CC BY
45
УДК 621.436.038.001
ВЛИЯНИЕ ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА В ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЕ ДИЗЕЛЯ НА ЕГО ПУСКОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Н. Н. Патрахальцев, В. В. Харитонов1, А. В. Фомин2
1) Кафедра комбинированных ДВС 2) Кафедра автомобилей и автомобильного хозяйства Российского университета дружбы народов Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо - Маклая.6
Приводятся результаты экспериментального исследования пусков и разгонов дизеля 4411/12,5 в условиях нормальной температуры окружающей среды. Показано, что переходный процесс изменения начального давления топлива в линиях высокого давления топливной системы снижает эффективность операции пуска - разгона. Для ей повышения требуется стабилизация или регулирование начального давления.
Характеристики пуска дизеля существенно зависят от качества процессов подачи, распиливания и распределения топлива в камере сгорания при реализации этого режима. Известно, что даже при положительной температуре двигателя и окружающей среды ухудшенное диспергирование топлива в факеле при низкой пусковой частоте вращения приводит к тому, что лишь часть поданного в цилиндр топлива успевает испариться и принять участие в сгорании, а следовательно в создании положительного крутящего момента. Для повышения доли топлива, распыленного до степени, обеспечивающей его испарение, смесеобразование, сгорание применяют пусковые обогатители, благодаря которым геометрическая производительность насоса возрастает в 1,8 - 2,2 раза по сравнению с номинальной. Однако в этом случае усложняется конструкция топливного насоса, а из-за ступенчатой формы плунжера возрастает объём линии высокого давления (ЛВД), что снижает качество процесса топливо-подачи. Не испарившееся топливо не только не участвует в процессе создания положительной работы, но и снижает экономичность операций пуска - разгона, приводит к разжижению смазки и проч. Одной из причин ухудшения качества процесса подачи топлива в режимах пуска - разгона является переходный процесс (п.п.) в линии высокого давления (ЛВД) топливной системы. Для оценки степени влияния этого п.п. на пуск дизеля проведено экспериментальное исследование дизеля 4411/12,5.
Испытания проведены в условиях тормозного стенда при положительных температурах окружающего воздуха. Двигатель оснащён топливным насосом высокого давления (ТНВД) типа УТН-5 и форсунками закрытого типа ФД-22. Предпусковая прокрутка вала проводилась штатным пусковым средством. Исследованный дизель был оснащён датчиками и соответствующими системами усиления, преобразования и регистрации сигналов. При пусках регистрировались осциллограммы изменения давление топлива в штуцере ТНВД (Р’„), хода иглы форсунки (Ьн), положения рейки ТНВД (Ьр), а также индикаторные диаграммы (давление газов в первом цилиндре дизеля - Рг). Одновременно на ленте шлейфового осциллографа регистрировались верхняя мёртвая точка (ВМТ) первого цилиндра, углы поворота коленчатого вала (ф), а также текущее время (0 осуществления операции пуска - разгона (благодаря чему определялась текущая частота вращения вала дизеля - п).
При неустановившихся режимах работы (НУР) дизеля, к которым относятся также режимы пуска - разгона, в системах двигателя протекают определённые переходные процессы (п.п.). А именно: п.п. в автоматическом регуляторе (обычно наиболее кратковременный), п.п. в топливной аппаратуре, п.п. изменения воздухоснабжения и наконец п.п. изменения теплового состояния двигателя (наиболее длительный). При пуске и последующем разгоне двигателя до режима устойчивой работы на минимальных оборотах холостого хода п.п. в регуляторе практически не сказывается на качестве операции, так как выход рейки на упор пусковой подачи обычно происходит мгновенно, т.е. за время между двумя последовательными циклами. Тепловое состояние двигателя существенно влияет на качество и саму воз-
можность пуска. Поэтому очевидна целесообразность, если есть такая возможность, повысить тепловое состояние двигателя перед пуском. Отставание в процессе воздухоснабжения при пуске - разгоне от условий установившегося режима (УР) существенно для двигателей со свободным турбонаддувом, когда и применяются методы компенсации этого дефицита в воздухоснабжении. Для двигателей без наддува вряд ли можно говорить о целесообразности применения таких средств при пуске. А вот п.п. в топливной аппаратуре может отрицательно сказываться на качестве операций пуска - разгона, так что применение методов, исключающих такое влияние, может быть целесообразно.
Одним из параметров, влияющих на показатели процесса топливоподачи, является начальное давление топлива (Рнач) в ЛВД топливной системы перед очередным циклом впрыскивания. Для двигателей размерностей автотракторного назначения целесообразно стремиться к повышению Р„ач, так как это обеспечивает при прочих равных условиях уменьшение отрицательного влияния сжимаемости топлива в ЛВД, повышение скорости распространения звука, а в конечном итоге - к повышению интенсивности впрыскивания топлива. Остаточное давление (Рост) в ЛВД топливной системы после очередного цикла топливоподачи для указанных двигателей целесообразно иметь пониженным, что достигается обычно повышенным объёмом разгрузочного пояска нагнетательного клапана. В результате повышенной разгрузки ЛВД происходит сокращение периода подачи топлива в цилиндр со снижающимся давлением, уменьшается подтекание топлива из форсунки в конце впрыскивания, т.е. более интенсивной становится отсечка подачи, что положительно сказывается в целом на процессе топливоподачи и рабочем процессе в цилиндре двигателя. Таким образом, для двигателей указанного типа целесообразна организация процесса топливоподачи с созданием циклов активного типа (“активных” циклов) [1] (рис. 1). “Пассивный” цикл, то есть такой, когда начальное давление меньше, чем остаточное, отличается меньшей интенсивностью впрыскивания, большей продолжительностью подачи.
впрыскивании по принципам "активного"(1) и "пассивного" (2) циклов топливоподачи
Известно, что организовать “активные” циклы можно в топливной аппаратуре с регулированием начального давления (РНД). Каждой топливной аппаратуре при работе на установившихся режимах (УР) свойственна определённая характеристика изменения начального и остаточного давлений (РУР„ач (ост)=А!п, Ьр)). Причём, Рост после очередного Гого цикла топливоподачи равно начальному давлению в последующем ¡+1 цикле, т.е. Рнач ¡+, = Р0СТ1 ± 5Родт (где 8Р0СТ. - некоторая, свойственная двигателю и его топливной аппаратуре, нестабильность остаточного и соответственно начального давлений). При неустановившемся режиме (НУР), сопровождающемся изменением частоты вращения (п) и/или положения рейки (Ир), Рнач данного цикла также равно Рост предыдущего цикла, но в данном случае уже цикла, протекавшего при других п и Ьр. Это отличие в начальных условиях топлива в ЛВД при НУР может приводить к ухудшению качества топливоподачи, если циклы превращаются в “пассивные”.
Результаты экспериментального исследования одной из реализаций режима пуска - разгона показаны на рис. 2. В предварительных исследованиях проведено определение параметров работы топливной аппаратуры в условиях постоянства частоты вращения в области пусковых частот (характеристика РУРнач=РУРост) как на безмоторном топливном стенде, так и на моторном стенде путём прокрутки двигателя от электрогенератора - тормоза, конвертированного в электромотор.
Рис. 2. Изменение параметров работы дгоеля Д-240 (4411У 12,5'; в начале разгона после пуска
Пусковая частота вращения составила 130 - 170 мин'1 и в течение 10 последовательных циклов дизель разогнался до п = 610 мин'1, на что потребовалось 3,41 с. Пуск проводился после мгновенного вывода рейки ТНВД в положение, соответствующее номинальной подаче (Ьр=1,0). На восьмом цикле регулятор частоты вращения начинает уменьшать подачу топлива, смещая рейку. Угол (ф’„) начала подъёма давления топлива в штуцере ТНВД при пусковой частоте составлял 32° п.к.в. до ВМТ, а по мере разгона возрастал до 40 градусов.
Начало и конец подачи топлива (фнп и фи,) определялись по осциллограммам хода иглы форсунки. Таким образом, разница между этими параметрами представляла собой продолжительность впрыскивания (Дф). Угол начала видимого сгорания, определённый по индикаторным диаграммам, обозначен через фс. Видно, что в течение первых шести циклов работы период задержки воспламенения смеси в цилиндре превышает продолжительность топливо-подачи. Фактор динамичности цикла (а), как отношение количества топлива, поданного в цилиндр за период задержки воспламенения, ко всей цикловой подаче, составляет единицу (с=1,0). В седьмом цикле и далее конец подачи топлива лежит после момента начала видимого сгорания (фс). По индикаторным диаграммам видно, что угол достижения максимального давления цикла (ф2) располагается практически в ВМТ. Давление сжатия (давление, при котором начинается видимое сгорание - Р’с) по мере роста частоты вращения и прогрева двигателя увеличивается от 2,7 МПа до 3,9 МПа. Максимальное давление цикла Р2 растёт от 2,7 МПа в нулевом цикле, когда при частичном положении рейки ещё не произошло воспламенения топлива в цилиндре, до 10,4 МПа к восьмому циклу.
Интересно проследить за трансформацией осциллограммы изменения давления топлива (Р’„) в штуцере насоса. В течение 7-8 циклов разгона, то есть в течение первых трёх секунд, осциллограмма имеет вид, показанный схематически на рис. 2, с двумя максимумами. При этом, первый максимам (Р„) с ростом частоты вращения растёт от18,5 до 23 МПа, а второй (Р”н) уменьшается от 18 МПа до практически нуля. Осциллограммы движения иглы форсунки (Ьи) свидетельствуют, что перемещения иглы носят колебательный характер практически в течение всего исследованного периода пуска - разгона. При этом продолжительность подачи топлива (Дф) растёт с ростом частоты вращения. А с учётом увеличивающегося давления впрыскивания можно говорить и о росте величины цикловой подачи. Этот характер изменения цикловой подачи совпадает с характеристикой изменения подач при установившихся режимах прокрутки вала дизеля, но абсолютные значения подач при пуске -разгоне отстают от сходственных значений установившихся режимов. Отставание достигает 15 - 20% и объясняется следующими явлениями.
Первые циклы топливоподачи при пуске дизеля (то есть при неустановившемся режиме работы - НУР) протекают при пониженных начальных давлениях (Рнач) в нагнетательном трубопроводе (в ЛВД). Так, первый цикл топливоподачи после выхода рейки ТНВД на упор номинальной подачи протекает при Рнур нач = 0. В то же время при установившемся режиме начальное давление (РУРнач) составляет порядка 7 МПа. Пониженное Р„ач приводит к необходимости затраты части хода плунжера на предварительное повышение давления в ЛВД до уровня установившегося режима, часть подачи насоса тратится на сжимаемость топлива в ЛВД, скорость распространения волны давления при этом более низка, характеристика впрыскивания более вялая, хуже качество распыливания и распределения топлива. После окончания первого цикла впрыскивания возрастает остаточное давление (Рнурост) в ЛВД, т. е. часть поданного ТНВД топлива остаётся в ЛВД за счёт повышенной сжимаемости. Новое начальное давление в циклах разгона возрастает до 2 МПа, но остаётся ниже, чем при УР. Следовательно и в этом цикле имеем дефицит в расходе топлива через форсунку по сравнению со сходственными условиями УР, более вялое, менее качественное распыливание топлива и т. д. Следовательно два указанных цикла носят характер “пассивных”, из-за чего происходит обеднение смеси, снижение эффективности пуска - разгона. Уже с третьего цикла начальные условия в ЛВД практически сравниваются с условиями сходственных УР. Происходит чередование “активных” и “пассивных” циклов топливоподачи, связанное с существующей, свойственной данной топливной аппаратуре нестабильностью процессов от цикла к циклу. При этом накопленное (аккумулированное) в ЛВД топливо способствует повышению цикловых подач, повышению интенсивности разгона и т.д. Однако недостатком такого протекания процессов является то, что накопление (аккумулирование) топлива в ЛВД происходило в первых циклах пуска, что снижало эффективность, а в условиях пониженных температур и саму возможность, воспламенения и сгорания заряда.
Устранить “вялые” подачи топлива с пониженной производительностью можно путём повышения начального давления топлива в ЛВД перед первыми циклами впрыскивания. То
есть необходимо заранее, перед переводом рейки в номинальное положение аккумулировать в ЛВД повышенное количество топлива, создать повышенные Р„ач.
Повышение Рнач можно получить, используя топливные системы с РИД, либо путём накачки топлива в ЛВД во время предпусковой прокрутки вала дизеля при положении рейки ТНВД, равном 20 - 30% от номинала [2]. При этом давление, создаваемое насосом при столь низкой (пусковой) частоте вращения, не достигает давления начала подъёма иглы форсунки, но достаточно для нагнетания топлива в ЛВД и создания в ней повышенных Рнач.
На рис. 3 показаны осциллограммы первых двух циклов работы дизеля при пуске в условиях, когда накачкой ЛВД в ней было создано повышенное Р„ач = 8 МПа.
Рис.З. Осциллограммы первых двух циклов пуска дизеля 4411/12,5 после создания повышенного начального давления перед первым циклом
впрыскивания
Пуск проводился при температуре окружающего воздуха +5°С, температурах охлаждающей воды и смазочного масла перед пуском, также равных +5°С. Благодаря повышению Р„ач цикловая подача (§ц) возрастает, очевидно возрастает и интенсивность подачи в первой фазе. Остаточное давление после первого цикла не снижается до нуля, а составляет около 3 МПа. То есть во втором цикле топливоподачи имеем Рнач 2=3 МПа. Оба цикла являются “активными”. В обоих циклах возрастает среднее индикаторное давление, т.е. повышается интенсивность разгона.
Таким образом, исследование показало возможность отрицательного влияния переходных процессов в топливной аппаратуре на качество операции пуска - разгона, а также возможность устранить этот недостаток воздействием на начальное давление топлива в первых циклах топливоподачи. Создание повышенного начального давления может в ряде случаев заменить пусковой обогатитель, что упрощает конструкцию топливной аппаратуры.
ЛИТЕРАТУРА
/. Патрахальцев Н.Н. Дизельные системы топливоподачи с регулированием начального давления//Двигателестроение. 1980. - № 10. -С. 33 - 37.
2. Патрахальцев НИ., Фомин А.В. Повышение эффективности пуска - разгона дизеля созданием начального давления топлива//ДВС. Межвед. науч. техн. сб. - Харьков: Вища школа. 1984, вып. 34. - С. 64 - 68.
UDC 621.436.38.001
INFLUENTION OF TRANSIENT PROCESSES IN FUEL SYSTEM FOR STARTING CARACTERISTICS
OF DIESEL ENGINE
N.N. Patrakhaltsev, V.V. Kharitonov1, A.V. Fomin2
1 ) Department of Internal Combustion Engines Russian People’s Friendship University Mikluho-Maklaya st., 117198, Moscow, Russia
2) Department of automobiles and automobile’s branch of production Russian People’s Friendship University Mikluho-Maklaya st., 117198, Moscow, Russia
There are presented the results of experimental investigation of regimes of starting and acceleration of diesel 6411112,5 in conditions of normal temperatures of surrounding environments. There demonstrated, that starting qualities of diesel depend on transient processes in fuel system. It’s necessary to rise the initial pressure of fuel in high pressure line for rising of efficiency of starting.
