автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Совершенствование показателей дизелей грузовых автомобилей выбором камеры сгорания и оптимизацией топливной аппаратуры

АЛЕКСЕЕВ Антон Борисович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЕЙ ГРУЗОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ ВЫБОРОМ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИЕЙ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ

(05.04.02 - Тепловые двигатели)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2010

- 2 ДЕК 2010

004615079

Работа выполнена на кафедре «Теплотехника и автотракторные двигатели» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор Хачиян A.C.

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Девянин С.Н.

кандидат технических наук, ст. науч. сотрудник Мазинг М.В.

Ведущая организация - Алтайский завод прецизионных

изделий (АЗПИ)

Защита состоится декабря 2010 г. в 17— часов на заседании

диссертационного совета Д 212.203.33 ВАК РФ в Российском университете дружбы народов по адресу: 117302, г. Москва, ул. Подольское шоссе, д. 8/5, ауд. 431.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу: 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6.

Ваши отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенных печатью, просьба высылать по адресу: 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6., ученому секретарю диссертационного совета Д 212.203.33. Адрес электронной почты для справок: fenymanworker@yandex.ru

Автореферат разослан « /1 » ноября 2010 г. Ученый секретарь

диссертационного совета ^ ^

к.т.н, профессор ^/Жа л.В. Виноградов

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АС - аккумуляторная топливная система,

ГЦ - головка цилиндра,

КГУ - клапан гидравлического управления,

КС - камера сгорания,

РП - рабочий процссс,

ТНВД - топливный насос высокого давления, ТНСД - топливный насос среднего давления, ТС - топливная система,

ЭГНФ - электроуправляемая гидропрнводная насос-форсунка, ЭМК-электромагнитный клапан.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Разработка и массовое применение на бензиновых двигателях легковых автомобилей систем распределённого впрыскивания топлива с трёхкомпонентным нейтрализатором и системой микропроцессорного управления двигателем обеспечили радикальное снижение вредных выбросов двигателями этих автомобилей. Это привело к тому, что, начиная с 19941995 гг., вредные выбросы дизелями превысили вредные выбросы бензиновыми двигателями. Поэтому проблема снижения вредных выбросов дизелями стала предельно актуальной.

Последовательная реализация ряда весомых мероприятий, в том числе разработка новых типов электронных топливных систем (ТС), позволила зарубежным компаниям наладить выпуск автомобильных дизелей, отвечающих постоянно ужесточающимся нормам по выбросам вредных веществ без увеличения расхода топлива. В то же время путь, избранный отечественными производителями, заключается в приспособлении базовых конструкций, разработанных ещё в 60-70-х годах XX столетия, к современным условиям путём их модернизации. Такой путь позволяет максимально сократить затраты при неизбежном в таком случае отставании в техническом уровне выпускаемой продукции. Решение проблемы нам видится в разработке и использовании в отечественных дизелях более прогрессивного рабочего процесса (РП) с неразделённой камерой сгорания и объёмным смесеобразованием, максимально удовлетворяющего современным экологическим требованиям и степени форсирования наддувом.

Цель работы. Улучшение экологических показателей автомобильных дизелей выбором рациональной формы камеры сгорания и оптимизацией топливной аппаратуры непосредственного действия; анализ и совершенствование аккумуляторной топливной системы с электроуправляемыми гидроприводными насос-форсунками (АС с ЭГНФ) предварительного и прямого дозирования для дальнейшего улучшения показателей.

Методы исследования. В работе использовались методы расчётного и экспериментального исследования, сочетавшиеся друг с другом. Экспериментальные работы по изучению РП проводились на моторном стенде с отсеком

Г-

одноцилиндрового дизеля размерности 12/13, на котором имитировались условия работы полноразмерного дизеля КамАЗ с газотурбинным наддувом. Путём математического моделирования на компьютере определялись предельно достижимые показатели цикла 4-тактного дизеля, показатели распыливания топлива, развития топливных струй и интенсивности осевого вихря в цилиндре.

Расчётно-теоретическое исследование АС с ЭГКФ проведено с использованием методик и программ гидродинамического расчёта, разработанных в МАДИ и дополненных в ходе выполнения работы. Испытания макетных образцов АС с ЭГНФ выполнялись на безмоторном стенде с приводным электродвигателем.

Научная новизна работы заключается в обосновании целесообразности использования в отечественных дизелях грузовых автомобилей осесимметрич-ного РП с широкой камерой сгорания, низкой интенсивностью вихревого движения заряда, 4-клапанным газораспределением, высоким давлением впрыскивания и большим числом сопловых отверстий малого диаметра. Показана важность согласования характеристик развития топливных струй при поздних углах опережения впрыскивания (УОВ), устанавливаемых с целью уменьшения выбросов оксидов азота, с необходимостью использования воздуха в надпорш-невом зазоре. В этом плане работа является логическим продолжением деятельности Особого конструкторского бюро (ОКБ) Н.Р. Брилинга на современном этапе.

Для АС с ЭГНФ предварительного и прямого дозирования обоснованы пути и способы, позволяющие увеличить давление впрыскивания до 200 МПа и выше и управлять характеристикой впрыскивания.

Практическая ценность. Предложенный подход к организации РП, проверенный в ходе стендовых испытаний на одноцилиндровом отсеке, может быть использован при создании новых моделей отечественных дизелей семейств КамАЗ и ЯМЗ. Применительно к перспективной аккумуляторной топливной системе с ЭГНФ предварительного и прямого дозирования разработаны дополненные версии программ гидродинамического расчёта, которые могут быть применены для проектирования и оптимизации ТС. В ходе испытаний на безмоторном стенде выявлены определённые недостатки ранее спроектированных и изготовленных образцов ЭГНФ предварительного дозирования, разработанных совместно с ЯЗТА, и намечены способы их устранения. На базе конструкции ЦНИТА разработан улучшенный макетный образец ЭГНФ прямого дозирования.

Реализация работы. Результаты исследований, методика и программа расчета АС с ЭГНФ используются в учебном процессе кафедры «Теплотехника и автотракторные двигатели» МАДИ и в НИОКР ЗАО «АЗПИ», направленных на создание опытных образцов АС с ЭГНФ. Результаты испытаний одноцилиндрового отсека экспериментального дизеля переданы ОАО «КамАЗ» для использования при разработке перспективных моделей дизелей.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Результаты исследования форсированной ТС непосредственного действия с ТНВД.

2. Результаты опытов на одноцилиндровом отсеке дизеля по исследованию влияния на РП парам строп распылителей и УОВ.

3. Результаты прогнозирования показателей полноразмерного дизеля 8ЧН 12/13 при обеспечении заданных норм по выбросам вредных веществ путём изменения УОВ.

4. Расчётно-экспериментальное обоснование необходимости управления давлением впрыскивания при изменении режима работы и УОВ для обеспечения оптимальных показателей качества.

5. Расчётный анализ различных способов обеспечения давления впрыскивания 200 МПа и более на примере АС с ЭГНФ предварительного дозирования.

6. Расчётный анализ различных схем ЭГНФ прямого дозирования.

7. Способ управления характеристикой впрыскивания для АС с ЭГНФ.

Личиый вклад автора

• Анализ современных тенденций развития автомобильных дизелей и ТС и постановка задач исследований.

• Проведение моторных испытаний, обработка и анализ результатов.

• Дополнение метода и программы гидродинамического расчёта АС с ЭГНФ предварительного дозирования и создание на её базе программы для расчёта АС с ЭГНФ прямого дозирования.

• Теоретическое обоснование комплектации и схемы АС с ЭГНФ для обеспечения давления впрыскивания 200 МПа и выше и управления характеристикой впрыскивания.

• Сравнительный анализ схем АС с ЭГНФ прямого дозирования, выбор рациональной схемы и конструкторская проработка макетного образца.

• Создание безмоторного стенда для испытаний АС с ЭГНФ, проведение опытов и разработка рекомендаций по дальнейшему совершенствованию конструкций и программ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов на международном научном симпозиуме, посвященном 135-летию МГТУ МАМИ в 2000 г.; 42 и 50-й конференциях Ассоциации Автомобильных Инженеров «Автомобиль и окружающая среда» в НИЦИАМТ, 2003 и 2005 гг.; научно-технической конференции «4-е Луканин-ские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе» в МАДИ(ГТУ), 2009 г. и получили положительные оценки.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ, из них 1 - в рецензируемых журналах ВАК, 2 - в виде докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, содержит 124 страницы машинописного текста, 51 рисунок, 4 фотографии, 6 таблиц, 1 приложение. Библиографический список содержит 75 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены об-

щая характеристика работы, личный вклад автора и положения, выносимые на защиту.

Глава 1 посвящена анализу современного состояния вопроса, постановке целей и задач исследований. Ужесточение законодательных норм по вредным выбросам с ОГ совместно с применением высокого наддува с лк>3 коренным образом изменяет представления разработчиков о предпочтительной организации РП автомобильных дизелей. К моменту введения норм EURO 3 наибольшее распространение в дизелях большегрузных автомобилей и автобусов, выпускаемых ведущими зарубежными производителями, получил РП с 4-клапанным газораспределением, широкой камерой сгорания (КС), осесиммет-ричным смесеобразованием, при котором совпадают оси цилиндра, камеры сгорания и форсунки, имеющей 7-8 сопловых отверстий малого диаметра dc-0,16-0,19 мм. Важная роль в обеспечении высоких показателей современных дизелей отводится топливным системам, что привело к существенному расширению области применения АС за последнее время. Дан обзор ряда работ, в которых убедительно показана прямая связь между характеристиками впрыскивания, в том числе многократным, и достигаемыми при этом показателями дизеля. В перспективе ожидается ещё большее ужесточением требований, предъявляемых к ТС, в частности, дальнейшее увеличение давления впрыскивания. В РФ большой вклад в исследования и разработку ТС внесли Г.Г. Калиш, И.В. Астахов, Л.Н. Голубков, A.C. Хачиян, Ф.И. Пинский, JI.B. Грехов и др. Так, в ПЛТД МАДИ первые варианты аккумуляторных топливных систем с электрогидравлическими (ЭГФ) и электроуправляемыми гидроприводными насос-форсунками (ЭГНФ) были разработаны и испытаны на безмоторных стендах и одноцилиндровых отсеках дизелей ЯМЗ и КамАЗ ещё в середине 80-х гг. XX века. К сожалению, производство подобных систем так и не было освоено отечественной промышленностью.

Наиболее массовые автомобильные дизели семейства ЯМЗ и КамАЗ, выпускаемые в настоящее время отечественной промышленностью, имеют 2-клапанное газораспределение со смещённым относительно оси расположением форсунки, узкую КС с высокой интенсивностью вихревого движения заряда в конце сжатия и впрыскивание топлива с помощью топливной системы непосредственного действия с ТНВД. Эти решения можно признать оптимальными для раннего этапа развития дизелей, когда основу модельного ряда составляли безнаддувные модификации с относительно высокой частотой вращения на номинальном режиме. В то же время на современном этапе, когда значения среднего эффективного давления ре превысили 2,0 МП а, а экологические требования продолжают ужесточаться, приближаясь к европейским нормам, использование устаревших технических решений представляется неоправданным.

На основе анализа состояния вопроса были сформулированы приведённая выше цель и следующие задачи исследования.

1. Усовершенствовать экспериментальную установку с одноцилиндровым отсеком дизеля размерности 12/13, имеющего осесимметричный процесс, 4-клапанное газораспределение, КС типа Гессельмана и максимально форсированную по давлению впрыскивания ТС непосредственного действия с

тнвд.

2. Провести моторные испытания одноцилиндрового отсека с цслыо исследования влияния на РП эффективного сечения распылителя р/р, числа и диаметра с1с сопловых отверстий, УОВ и сравнить полученные показатели с результатами ранее проведённых испытаний одноцилиндрового отсека дизеля типа КамАЗ.

3. Взяв за основу ранее разработанные образцы аккумуляторной системы с ЭГНФ предварительного и прямого дозирования, путём расчётного анализа найти способы, позволяющие обеспечить давление впрыскивания до 200 МПа и выше, а также разработать приемлемый для практики способ управления характеристикой впрыскивания.

4. Спроектировать макетные образцы АС с ЭГНФ предварительного и прямого дозирования. Провести испытания образцов на безмоторном стенде.

В главе 2 описаны методики исследований, экспериментальные установки и расчётные программы. Экспериментальные исследования рабочего процесса проводились на одноцилиндровом отсеке дизеля размерности 12/13. Камера сгорания - типа Гсссельмана; головка цилиндра (ГЦ) - 4-клапанная, с центральным, осесимметричным расположением форсунки и размещением одноимённых клапанов перпендикулярно оси двигателя. Автономные впускные каналы ГЦ разработки ОАО КамАЗ имеют тангенциальный и винтовой профиль.

Основные параметры экспериментального дизеля:

Диаметр цилиндра Д мм.................................................................120

Ход поршня 5, мм............................................................................130

Рабочий объём цилиндра Ку,, л........................................................1,47

Такгность двигателя т......................................................................4

Степень сжатия е..............................................................................15,4

Отношение диаметра КС к диаметру цилиндра <4Д>..................0,85

Максимальная глубина КС, мм......................................................10,2

Надпоршпевой зазор при поршне в ВМТ 5, мм............................1,0

Моторные испытания проводились на режимах, соответствующих 13-ступенчатому испытательному циклу 1149.02 с имитацией условий газотурбинного наддува. Значения режимных параметров (давление р, и температура Т5 во впускном коллекторе, цикловая подача топлива Отщ) выбирались в соответствии с результатами испытаний полноразмерного дизеля КамАЗ 740.51-320 с номинальной мощностью 235 кВт (320 л.с.). Избыточное давление воздуха во впускной системе создавалось с помощью компрессора ротационного типа с электроприводом. Приближённая имитация сопротивления турбины турбокомпрессора осуществлялась поддержанием заданного противодавления в выпускном коллекторе с помощью управляемого дросселя. Среднее индикаторное давление р, определялось как сумма среднего эффективного давления ре и среднего давления внутренних потерь рм, определяемых прокручиванием двигателя при тех же параметрах наддува и противодавления, что и при работе под нагрузкой. Форсированный вариант ТС непосредственного действия включал в себя одно-секционный ТНВД типа «компакт» и форсунку, соединённые топливопроводом длиной /„,=840 мм. Диаметр и ход плунжера 12 мм; нагнетательные клапаны

двух типов: с объёмной разгрузкой и двойного действия. Форсунка комплектовалась малогабаритными распылителями с диаметром иглы 4 мм, числом сопловых отверстий ic=в и 8, равномерно расположенных по окружности и /{¿,=0,17-0,18 мм2.

Для регистрации и анализа быстропеременных процессов использовалась аппаратура в стандарте КАМАК с пакетом прикладных программ, позволяющих рассчитывать характеристики впрыскивания по методу ЦНИТА, определять индикаторные диаграммы и рассчитывать характеристики тепловыделения. Концентрация окиси углерода СО, углеводородов СН и оксидов азота N0* измерялась с помощью быстродействующего газоанализатора ИНФРАЛАИТ 11П. Дымность ОГ определялась методом фильтрации.

Для расчётного исследования АС с ЭГНФ использовались метод и программа, базирующиеся на волновом представлении неустановившегося движения топлива, имеющего постоянную плотность и скорость распространения импульса давления, в топливопроводах. Поиск решения волнового уравнения осуществляется в виде двух волн давления, движущихся навстречу друг другу. Уравнения граничных условий задаются в виде уравнений объёмного баланса в полостях ЭГНФ и аккумуляторе и уравнений динамического равновесия подвижных элементов. Основные уравнения граничных условий со стороны ЭГНФ для базового варианта системы с предварительным дозированием (рис. 1)

%-/„а2 - (/•« -/,k<-&4+&J ; (1)

dt a2Va2

%=-^rlCи - /Je.4 + /А ■-z.) ; (3)

dl а,Кг

~P,àf~ +(A»-РтЬп -/J-V»]' (4)

(5)

dt aAVyi

P» =Po +2Fjt-b)-slff4pm-p^^-^PÎb. ~P#\ î (6) V ai ) J»i

-/„с.-Оф- ù. -Q^-zj; (7)

= -^\,56Rl(pm-pJ-\,5(>Rlpti (9)

00)

dt "eKs

где Pal, pa2, p„3, py4, рфj, риб - давления в соответствующих полостях; рт, рСЛ, рф' -

давления: в конце топливопровода №2, слива, перед распыливающими отверстиями; М„ Ми, М„ - массы движущихся частей клапанов, иглы и мультиплика-

тора; а, - коэффициенты сжимаемости топлива в полостях; с,3,ск„,с„,си - скорости движения клапанов №3 и 4, поршня и иглы; ртЪ,рм,р4„ - давления открытия клапапов №3 и 4 и иглы; - жёсткость пружин клапанов, иглы; й. - радиусы шариков клапанов №\-3\/т/т,/и^„ - площади поршня, плунжера, иглы и запорного конуса иглы: - площади направляющей, седла и тарелки

клапана Лг4 гидравлического управления; рт2 - давление между тарелкой клапана Лг4 и корпусом; /ж, /ж6 - проходные сечения клапанов ЛФ1-4, жиклёра клапана Л?4 и жиклёра надыгольной полости; [лкЬ цж - коэффициенты расхода через проходные сечения клапанов Лг1-4 и жиклёр клапана №4; /„,,/„2 - площади трубопроводов ЛИ и 2; а^аг,рт - скорости распространения импульсов давления п топливопроводах, плотность топлива; ктр - коэффициент трения в мультипликаторе; <2а,<2„К,<2ж,<2т,<2ж6 - расходы через клапаны Л? 1-4, ЭМ клапан, жиклёр клапана Л'»4, отсечной канал и жиклёр надыгольной полости, рассчитываемые по формуле Бернулли

'¿„,2т - утечки в прецизионных парах поршня и плунжера.

Основные дополнения исходного метода расчёта связаны с уточнением описания проточных час-

(П)

тей клапана гидравлического управления (КГУ) и задания исходных данных. На базе метода и программы расчёта АС с ЭГНФ предварительного дозирования разработана программа расчёта АС с ЭГНФ прямого дозирования, отличающаяся от базового варианта уравнениями граничных условий.

/

Стенд для безмо-

торных испытаний АС с ЭГНФ включает в себя топливный насос среднего давления (ТНСД) с приводом от электрического двигателя, топливный аккумулятор, ЭГНФ, устройство для измерения расхода топлива, трубопроводы, фильтры и дру-

Рис. 1. Расчётная схема АС с ЭГНФ предварительного дозирования

гие элементы. Электронная система управления состоит из генератора прямоугольных импульсов Г5-56, с помощью которого задавалась длительность и частота управляющих импульсов, и блока усилителей мощности, предназначенного для формирования и усиления управляющих импульсов перед их подачей на обмотки ЭГНФ.

В главе 3 приведены результаты испытаний одноцилиндрового отсека дизеля. На номинальном режиме п=2200 мин1, К™,=120 мм3 выбранная ТС непосредственного действия в первоначальной комплектации обеспечила максимальное давление перед запорным конусом распылителя #¡¡,„,,„=141 МП а и продолжительность подачи топлива (р„т=22,8° ГЖВ. Однако при работе с обоими нагнетательными клапанами были зарегистрированы дополнительные впрыскивания. Для надёжной ликвидации «подвпрыскиваний» начальная скорость плунжера была уменьшена с 1,89 до 1,37 м/с, что привело к уменьшению рфтш до 125 МПа и увеличению <р„т до 25,4° ПКВ (с клапаном двойного действия).

На режиме «=1400 мин', 75%-ной нагрузки установка распылителя 8x0,19 мм обеспечивает снижение величины удельного индикаторного расхода топлива g, на 3% и дымности Сс на 51% по сравнению с распылителем 6x0,24 мм (рис. 2). Однако с ростом частоты вращения до номинальной показатели дизеля с распылителем 8x0,19 мм резко ухудшаются: gi увеличивается на 8%, дымность - в 5 раз.

Расчёты глубины проникновения топливных

струй Хв, выполненные по методике проф. В.И. Трусова, подтвердили тесную связь между пробивной способностью струй и эффективностью сгорания при выбранной организации РП (рис. 3). При «=1400 мин' распылитель 8x0,19мм обеспечивает лучшее согласование между Хв и расстоянием от оси форсунки до стенки камеры сгорания, что, по-видимому, и вызывает снижение gi и Сс. С увеличением частоты вращения пробивная способность струй за период впрыскивания существенно снижается и распылитель 8x0,19 мм не обеспечивает эффективное использование основной части воздуха, сосредоточенного на пе-

2200 л, мин

I I распылитель 6x0,24 мк распылитель 8x0.19 мы

2200 И, мин

2200 а, мин

-1

Рис. 2. Изменение основных показателей дизеля в зависимости от числа сопловых отверстий. Значения УОВ близки к оптимальным по

риферии КС. Как следствие - значительное увеличение g, и выбросов продуктов неполного окисления. В то же время дальнобойность струй при использовании распылителя 6x0,24 мм сдвигается к границе КС, обеспечивая оптимальные условия смесеобразования. Расчёты движения струй дополнены расчётами угловой скорости вращения заряда в КС аксср по методике В.Р. Гальговского 1. На номинальном режиме а>ксср-556 с', что соответствует оптимальному значению угловой скорости заряда для распылителя 6x0,24 мм, найденному из условия поворота заряда на угол между соседними струями за время впрыскивания. Для 7-и 8-сопловых распылителей и>ксср превышает оптимальное значение соответственно на 17 и 34%, что может вызывать «перезавихривание». Таким образом, для обеспечения удовлетворительных показателей дизеля во всём поле режимов целесообразно использовать распылитель 6x0,24 мм. Недостаток такого компромиссного решения - некоторое ухудшение показателей дизеля при 11=1400 мин' по сравнению с достижимыми.

Снятие регулировочных характеристик по УОВ позволило наметить регулировки, при которых полноразмерный дизель сможет выполнить требуемые нормы по выбросам NOx, снижение которых представляет наибольшую сложность (рис. 4). Значения удельных выбросов оксидов азота gnox и ge пересчитаны с учётом различия в величине механических потерь одноцилиндрового и полноразмерного дизелей. На репрезентативном режиме п=1400мин', 75%-ной нагрузки регулировка «на EURO 2» приводит к увеличению ge на 0,6% по сравнению с регулировкой, обеспечивающей выполнение норм EURO 1. Регулировка дизеля «на EURO 3» ухудшает топливную экономичность на 2,8%, что нежелательно. При максимальном запаздывании впрыскивания ge увеличивается на 7,9%, однако нормы EURO 4 не достигаются. Положительным следствием запаздывания воспламенения является существенное снижение максимального давления цикла рг и максимальной скорости нарастания давления (dp/d<p)max, определяющих величину динамических нагрузок на детали дизеля, что позволяет ожидать увеличения долговечности и надёжности работы двигателя, а также снижения уровня шума. Так, для двигателя уровня EURO 3 снижение рг и (dp/dip)^ составляет 12,1... 13,4% и 25,3...28,3%.

1 Хачиян A.C., Гальговский В.Р., Никитин С.Е. Доводка рабочего процесса автомобильных дизелей. - М.: Машиностроение, 1976. -104 с.

- 6x0,24 им

•— 8x0.19 мм

15 20

Ф, град. ПКВ

Рис. 3. Продвижение вершин топливных струй за период впрыскивания для двух распылителей

При поздних УОВ большая часть впрыскивания переносится на такт расширения, что приводит к заметному увеличению роли надпоршневого зазора в процессе тепловыделения и требует соответствующего увеличения дальнобойности топливных струй. Образование максимума на кривой Сс при и=1400 мин1 связано, по всей видимости, с тем, что избыточная при ранних значениях УОВ дальнобойность струй при поздних значениях УОВ становится близкой к оптимальной, обеспечивая уменьшение выбросов сажи.

Для оценки резервов улучшения топливной экономичности проведены расчёты цикла 4-тактного дизеля при опытных значениях начала воспламенения <ре и неизменной длительности тепловыделения (р2. Оказалось, что при и=1400 мин', 9>2=90° ПКВ снижение ge при регулировке «на Е1ЖОЗ» составит всего 1,1% вместо 2,8%, а при и=2200 мин', 92=70° ПКВ -1,3% вместо 4,5%. Полученные значения ухудшения экономичности в связи с запаздыванием УОВ следует рассматривать в качестве предела, для приближения к которому в главе 4 рассматривается АС с ЭГНФ, обеспечивающая повышенные давления впрыскивания.

В главе 3 также приводятся результаты сравнения достигнутых показателей с показателями одноцилиндрового отсека дизеля типа КамАЗ, имеющего 2-клапанное газораспределение, узкую цилиндрическую КС и неосесимметрич-ное размещение форсунки. На режиме максимального крутящего момента при одинаковом рг= 10,2 МПа содержание сажи в ОГ в случае предлагаемого процесса меньше на 51%, а 1ЧОх - на 47,0%.

Внох! Е1ЖСМ гЮт ч

-п=1400 мин1, 75% нагрузки

---п=2200 мин1, 75% нагрузки

Рис. 4. Прогнозируемое изменение основных показателей дизеля 8ЧН 12/13

В главе 4 изложены результаты расчётно-экспериментального исследования АС с ЭГНФ. С ростом коэффициента мультипликации Мг темп роста максимального давления впрыскивания р ',ртш существенно замедляется, а значения коэффициента энергетической эффективности - уменьшаются (рис. 5). Коэффициент К^, являющийся гидравлическим КПД насос-форсунки, определяется по формуле

гдер'фср - среднее давление впрыскивания; Утц - объёмная цикловая подача топлива; рак - давление в аккумуляторе; Уэмк - объём топлива, вытекающего из сливного отверстия ЭГНФ за один цикл.

Показано, что причиной ухудшения энергетических показателей АС с ЭГНФ по мере роста Мг является увеличение гидравлических потерь в проходных сечениях КГУ. Для двух рассмотренных вариантов комплектации АС с ЭГНФ ЭГНФ предварительного дозирования от Мг Мг=5,44, ра=Ъ5 МПа и (Утч=\30мм1,/^=0,13 лш2)

Мг=9, Ршг25 МПа, обеспечивающих максимальные давления впрыскивания р'фшк-202 и 191 МПа соответственно, разница К^ составляет 11,4% в пользу первой комплектации. При и=2200 мин' это равноценно уменьшению на 0,5 кВт мощности, затрачиваемой на привод ТНСД. Кроме того, для рассматриваемой ЭГНФ увеличение Мг приводит к нежелательному росту длительности управляющего импульса туи и максимальной скорости мультипликатора с^,^. Так, при выборе второго варианта комплектации величина т}„ увеличится в 2,42 раза с 14,3 до 34,6 м/с, а Сптах - на 20% с 8,3 до 9,9 м/с. Таким образом, первый вариант комплектации является предпочтительным.

Опыты на безмоторном стенде показали недостаточную надёжность модернизированных образцов ЭГНФ предварительного дозирования. Высокая скорость мультипликатора и отсутствие демпфирования в конце рабочего хода приводят к гидромеханической эрозии нижнего опорного торца поршня (см. рис. 1). Продукты эрозии, попадая в полость над иглой, накапливаются в зазоре

_ РФ СР ^ тч л о

* ~ V (У + У V и

РасУЭМК

Р'фтах,

-----рак=25 МПа

------Рэк=30 МПа

-Рак=35 МПа

Рис. 5. Зависимость параметров работы АС с

пары распылителя, играющего при принятой схеме гидрозапирания роль «щелевого фильтра». В результате игла распылителя быстро теряет подвижность. Были сформулированы задачи создания надёжно работающей ЭГНФ предварительного дозирования, и предложены следующие варианты их решения:

1) организация демпфирования мультипликатора за счёт установки жиклёра в дренажном канале с нанесением на нижний торец поршня сетки канавок;

2) ликвидация эффекта «щелевого фильтра» в зазоре иглы распылителя путём введения в конструкцию дополнительного плунжера гидрозапирания, что обеспечит направленное перетекание топлива и самоочищение зазора.

Путём расчётного анализа различных схем ЭГНФ прямого дозирования предложена наиболее рациональная схема, включающая в себя мультипликатор гидрозапирания и клапанное наполнение камеры плунжера. В этом случае можно обеспечить практически такую же длительность и давление впрыскивания, как и в случае базовой ЭГНФ с отсечкой в надыгольный объём.

Рассмотрено несколько способов управления характеристикой впрыскивания. Выбран наиболее эффективный, заключающийся в установке в полости над плунжером гидрозапирания второго электромагнитного клапана ЭМК №2, открывающегося на слив (рис. 6). При подаче на обмотку ЭМК №2 управляющего импульса до начала основного впрыскивания клапан открывается, что приводит к уменьшению давления в полости Уи6- За счёт усилия, действующего на дифференциальную площадку, игла распылителя начинает открываться. Впрыскивание топлива происходит под действием давления рф$, которое при мультипликаторе, двигающемся вверх, соответствует давлению раг на входе в насос-форсунку. По окончании импульса ЭМК №2 закрывается, а давление ри6 начинает возрастать за счёт перетекания топлива через жиклёр. Установка обратного клапана в конце отсечного канала позволила устранить «подвпрыскивания», возникавшие при реализуемых на практике длинах отсечного канала в результате отражения отсечной волны от объёма Уи6. При этом удалось избежать нежелательного уве-

ЭМК№2

Рис. 6. Расчётная схема АС с ЭГНФ предварительного дозирования, дополненная ЭМ клапаном управления иглой

личения роли запирающей пружины. Вместо уравнений (8) и (10) в методе и программе расчёта используются следующие уравнения:

' '¿А

Л ф

Л

-зг=—+/„> ся, - -<2т1\

а Л

(13)

(14)

12 10 -8 -6 -4 -2 О

л

20 Ъ'ПКВ

где М„ - масса подвижных частей распылителя, включая массу плунжера гидрозапирания и 1/3 массы пружины;./« - площадь плунжера гидрозапирания; с'т3 — скорость топлива в конце топливопровода №3.

В качестве допущений принято, что открытие и закрытие обратного клапана происходит мгновенно в начале шага расчёта, а движение ЭМК №2 принимается равномерным с заданием времени, требуемого для перемещения клапана с упора на упор.

В зависимости от выбора параметров управляющего импульса ЭМК Кг2 была доказана возможность реализации как предварительного впрыскивания объёмом 1,5 мм3 (рис. 7, а), так и ступенчатой характеристики впрыскивания с уменьшением количества топлива, подаваемого за период задержки воспламенения, почти в два раза по сравнению с базовой характеристикой (рис. 7, б). Отсутствие отсечного канала в случае ЭГНФ прямого дозирования позволяет осуществлять дополнительные впрыскивания как до

ъ'ПКВ

Рис. 7. Расчётные характеристики впрыскивания АС с ЭГНФ предварительного дозирования, дополненной ЭМ клапаном управления иглой

начала основного впрыскивания, так и после его окончания.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Исследования на одноцилиндровом отсеке экспериментального дизеля размерности 12/13 с камерой типа Гессельмана, 4-клапанным газораспределением и форсированной ТС непосредственного действия с ТНВД позволили установить.

• С распылителями, имеющими проходное сечение /{£=0,17-0,18 мм2, появление дополнительных впрыскиваний является основным фактором, огра-.

ничивающим максимальное давление впрыскивания. С исследованными нагнетательными клапанами достигнут уровень рфтссг 125 МПа, при котором «подвпрыскивания» топлива полностью отсутствуют.

• Для оптимальных по экономичности значений УОВ наилучшие показатели дизеля получаются в том случае, когда расчётное продвижение вершин топливных струй за время впрыскивания соответствует расстоянию до стенки камеры сгорания. Установка поздних УОВ для снижения выбросов NOx приводит к увеличению роли надпоршневого зазора, что требует увеличения первоначально подобранной дальнобойности топливных струй для эффективного использования воздушного заряда.

® Выбранная ТС непосредственного действия не обеспечивает оптимального продвижения топливных струй во всём поле режимов, что вынуждает искать приемлемый компромисс путём подбора параметров распылителей; наилучшим решением из исследованных является распылитель 6x0,24 мм.

• На режиме максимального крутящего момента обеспечивается заметное снижение содержания NOx и сажи (до 50%) в ОГ по сравнению с полученными ранее значениями при использовании камеры сгорания типа КамАЗ, 2-клапанного газораспределения и оптимизированного давления впрыскивания, что доказывает преимущество предлагаемого рабочего процесса и свидетельствует о перспективности дальнейших разработок, в частности, путём перенесения исследований на полноразмерный дизель.

2. Обобщение результатов моторных испытаний расчётом среднецикло-вых удельных выбросов оксидов азота gKOx и среднециклового удельного расхода топлива и приведение их к показателям полноразмерного дизеля 8ЧН 12/13 показали, что только за счёт выбора УОВ дизель может обеспечить экологические показатели не выше уровня EURO 3 (по NOx). При этом достигаются весьма умеренные значения pz= 10,2 МПа и (dp/dtp) max~0,5Q МПа/° ПКВ, но g, увеличивается на 5...6% по сравнению с выбором оптимальных по расходу топлива регулировок.

3. В результате расчётов циклов установлено, что сохранение неизменной длительности тепловыделения позволяет более чем в два раза ограничить рост ge по мере запаздывания начала впрыскивания, что требует применения топливной системы с увеличенной энергией впрыскивания, в частности АС с ЭГНФ.

4. Для достижения в случае АС с ЭГНФ давлений впрыскивания 200 МПа целесообразно применять умеренные значения коэффициента мультипликации (не более 6) при соответствующем увеличении давления в аккумуляторе (35 МПа и выше).

5. Причиной низкой надёжности испытанного образца АС с ЭГНФ предварительного дозирования является гидромеханическая эрозия опорного торца из-за отсутствия демпфирования мультипликатора в нижнем положении и принятая схема гидрозапирания распылителя, приводящая к возникновению эффекта «щелевого фильтра» и быстрой потере подвижности иглы. Предложенные способы решения проблемы могут быть использованы в последующих ра-

ботах.

6. С использованием расчётного анализа разработана конструктивная схема ЭГНФ прямого дозирования, обеспечивающая достижение показателей, сравнимых с показателями ранее разработанных образцов ЭГНФ предварительного дозирования.

7. Предложенный в работе способ управления характеристикой впрыскивания, заключающийся в использовании вспомогательного клапана управления иглой распылителя, применим для ЭГНФ предварительного и прямого дозирования. Выполненные расчёты показали пригодность способа как для предварительного впрыскивания топлива с объёмом до 1,5 лш5, так и для формирования ступенчатой характеристики впрыскивания.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1.Хачиян, A.C. Результаты исследования рабочего процесса дизеля при осесимметричном смесеобразовании, широкой неглубокой камере сгорания и форсированной топливной системе непосредственного действия / A.C. Хачиян, А.Б. Алексеев // Вестник МАДИ (ГТУ) / МАДИ (ГТУ). - М., 2010.-Вып. 1(20).-С. 39-46.

Статьи:

2. Хачиян, A.C. Некоторые результаты исследований современного дизеля большегрузного автомобиля / A.C. Хачиян, А.Б. Алексеев // 4-е Лука-нинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе : Тез. докл. науч.-техн. конф. 29-30 января 2009 г. / МАДИ (ГТУ). -М., 2009.-С. 66-68.

3. Хачиян, A.C. Разработка аккумуляторной топливной системы с электроуправляемыми гидроприводными насос-форсунками / A.C. Хачиян, А.Б. Алексеев // Сборник докладов, представленных на конференциях, проведённых Ассоциацией Автомобильных Инженеров России в 2004-2005 гг. / ФГУП НИЦИАМТ. - Дмитров-7 (Московская обл.), 2005. - Вып. №11. - С. 188-192.

4. Хачиян, A.C. Некоторые результаты исследования рабочего процесса дизеля с наддувом и широкой камерой сгорания в поршне / A.C. Хачиян, А.Б. Алексеев, Фёдоров И.А. // Поршневые двигатели и топлива в XXI веке: Сб. науч. тр. / МАДИ (ГТУ). - М., 2003. - С. 19-29.

5. Хачиян, A.C. Аккумуляторная топливная система с электроуправляемыми гидроприводными насос-форсунками нового поколения / A.C. Хачиян, А.Б. Алексеев, Алексеев С.Н. // Перспективы развития поршневых двигателей в XXI веке: Сб. науч. тр. / МАДИ (ГТУ). - М., 2002. - С.73-86.

Алексеев Антон Борисович (Россия) «Совершенствование показателей дизелей грузовых автомобилей выбором камеры сгорания и оптимизацией топливной аппаратуры»

В диссертации приводятся результаты испытаний одноцилиндрового дизеля с осесимметричным процессом, камерой сгорания типа Гессельман и форсированной топливной системой непосредственного действия. Рассмотрен компромисс между экономичностью, нагрузками на детали и выбросами вредных веществ. Дано сравнение с показателями процесса дизеля типа КамАЗ; показана целесообразность применения аккумуляторной топливной системы. Для системы с электроуправляемыми гидроприводными насос-форсунками (ЭГНФ) обоснован путь повышения давления впрыскивания до 200 МПа, разработан эффективный способ управления характеристикой впрыскивания. На безмоторном стенде проведены испытания макетных образцов ЭГНФ с предварительным дозированием, определены недостатки и предложен способ их устранения. Разработан альтернативный вариант ЭГНФ прямого дозирования.

Alexeyev Anton Borisovich (Russia) «Advances in Heavy-Duty Diesels Performances by Combustion Chamber Type Selection and Fuel Injection Equipment Optimization»

In the dissertation test results of single cylinder research diesel with axial symmetrical process, wide open combustion chamber (Hesselmann type) and high-rated pump-line-nozzle fuel injection equipment (FIE) are presented. Compromise between fuel economy, loads on engine parts and harmful emissions is discussed. Comparison with performances attained in case of KAMAZ type combustion process is conducted. Reasons for implementation of accumulator type FIE is also given. In case of hydraulically actuated electronically controlled unit injectors (HEUI) the way to obtain 200 MP a injection pressure is justified, method for shaping injection characteristic is well engineered. Test bench trials with preliminary fuel metering HEUI prototypes unveiled some scheme deficiencies, solutions to overcome them were proposed. Alternative construction with direct fuel metering HEUI was developed and optimized.

Подписано в печать:

11.11.2010

Заказ № 4454 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Объем: 1 усл.п.л. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ конструкций современных автомобильных дизелей и путей их дальнейшего совершенствования.

1.2. Анализ топливных систем.

1.3. Выводы по обзору и постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ.

2.1. Обоснование методов исследований.

2.2. Метод и программа гидродинамического расчёта

АС с ЭГНФ.

2.3. Экспериментальные установки.

2.3.1. Установка для исследования рабочего процесса.

2.3.2. Установка для безмоторных исследований

АС с ЭГНФ.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ.

3.1. Результаты исследований форсированной топливной системы непосредственного действия.

3.2. Влияние угла опережения впрыскивания и числа сопловых отверстий распылителя на показатели дизеля.

3.3. Анализ полученных результатов с учётом особенностей протекания процессов смесеобразования и тепловыделения.

3.4. Сравнение показателей дизеля при двух способах организации рабочего процесса.

3.5. Прогнозирование показателей полноразмерного дизеля.

Актуальность работы. По оценкам большинства экспертов в период до 2020: г. поршневые двигатели будут доминировать в качестве энергетических установок для автомобильного транспорта. Так, прогнозируется, что для 2015-2020 гг. количество таких автомобилей, включая гибридные автомобили, составит 92% от общего числа. Однако, из-за значительного роста транспортной активности в последнее время крайне остро встаёт проблема, связанная с негативным; воздействием автомобильного транспорта на окружающую среду. Основной вред наносится выбросом в атмосферу токсичных и канцерогенных веществ с отработавшими газами (ОГ). Кроме этого, ряд учёных связывают глобальное потепление климата с выбросом в атмосферу углекислого газа С02 от сгорания ископаемых топлив. Дизели современной конструкции выбрасывают в атмосферу минимальное количество СО, СН и С02, но при этом из-за особенностей процесса сгорания выделяют больше твёрдых частиц, которые практически отсутствуют в выбросах двигателей с искровым зажиганием, в частности, питаемых бензином. Количество оксидов азота ЫОх, образующихся при сгорании в дизеле, так же, как правило, превышает количество МОх, образующихся в бензиновом двигателе. Разработка и массовое применение на бензиновых двигателях легковых автомобилей систем распределённого впрыскивания топлива с трёхкомпонентным нейтрализатором и системой микропроцессорного управления обеспечило радикальное; снижение вредных выбросов двигателями этих автомобилей. Это привело к тому, что, начиная с 1994-1995 гг., вредные выбросы дизелями превысили вредные выбросы бензиновыми двигателями. Поэтому проблема снижения вредных выбросов дизелями стала предельно актуальной.

Последовательная реализация ряда весомых мероприятий, в том числе, разработка новых типов электронных топливных систем (ТС), позволила зарубежным компаниям наладить выпуск автомобильных дизелей, отвечающих постоянно ужесточающимся нормам по выбросам вредных веществ без увеличения расхода топлива. В то же время путь, избранный отечественными производителями, заключается в приспособлении базовых конструкций, разработанных ещё в 60-70-х годах XX столетия, к современным условиям путём их модернизации. Такой путь позволяет максимально сократить затраты при неизбежном в таком случае отставании в техническом уровне выпускаемой продукции. Решение проблемы нам видится в разработке и использовании в отечественных дизелях более прогрессивного рабочего процесса (РП) с неразделённой камерой сгорания и объёмным смесеобразованием, максимально удовлетворяющего современным экологическим требованиям и степени форсирования наддувом.

Цель работы - улучшение экологических показателей автомобильных дизелей выбором рациональной формы камеры сгорания и оптимизацией топливной аппаратуры непосредственного действия; анализ и совершенствование аккумуляторной топливной системы с электроуправляемыми гидроприводными насос-форсунками (АС с ЭГНФ) предварительного и прямого дозирования для дальнейшего улучшения показателей.

Методы исследования. В работе использовались методы расчётного и экспериментального исследования, сочетавшиеся друг с другом для повышения достоверности получаемых результатов. Экспериментальные работы по изучению РП проводились на стенде с отсеком одноцилиндрового дизеля размерности 12/13, на котором имитировались условия работы полноразмерного дизеля КамАЗ с газо1 турбинным наддувом. Путём математического моделирования на компьютере определялись предельно достижимые показатели цикла 4-тактного дизеля, показатели распыливания топлива, развития топливных струй и интенсивности осевого вихря в камере сгорания.

Расчётно-теоретическое исследование и оптимизация АС с ЭГНФ проведено с использованием методик и программ-гидродинамического расчёта, разработанных в МАДИ на кафедре «Теплотехника и автотракторные двигатели» и в Проблемной лаборатории транспортных двигателей (ПЛТД) и дополненных в ходе выполнения работы. Испытания макетных образцов АС с ЭГНФ выполнялись на стенде с приводным электродвигателем.

Научная новизна работы заключается в обосновании целесообразности использования в отечественных дизелях грузовых автомобилей осесимметричного РП с широкой камерой сгорания, низкой интенсивностью вихревого движения заряда, 4-клапанным газораспределением, высоким давлением впрыскивания и большим числом сопловых отверстий малого диаметра. Показана важность согласования характеристик развития топливных струй при поздних углах опережения впрыскивания (УОВ), устанавливаемых с целью уменьшения выбросов оксидов азота, с необходимостью использования воздуха в, надпоршневом зазоре. В этом плане работа является логическим продолжением деятельности Особого конструкторского бюро (ОКБ) Н.Р. Брилинга на современном этапе, когда проблема защиты окружающей среды приобрела особую важность и самое широкое распространение получил наддув дизелей.

Для АС с ЭГНФ предварительного и прямого дозирования обоснованы пути и способы, позволяющие увеличить давление впрыскивания до 200 МПа и выше и эффективно управлять характеристикой впрыскивания.

Практическая ценность. Предложенный подход к организации РП, проверенный в ходе стендовых испытаний на одноцилиндровом отсеке, может быть использован при создании новых моделей отечественных дизелей семейств КамАЗ и ЯМЗ. Применительно к перепек

5 тивной аккумуляторной топливной системе с ЭГНФ предварительного и прямого дозирования разработаны дополненные версии программ гидродинамического расчёта, которые могут быть применены,для ре шения проектировочных и оптимизационных задач. В ходе испытаний на безмоторном стенде выявлены определённые недостатки ранее спроектированных и изготовленных образцов ЭГНФ предварительного дозирования, разработанных совместно с ЯЗТА, и намечены способы их устранения. На базе конструкции ЦНИТА разработан улучшенный макетный образец ЭГНФ прямого дозирования.

Реализация работы. Результаты исследований, методика и программа расчета АС с ЭГНФ используются в учебном процессе кафедры «Теплотехника и автотракторные двигатели» МАДИ и переданы в ОГК ЗАО АЗПИ для разработки опытных образцов АС с ЭГНФ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследования форсированной ТС непосредственного действия с ТНВД.

2. Результаты опытов на одноцилиндровом отсеке дизеля по исследованию влияния на РП параметров распылителей и УОВ при различных частотах вращения и нагрузках.

3. Результаты прогнозирования показателей полноразмерного дизеля 8ЧН 12/13 при обеспечении заданных норм по выбросам вредных веществ путём изменения УОВ.

4. Расчётно-экспериментальное обоснование необходимости управления давлением впрыскивания при изменении режима, работы и УОВ для обеспечения оптимальных показателей качества.

5. Расчётный анализ, различных способов обеспечения давления впрыскивания 200 МПа и более на примере АС с ЭГНФ предварительного дозирования.

6. Расчётный анализ различных схем ЭГНФ прямого дозирования.

7. Способ управления характеристикой впрыскивания для АС с ЭГНФ. и

Личный вклад автора

• Анализ современных тенденций развития автомобильных дизелей и ТС и постановка задач исследований.

• Проведение моторных и безмоторных испытаний, обработка и анализ результатов.

• Дополнение метода и программы гидродинамического расчёта АС с ЭГНФ предварительного дозирования и создание на её базе программы для расчёта АС с ЭГНФ прямого дозирования.

• Теоретическое обоснование схемы и комплектации АС с ЭГНФ для управления характеристикой впрыскивания и обеспечения давления впрыскивания 200 МПа и выше.

• Сравнительный анализ различных схем АС с ЭГНФ прямого дозирования, выбор рациональной схемы и конструкторская проработка макетного образца.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов на международном научном симпозиуме, посвящённом 135-летию МГТУ МАМИ в 2000 г.; 42 и 50-й конференциях Ассоциации Автомобильных Инженеров «Автомобиль и окружающая среда» в НИЦИАМТ, 2003 и 2005 гг.; научно-технической конференции «4-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе» в МАДИ(ГТУ), 2009 г. и получили положительные оценки.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ, из них 1 - в рецензируемых журналах ВАК, 2 - в виде докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, библиографического списка и приложения. Работа содержит 179 страниц машинописного текста, 51 рисунок, 4 фотографии и 6 таблиц. Библиография включает 75 наименований, в том числе 16 на иностранных языках.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Исследования на одноцилиндровом отсеке экспериментального дизеля размерности 12/13 с камерой сгорания типа Гессельмана, 4-кпапанным газораспределением и форсированной ТС непосредственного действия с ТНВД позволили установить.

• С распылителями, имеющими проходное сечение ¡jfp=0,17.0,18 мм2, появление дополнительных впрыскиваний является основным фактором, ограничивающим максимальное давление впрыскивания. С исследованными нагнетательными клапанами достигнут уровень Рфтах=^25 МПа, при котором «подвпрыскивания» топлива полностью отсутствуют.

• Для оптимальных по экономичности значений УОВ наилучшие показатели дизеля получаются в том случае, когда расчётное продвижение вершин топливных струй за время впрыскивания соответствует расстоянию до стенки камеры сгорания. Установка поздних УОВ для снижения выбросов NOx приводит к увеличению роли надпоршневого зазора, что требует увеличения первоначально подобранной дальнобойности топливных струй для эффективного использования воздушного заряда.

• Выбранная ТС непосредственного действия не обеспечивает оптимального продвижения топливных струй во всём поле режимов, что вынуждает искать приемлемый компромисс путём подбора параметров распылителей; наилучшим решением из исследованных является распылитель 6x0,24 мм.

• На режиме максимального крутящего момента обеспечивается заметное снижение содержания NOx и сажи (до 50%) в ОГ по сравнению с полученными ранее значениями при использовании камеры сгорания типа КамАЗ, 2-клапанного газораспределения и оптимизированного давления впрыскивания, что доказывает преимущество предлагаемого рабочего процесса и свидетельствует о перспективности дальнейших разработок, в частности, путём перенесения исследований-на полноразмерный дизель.

2. Обобщение результатов моторных испытаний! расчётом сред-нецикловых удельных выбросов.оксидов азота £КОх и среднециклового удельного расхода топлива £е и приведение их к показателям полноразмерного дизеля 8ЧН 12/13 показали, что только за счёт выбора УОВ дизель может обеспечить экологические показатели не выше уровня ЕиГЧОЗ (по М)х). При этом достигаются весьма умеренные значения рг= 10,2 МПа и (фМ<р)тах=0,50 МПа/° ПКВ, но £е увеличивается на 5.6% по сравнению с выбором оптимальных по расходу топлива регулировок.

3. В результате расчётов циклов установлено, что сохранение неизменной длительности тепловыделения позволяет более чем в два раза сократить рост ge по мере запаздывания начала впрыскивания, что, очевидно, требует применения топливной системы с увеличенной энергией впрыскивания, в частности АС с ЭГНФ.

4. Для достижения в случае АС с ЭГНФ давлений впрыскивания 200 МПа целесообразно применять умеренные значения коэффициента мультипликации (не более 6) при соответствующем увеличении давления в аккумуляторе (35 МПа и выше).

5. Причиной низкой надёжности испытанного образца АС с ЭГНФ предварительного дозирования является гидромеханическая эрозия опорного торца из-за отсутствия демпфирования мультипликатора- в нижнем положении и принятая схема гидрозапирания распылителя, приводящая к возникновению эффекта^ «щелевого фильтра» и быстрой потере подвижности- иглы. Предложенные способы решения проблемы могут быть использованы на практике.

6. С использованием расчётного анализа разработана конструктивная схема ЭГНФ прямого дозирования, обеспечивающая достижение показателей, сравнимых с показателями ранее разработанных образцов ЭГНФ предварительного дозирования.

7. Предложенный в работе способ управления характеристикой впрыскивания, заключающийся в использовании вспомогательного клапана управления иглой распылителя, применим для ЭГНФ предварительного и прямого дозирования. Выполненные расчёты показали пригодность способа как для предварительного впрыскивания топлива с объёмом до 1,5 мм3, так и для формирования ступенчатой характеристики впрыскивания.

4 С 6

4.6. Заключение и выводы по главе

С помощью программы гидродинамического расчёта АС с ЭГНФ предварительного дозирования исследованы возможности достижения давлений впрыскивания 200 МПа и выше. В исходный метод и программу внесён ряд изменений и дополнений, касающихся, в основном, повышения точности описания проточной части КГУ и задания исходных данных. Разработан вариант программы для расчёта АС с ЭГНФ прямого дозирования, что позволило максимально корректно сравнить ЭГНФ двух типов. Для представления и анализа результатов расчётов разработана графическая программа-оболочка с набором инструментальных средств. По результатам расчётов и экспериментов разработана рациональная схема и конструкция ЭГНФ прямого дозирования, адаптированная для применения в дизелях КамАЗ. Предложен способ управления характеристикой впрыскивания. С помощью дополненного метода и программы расчёта разработана структурная схема ЭГНФ следующего поколения с двумя ЭМ клапанами и выполнен её параметрический анализ.

В результате проведения опытов на безмоторном стенде установлено, что ранее изготовленные образцы ЭГНФ предварительного дозирования, частично модернизированные в ходе работы, имеет низкую наработку на отказ. Установлена причина,быстрого отказа^ГНФ и! предложен способ её устранения. На ряде режимов работы определены характеристики впрыскивания ЭГНФ прямого дозирования разработки ЦНИТА. Проанализированы причины отличий экспериментальных характеристик впрыскивания от расчётных.

1. Расчётное исследование модернизированного образца ЭГНФ предварительного дозирования подтвердило возможность достижения давлений впрыскивания 200 МПа и более с распылителем /¿^=0,13 мм2 при благоприятной форме характеристик впрыскивания.

2. С ростом коэффициента- мультипликации Мг в диапазоне от 5,44 до 9 из-за увеличения потерь давления в проходном сечении управляющего клапана темп увеличения максимального давления' впрыскивания монотонно уменьшается, а длительность управляющего импульса линейно возрастает. Это вынуждает ограничить коэффициент мультипликации на уровне Мг<6 и добиваться требуемых давлений впрыскивания за счёт увеличения давления в аккумуляторе.

3. Причиной быстрого отказа ранее изготовленных макетных образцов ЭГНФ предварительного дозирования является гидромеханическая эрозия нижнего опорного торца мультипликатора: Образующаяся микростружка, накапливаясь в зазоре пары распылителя, вызывает прогрессирующее ухудшение подвижности1 иглы. Для надёжного устранения дефекта требуется демпфирование мультипликатора в крайнем нижнем положении, например, за счёт установки жиклёра в дренажном-канале с нанесением* сетки-дренажных канавок на'контактирующем торце, а также введение дополнительного плунжера гидрозапирания для устранения эффекта.«щелевого фильтра».

4. Сравнение ЭГНФ двух типов по единообразной методике показало, что при прямом дозировании возможно обеспечить практически такие же показатели впрыскивания {тпт, р'фср и р'фкак и в случае предварительного дозирования.

5. Предложенная схема ЭГНФ прямого дозирования имеет мультипликатор гидрозапирания распылителя и клапанное наполнение камеры плунжера, которое более экономично по сравнению со схемой с наполнительным окном.

6. Разработанный способ управления характеристикой впрыскивания, заключающийся в использовании ЭМ клапана управления иглой распылителя, пригоден как для ЭГНФ предварительного, так и прямого дозирования. С помощью данного способа возможна не только реализация предварительного впрыскивания с малым объёмом, но и формирование ступенчатых характеристик впрыскивания. В последнем случае <тг может быть уменьшена на 41,5% по сравнению с исходной характеристикой впрыскивания.

1. Аннаев, Я. Н. Исследование влияния характеристик впрыска топлива на динамику и экономичность рабочего процесса автотракторного дизеля : Дис. . канд. техн. наук / Язгельды Назарович Аннаев; МАДИ. М., 1973. - 150 с.

2. Валеев, Д.Х. Разработка, исследование и освоение производства модернизированных дизельных двигателей КамАЗ для большегрузных автотранспортных средств : Дисс. . канд. техн.наук 05.04.02 / Валеев Данис Хадиевич. Казань, 2003. - 173 с.

3. Вибе, И.И. Методика исследования рабочих циклов ДВС с использованием ЭЦВМ «Урал-2» / И.И. Вибе, М.Ф. Фарафонтов, В.В. Шалыганова II Сб. науч. тр. / Челябинский политехи, ин-т. 1969. -Вып.52.

4. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 3. Моделирование процессов в ДВС: Учебник для вузов / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Т.Ю. Кричевская и др.; Под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. -3-е изд., перераб. М. : Высш. шк., 2007. - 414 с.

5. Десятун, C.B. Обоснование целесообразности применения аккумуляторной топливной системы с электрогидравлическими форсунками на автомобильных дизелях : Автореф. дис. . канд. техн. наук (05.04.02) / Десятун Сергей Васильевич; МАДИ. М., 1986. -18 с.

6. Дизели: Справочник / Под ред. В.А. Ваншейдта, H.H. Иванченко, Л.К. Коллерова. Л. : Машиностроение, 1977. -480 с.

7. Дизель с турбокомпаундной системой наддува фирмы SCANIA // Анализ техн. уровня и тенденций развития двигателей внутр. сгорания: Науч.-информ. отчёт / НИИД. М., 2003. - Вып.46. -С. 27-33.

8. Доводочные испытания макетных образцов альтернативной гидроприводной насос-форсунки с электрическим, управлением разработки МАДИ: Технический отчёт/ Ярославский завод топливной аппаратуры ; НТЦ. Ярославль, 1991'. - 84 с.

9. Иванченко, H. Н. Рабочий процесс дизелей* с камерой в поршне / H.H. Иванченко, Б.Н. Семёнов, B.C. Соколов. Л.: Машиностроение, 1972. - 232 с.

10. Исследовательские и доводочные работы по системе топ-ливоподачи аккумуляторного типа с ЭГНФ : Отчёт о НИР (заключ.) / МАДИ; Руковод. работы Л.Н. Голубков. ГБ552692/3. - М., 1992. - 83 с.

11. Исследовательские и опытно-конструкторские работы, направленные на создание экологически чистой компаундной установки* на1 базе дизелей КамАЗ : Отчёт,о НИР / МАДИ'; Руковод. работы A.C. Хачиян. ГБ 552692/1. - Ms, 1992. - 158 с.

12. Кавтарадзе, Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы: Учебник для- вузов / Р.З. Кавтарадзе. М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 720 с.

13. Крупский, М.Г. Опыт организации процессов объёмного смесеобразования по результатам исследований на двигателе с прозрачными окнами / М.Г. Крупский, В.Ю. Рудаков // Двигателестроение. -2009.-№2.-С.31-34.

14. Луканин, В.Н. История создания прогрессивного семейства дизелей ДБ / В.Н. Луканин, A.C. Хачиян, В.Е. Кузнецов // Перспективы развития поршневых двигателей в XXI веке : Сб. науч.тр. / МАДИ(ГТУ). М., 2002. - С.4-23.

15. Мазинг, М.В. Законы управления топливоподачей / М.В. Мазинг//Автомобильная промышленность. 1994. - №9.-С. 7-9.

16. Марков, В.А., Впрыскивание и распыливание топлива в дизелях / В.А. Марков, С.Н. Девянин, В.И. Мальчук. М.: Изд-во МГГУ им. Н.Э. Баумана, 2007. -360 с.: ил.

17. Моркос, М. Совершенствование показателей и уточнение расчёта индикаторной диаграммы автомобильных дизелей с наддувом :Дис: . канд. техн. наук 05.04.02/ М. Мажед; МАДИ. М., 1989. - 244 с.

18. Морозов; К.А. Токсичность автомобильных двигателей : Учебное пособие / К.А. Морозов ; МАДИ (ГГУ). М., 1997. - 84 с.

19. Никитин, С.Е. Исследование факторов, влияющих на процесс впрыска в быстроходном дизеле / С.Е. Никитин // Автотракторные двигатели ' внутреннего сгорания: Сб: науч. тр. / . Под ред. Н.Р.Брилинга. М.: Машгиз, 1960. - Вып.25. - С.120-159.

20. Новая топливная система?НЕ111 фирмы Caterpillar // Анализ техн.уровня и тенденций'развития двигателей4 внутр. сгорания : Науч. -информ. отчёт / НИИД. М., 1998. - Вып.25. - С.87-90.

21. Новое поколение дизелей Mercedes-Benz для автомобилей большой грузоподъёмности. Дизели ряда 500 // Анализ техн.уровня и тенденций развития двигателей внутр. сгорания : Науч.-информ. отчёт/ НИИД. М., 1997. - Вып.24. - С. 3-42.

22. Обзор зарубежных публикаций // Анализ техн.уровня и тенденций развития двигателей внутр. сгорания : Науч.-информ. отчёт / НИИД.-М., 1999.-Вып.29. С. 83-116.

23. Обзор зарубежных публикаций // Анализ техн.уровня и тенденций развития двигателей внутр. сгорания : Науч.-информ. отчёт / НИИД. М., 2003. - Вып. 46. - С.74-116.

24. Пинский, Ф.И. Электронное управление впрыскиванием топлива в дизелях: Учеб. пособие для вузов / Ф.И. Пинский ; Коломенский филиал ВЗПИ. Коломна, 1989. - 146 с.

25. Развитие конструкции и технологии производства дизелей КамАЗ / Д.Х. Валеев, И.Ф. Гумеров, Н.И. Светличный, Н.А. Гатауллин, Е.Р. Борисенков // Журнал Ассоциации Автомобильных Инженеров. -2002. №4. - С.36-40.

26. Развитие системы автоматизации измерений и обработки параметров быстропеременных процессов в автотракторных двигателях : Отчет о НИР (заключ.) / МАДИ ; Руковод. работы Н.И. Назаров-. -Б552392. М., 1992.-52 с.

27. Развить и ввести в опытную эксплуатацию АСНИ рабочего процесса, топливной аппаратуры, шума и вибраций автотракторных ДВС: Отчёт о НИР/ МАДИ; Руковод. работы Н.И. Назаров. М., 1990.79 с.

28. Разработка программного комплекса по расчету показателей работы вариантов дизеля с турбонаддувом для большого городского автобуса : Отчет о НИР / МАДИ; Руковод. работы A.C. Хачиян. -ГБ551691. М., 1991.-88 с.

29. Разработка рекомендаций по повышению экономичности и снижению шумности дизеля КамАЗ : Отчет о НИР (заключ.) / МАДИ ; Руковод. работы A.C. Хачиян. Э420687. - М., 1989. - 154 с.

30. Разработка технических требований к системам управления воздухоснабжением и топливоподачей в автомобильных дизелях с наддувом : Отчет о НИР (заключ.) / МАДИ ; Руковод. работы A.C. Хачиян. № ГР 01822038570 ; Инв. № 02860073075. - М., 1985.

31. Топливная система следующего поколения // Анализ техн. уровня и тенденций развития двигателей внутр. сгорания : Науч.информ. отчёт / НИИД. М., 1998. - Вып. 25. С. 3-17.

32. Топливные системы и экономичность дизелей / И.В. Астахов, Л.Н. Голубков, В.И. Трусов, A.C. Хачиян, Л.М. Рябикин. М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.

33. Трусов, В. И. К расчёту движения факела распыленного топлива в неподвижной газовой среде / В.И. Трусов, Л.М. Рябикин // Автомобили и двигатели внутр. сгорания : Сб. науч. тр. / МАДИ. М., 1972.-Вып. 40. -С.38-44.

34. Файнлейб, Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей: Справочник/ Б.Н. Файнлейб.- Л.: Машиностроение, 1990.- 248 с.

35. Фирма- Caterpillar ускоряет разработки топливных систем HEUI-B и MEUI-B следующего поколения // Анализ техн.уровня и тенденций развития двигателей внутр. сгорания : Науч.-информ. отчёт / НИИД. М., 1999. - Вып.ЗО. - С.54-62.

36. Фомин, Ю. Я. Гидродинамический расчёт топливных систем с использованием ЭЦВМ / Ю.Я. Фомин. М.: Машиностроение, 1973. -144 с.

37. Форум мнений по радикальному снижению выбросов твёрдых частиц II Анализ техн.уровня и тенденций развития двигателей внутр. сгорания : Науч.-информ. отчёт / НИИД. М., 2003. - Вып.45. -С. 54-57.

38. Хачиян, A.C. Топливная система с изменяемыми характеристиками впрыскивания / A.C. Хачиян, И.Г. Багдасаров // Двигателе-строение. -1986. № 7. - С.23-26.

39. Хачиян, A.C. Математическая модель расчета и совершенствование аккумуляторной топливной системы с электрогидравлической форсункой / A.C. Хачиян, C.B. Десятун II Двигателестроение. -1986, №11.-С. 36-37.

40. Хачиян, A.C. Электронное управление топливоподачей в дизелях / A.C. Хачиян, C.B. Десятун; C.B. Юданов // Совершенствование рабочих процессов и конструкции автомоб. и трактор, двигателей: Сб. науч. тр. / МАДИ. Mi, 1989. - С.54-66.

41. Хачиян, А. С. Доводка рабочего процесса автомобильных дизелей / A.C. Хачиян, В.Р. Гальговский, С.Е. Никитин. М. : Машиностроение, 1976. -104 с.

42. Хачиян«, А.С. Влияние характеристик распылителя и-интенсивности вихревых потоков в цилиндре на рабочий процесс быстроходного дизеля / А.С. Хачиян, О.Г. Сарандинаки // Информ. обзор. Издание ЦИНТИАМ; СериямIII-66. М, 1963. - 39 с.

43. Хачиян, А.С. Методические указания по определению размеров, параметров системы- наддува и индикаторной диаграммы дизелей с наддувом / А.С. Хачиян, В.В. Синявский ; МАДИ(ГТУ). М., 2005. - 28 с.

44. Хачиян, А.С. Расчёт и анализ действительного цикла дизеля : Метод, указ. по курсу «Теория рабочих процессов ДВС» / А.С. Хачиян, В.В. Синявский ; МАДИ(ГТУ). М., 2004. - 52 с.

45. Юданов, С.В. Улучшение показателей автомобильного дизеля с наддувом применением электроуправляемой насос-форсунки : Дис. . канд.техн.наук/ Юданов Сергей Владимирович; МАДИ. М., 1991. -210 с.

46. Ястремский, С.В. Разработка метода расчета и совершенствование топливных систем дизелей с электронным управлением и гидроприводными насос-форсунками : Автореф. дис. . канд. техн. наук (05.04.02) / Ястремский Сергей Викторович ; МАДИ М., 1995. - 20 с.

47. Abraham, J. Investigation of the Dependence of NO ancT< Soot Formation and Oxidation in Transient Combusting Jets on Injection and Chamber Conditions / A. R. Wadhwa, J. Abraham // SAE Technical Paper. -2000. -#2000-01-0507.

48. Bosch Automotive Technology Electronic resource. / Robert Bosch GmbH. Stuttgart : Bosch, 2010. - Mode of access : http://www.bosch-automotivetechnoloqy.com. - Title from* screen. - Description based.on home page data: 01/03/10.

49. Cummins Every Time Electronic resource. / Cummins Inc. -Columbus: Cummins, 2010. Mode of access http://www.evervtime.cummins.com/. - Title from screen. - Description based on home page data: 24/03/10.

50. Delphi Electronic resource. / Delphi Automotive LLP. Troy (Michigan): Delphi, 2010. - Mode of access : http://delphi.com. - Title from screen. - Description based on home page data: 01/03/10.

51. Dodge, L. G. Effect of Small Holes and High Injection Pressures on Diesel Engine Combustion / L.G. Dodge, S. Simescu, G.D. Neely // SAE Technical Paper. 2002. - #2002-01-0494.

52. Erlach, H. Pressure Modulated Injection and Its Effect on Combustion and Emissions of a HD Diesel Engine / H. Erlach, F. Chmela, W. Cartellieri, P. Herzog // SAE Technical Paper. 1995. - #952059.

53. Hashizume, T. Combustion and Emission Characteristics of Multiple Stage Diesel Combustion / T. Hashizume, T. Miyamoto, H. Aka-gawa and K. Tsujimura // SAE Technical Paper. 1998. - #980505.

54. Havenith, C. Development Strategies to Meet Euro 4 and 5 Emission Standarts for Heavy Duty Diesel Engines / C. Havenith, W. Cartellieri, P. Zelenka // Engine and Environment: Transactions of AVL's Symposium (1999). Graz, 1999. - P. 159-170.

55. Khatchian, A. S. Effects of Relative Combustion Chamber Diameter on Performance and Cylinder Head Thermal Loading of Open Type Combustion Chamber Diesel Engines / A.S. Khatchian // SAE Technical Paper.-1963.-#831336.

56. Kohketsu, S. Flexibly Controlled-Injection Rate Shape with Next-/ZT

57. Generation Common Rail System for Heavy Duty DI Diesel Engines / S. Kohketsu, K. Tanabe, K. Mori // SAE Technical Paper. 2000. - #2000-010705.

58. Wakisaka, Y. Effects of Fuel Injection Rate Shaping on Combustion and Emission Formation in Intermittent Spray / Y. Wakisaka, A. Azetsu // SAE Technical Paper. 2002. - #2002-01-1159.