрыскивания;
- определить место установки дополнительного объема его и оптимальные параметры.
Объект исследования
Объектом исследования является процесс топливоподачи, организованный при помощи электрогидравлической форсунки (ЭГФ), используемой в отечественной аккумуляторной топливной аппаратуре с электронным управлением разработки КП ХКБД. Расчетная схема ЭГФ (рис. 1) включает полости высокого (А, Б, В, Д) и низкого (Е, К, Л, М) давления, соединяющие данные полости топливные каналы, а также электромагнит клапанного типа и пружины сжатия. Указанная схема используется в большинстве серийно выпускаемых электромагнитных форсунок. Подробно работа исследуемой форсунки описана в [3, 6].
Моделирование процесса ТП в аккумуляторной аппаратуре
Исследование процесса топливоподачи в данной работе проведено с помощью математической модели, разработанной на кафе-
дре ДВС ХНАДУ [6]. Результат расчета двухстадийной топливоподачи при давлении в гидроаккумуляторе 140 МПа и паузе 0,1 мс, определяющей задержку подачи основной порции топлива, показан на рис. 2. Характерным для данного режима является процесс колебания давления в кармане распылителя.
Рис. 1. Расчетная схема ЭГФ с дополнительным объемом
Рис. 2. Характеристики топливоподачи при использовании штатной электрогидрав-лической форсунки (пауза между предварительной и основной подачами 0,1 мс)
Вызванное волновыми явлениями в топливоподводящих каналах форсунки снижение да-
вления в кармане распылителя до 120 МПа, приходящееся на участок основного впрыскивания, приводит к падению максимального давления впрыскивания до 106 МПа. При этом суммарная цикловая подача топлива составила 25 мм3.
Использование дополнительного объема для повышения давления впрыскивания
Для уменьшения колебаний давления в кармане распылителя и полости управления в данной работе предложено разместить в линии высокого давления дополнительный объем. В данном промежуточном объеме будет происходить процесс сложения прямой и отраженной волн давления, что повысит давление в полости управления и кармане распылителя между впрыскиваниями. Важным фактором, делающим данное решение эффективным, является разделение дополнительной полости и полости камеры управления жиклером. При этом процессы, от которых зависит процесс ТП, будут развиваться следующим образом. При подаче электрического сигнала на катушку электромагнита управляющий клапан ЭГФ открывает выпускное отверстие в полости управления. Сила, действующая на мультипликатор, уменьшается, и мультипликатор, а вслед за ним и игла распылителя поднимаются. Происходит впрыскивание топлива.
Закрытие выпускного отверстия приводит к увеличению силы, действующей на мультипликатор, вследствие чего игла распылителя опускается и впрыскивание завершается. При данном способе разгрузки полости управления в процессе сброса топлива важно, как интенсивно происходит процесс ее наполнения.
Удаленность объема сжатого топлива (гидроаккумулятора) затягивает процесс восстановления давления в полости управления. Установка дополнительного объема сжатого топлива, давление в котором равно давлению в гидроаккумуляторе, позволит ускорить процесс восстановления давления в полости управления, что наиболее критично при организации многостадийной ТП с длительностью между соседними стадиями менее 0,2 мс.
Важным преимуществом использования дополнительной полости также является увеличение объема сжатого топлива, находящегося в непосредственной близости от кармана распылителя.
Следовательно, при выборе места установки дополнительного объема необходимо стремиться к расположению его как можно ближе к впускному жиклеру. С точки зрения компоновки и использования в серийной ТА, наиболее приемлемым является расположение дополнительного объема у штуцера форсунки. В таком случае монтаж и демонтаж дополнительного объема можно производить непосредственно на двигателе без замены трубопроводов, соединяющих форсунку с топливным аккумулятором.
Определение оптимальных параметров дополнительного объема
Следующим шагом явилось определение оптимальных размеров дополнительной цилиндрической полости - диаметра ёр и длины Ьр. Очевидно, что необходимый объем полости возможно получить при различном сочетании данных параметров. Критерием при оптимизации является максимальное давление впрыскивания Ра основной порции топлива при двухстадийной ТП. Функциональными ограничениями являются пределы варьирования внутреннего диаметра dp и длины Ьр, а также исключение подвпрыскиваний. Пределы варьирования выбраны следующие:
- для диаметра dp - от 7 мм до 11,5 мм;
- для длины Ьр - от 22 мм до 52 мм.
Оптимизационная задача решается с помощью метода исследования пространства параметров [7]. На первом этапе для фиксированного режима (давление в гидроаккумуляторе 140 МПа, пауза между управляющими импульсами 0,1 мс) с помощью генератора ЛПт-последовательности определены 32 пробные точки в плоскости параметров ^р, Ьр). В результате расчета получена таблица испытаний (табл. 1) и построен график
(рис. 4). Анализ табл. 1 позволил выделить 11 и 31 пробные точки, в которых давление Ра принимает максимальные значения 130 и 132 МПа. При этом цикловая подача дц по сравнению с идентичными параметрами управляющего сигнала и Рак увеличивается в 1,32 раза. Максимальная деформация мультипликатора БЕБ уменьшается, а скорость перемещения мультипликатора ЭГФ См возрастает до 1 м/с. В указанных пробных точках параметр Ьр стремится с максимальному значению 52 мм, а оптимальный диаметр dp находится в центре варьируемого диапазона.
Таблица 1 Исходные данные и результаты расчета
№ dp, мм Рр, мм БЕБ, мм С м/с Ра, МПа мм3
1 9,165 37,5 57,55 0,706 91,041 22,63
2 10,247 30 55,211 0,708 64,391 16,607
3 7,937 45 52,912 0,98 128,429 31,929
4 9,721 26,25 55,7 0,711 66,348 16,528
5 7,246 41,25 57,101 0,771 116,888 29,105
6 8,573 33,75 58,696 0,779 91,636 23,244
7 10,747 48,75 53,124 0,74 129,148 32,862
8 10,989 24,375 54,968 0,874 122,835 31,94
9 8,874 39,375 53,474 0,71 113,958 28
10 7,599 31,875 56,933 0,667 102,028 26,194
11 9,987 46,875 53,4 0,948 129,884 33,328
12 8,261 28,125 57,821 0,696 87,094 22,036
13 10,5 43,125 53,599 0,792 129,15 32,762
14 9,447 35,625 56,649 0,751 86,125 21,355
15 6,874 50,625 53,04 0,876 126,381 33,706
16 9,307 23,438 58,083 0,764 91,352 22,11
17 6,68 38,44 54,944 0,974 124,43 32,155
18 8,101 30,938 56,87 0,67 95,46 24,45
19 10,37 45,94 52,89 1,00 129,34 32,54
20 7,43 27,19 57,17 0,70 67,84 17,96
21 9,86 42,19 56,88 0,78 99,19 24,04
22 10,87 34,69 54,51 0,72 116,24 28,98
23 8,73 49,69 53,25 1,00 128,96 33,11
24 9,02 25,31 56,60 0,79 81,54 19,64
25 11,11 40,31 54,57 0,71 76,32 19,37
26 10,12 32,81 55,20 0,82 96,61 23,14
27 7,77 47,81 55,07 0,93 127,55 33,78
28 10,62 29,06 53,80 0,70 58,96 15,39
29 8,42 44,06 54,48 0,95 128,24 33,35
30 7,06 36,56 58,08 0,70 107,87 27,16
31 9,59 51,56 52,50 1,10 132,12 33,87
32 10,44 22,97 54,95 0,74 76,09 17,54
Расчетные характеристики при параметрах ^р, Ьр) в 11 точке показаны на рис. 3.
Повышение давления впрыскивания Ра является следствием уменьшения колебаний давления в кармане распылителя между впрыскиваниями, а также сокращения времени восстановления давления топлива в камере управления. При идентичных с (рис. 4) параметрах управляющего импульса цикловая подача увеличилась с 25 до 34 мм3.
Рис. 3. Зависимость давления впрыскивания основной подачи топлива от длины Ьр и диаметра dp дополнительного объема
160 р. МПа / —;—\ / Ал, давление ¡распылит в кармане еля
1 ^ 110 • 1 V (*• STi \у / 1 \ у ■у-л
' 1 % 1 «• 1 Л ь 1 г 1 \ ; \ * VV* л- N давленій управлеї в камере шя
— 1 /V * г . . І г W і давление ^ впрыскивания
подача т( \ »плпва
\ * q, мм
\
о л і
О 0,5 1 1,5 т.мс 2.5
Рис. 3. Характеристики топливоподачи при оптимальных размерах дополнительного объема
Выводы
Исследован процесс двухстадийной топливоподачи в аккумуляторной топливной системе с электрогидравлической форсункой. Определена зависимость колебаний давления в кармане распылителя на характеристики топли-воподачи.
Предложено для уменьшения амплитуды колебаний давления в кармане распылителя между предварительной и основной стадиями топливоподачи установить между камерой управления и штуцером форсунки дополнительный объем.
С помощью метода исследования пространства параметров определены оптимальные размеры резонатора (диаметр 10 мм, длина 46,8 мм), обеспечивающие повышение давления впрыскивания основной порции топлива с 107,5 МПа до 130 МПа при давлении в топливном аккумуляторе 140 МПа.
Литература
1. Грехов Л.В. Топливная аппаратура и сис-
темы управления дизелей : учебник для вузов / Л.В. Грехов, Н.А. Иващенко, В.А. Марков. - М. : Легион-Автодата, 2004. - 344 с.
2. Мешков Д.В. Розробка системи паливопо-
дачі з електронним керуванням автотракторного дизеля з лінійним п’єзоелектричним перетворювачем : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук:
05.05.03 «Двигуни та енергетичні установки» / Мешков Денис Вікторович. -Харків, 2010. - 20 с.
3. Денісов О.В. Вибір і обґрунтування параме-
трів електрогідравлічної форсунки для акумулятороної паливної системи висо-кообертового дизеля : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук :
05.05.03 «Двигуни та енергетичні установки» / Денісов Олексій Валерійович. -Харків, 2009. - 20 с.
4. Драган Ю.Е. Методика учета сжимаемости
топлива и деформации штанги при математическом моделировании электро-гидравлических форсунок / Ю. Е. Драган // Двигатели внутреннего сгорания: Всеукр. научн.-техн. журнал. - 2007. -№2. - С. 44 - 52.
5. Beierer P. Experimental and numerical analysis
of the hydraulic circuit of a high pressure common rail fuel injection system: thesis for the degree of doctor of technology / Beierer Philipp; Tampere University of Technology - Tampere, 2007. - 200 p.
6. Врублевский А.Н. Научные основы созда-
ния аккумуляторной топливной системы для быстроходного дизеля : моногр. / А.Н. Врублевский. - Харків: ХНАДУ, 2010. - 216 с.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 15 ноября 2010 г.
