автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Совершенствование процесса топливоподачи аккумуляторной топливной системы транспортного дизеля путем повышения быстродействия электрогидравлической форсунки

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕЛЕРДПИИ _

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ Ш ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНА ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ АВТОМОБИЛЬНЫЙ И АВТОМОТ

«НАМИ»

4845696

КУРМАНОВ Павел Васильевич

Совершенствование процесса топливоподачи аккумуляторной топливной системы транспортного дизеля путем повышения быстродействия электрогидравлической

форсунки

Специальность 05.04.02 - «Тепловые двигатели»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2011

1 2 МАЙ 2011

4845696

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет».

Научный руководитель -

кандидат технических наук, профессор Жаров А.В.

Научный консультант -

доктор технических наук, профессор Марков В. А.

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Девяпии С.Н.

кандидат технических наук, доцент Савастенко А.А.

Ведущее предприятие

ОАО"НИИД"

Защита диссертации состоится «. 05 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 217.014.01 при Государственном научном центре Российской Федерации - Федеральном государственном унитарном предприятии - Центральном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском автомобильном и автомоторном институте «НАМИ» по адресу: 125438, г. Москва, Автомоторная, д. 2. Электронная почта: admin@nami.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ».

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять по указанному выше адресу.

Автореферат разослан « » 04 2011г. Телефон для справок (495) 456-40-40

Учёный секретарь диссертационног кандидат технических наук, старший научный сотрудник

http://www.nami.ru

А.Г. Зубакин

Список принятых сокращений

АС - аккумуляторная топливная система; ЭБУ- электронный блок управления; ОПТ - ограничитель подачи топлива; п.к.в. - поворот коленчатого вала двигателя; ТНВД - топливный насос высокого давления; ТС - топливная система; ЭГФ - электрогидравлическая форсунка; ЭМК — электромагнитный клапан; CR - Common Rail.

Общая характеристика работы

Актуальность диссертационной работы. Анализ развития отечественных и зарубежных транспортных дизелей показал, что для достижения низкой токсичности отработавших газов дизеля при сохранении требуемой экономичности необходимо независимое управление на всех режимах работы следующими параметрами процесса впрыскивания топлива: - моментом начала подачи топлива относительно ВМТ; продолжительностью подачи; давлением впрыскивания топлива. При впрыскивании малых (пилотных) порций топлива перед основной подачей необходима малая инерционность системы топливоподачи и высокое быстродействие.

Одной из топливных систем, выполняющей эти требования, является АС с ЭГФ, где создание давления впрыскивания и распределение его по форсункам разделено во времени. При разработке АС потребовалось решить проблемы связанные с быстродействием электромагнитного клапана ЭГФ для обеспечения многофазного впрыскивания и улучшением динамики процесса топливоподачи за счет оптимизации волновых процессов в линии аккумулятор - форсунки.

Таким образом, результаты расчетных и экспериментальных исследований влияния конструктивно-регулировочных параметров ЭГФ на процесс топливоподачи АС позволяют сократить сроки ее доводки.

Учитывая необходимость постановки на производство отечественной АС для дизелей экологического класса Евро-4 с 2012г. и Евро-5 с 2014г., данная тема является актуальной.

Цель работы. Совершенствование процесса топливоподачи аккумуляторной топливной системы транспортного дизеля путем повышения быстродействия электрогидравлической форсунки

Методы исследования. Расчетные исследования проводились по методам и программам, разработанным с использованием вычислительной техники. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории ОАО "ЯЗДА" на испытательных установках, созданных на базе стендов Bosch 815 и EFS 8246.

Научная новизна. - Разработана и реализована в виде программного продукта математическая модель для расчета рабочего процесса АС с учетом

объема аккумулятора и волновых процессов топливоподачи, позволяющая моделировать различные конструктивные решения и проводить расчеты давления и движения топлива в ЭГФ - аккумуляторе - топливопроводах.

- Определено влияние конструктивных элементов АС на её рабочие характеристики, уменьшение с^ и увеличение (12 снижает продолжительность ффа включения ЭМК, т.е. при заданных qI( повышается быстродействие форсунки, что особенно необходимо при многофазном впрыскивании.

- Разработаны методика и установка для испытания АС, проведены комплексные экспериментальные исследования волновых процессов и основных компонентов АС (ЭМК, ЭГФ и ТНВД), обеспечившие выбор величин и соотношения дросселирующих проходных сечений в камере управления ЭГФ, которые в сочетании с конструкцией электромагнита обеспечивают ее необходимое быстродействие.

Практическая ценность. Проведенными расчетно-экспериментальными исследованиями АС установлено, что быстродействие ЭМК зависит главным образов от величины воздействующего на управляющий клапан давления топлива в аккумуляторе, которое в свою очередь зависит от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Практические рекомендации обеспечивают на различных стадиях проектирования совершенствование процесса топливоподачи АС за счет повышения быстродействия электромагнитного клапана, выбора конструкции выходного штуцера аккумулятора, соотношения дросселирующих проходных сечений в камере управления ЭГФ, что позволяет увеличить интенсивность впрыскивания топлива, демпфировать колебательные процессы и осуществить многофазное впрыскивание.

Реализация работы. Результаты работы реализованы при выполнении Программы Союзного государства Россия - Белоруссия «Развитие дизельного автомобилестроения на период до 2008г.». Теоретические и практические рекомендации диссертационной работы использованы при создапии опытных образцов перспективных аккумуляторпых топливных систем для дизелей КАМАЗ, ЯМЗ и ММЗ, соответствующих экологическим нормативам Евро-4 и Евро-5, и в учебном процессе ЯГТУ.

Апробация работы: Основные положения диссертационной работы доложены на международной автомобильной конференции 2007 г. «Двигатели для российских автомобилей» в рамках московского автосалона ММБ - 2007г.; на шестьдесят первой (в 2008г.) и второй (2009г.) «научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов ЯГТУ»; конференции молодых специалистов группы ГАЗ в 2008г.; на Межрегиональной научно-практической конференции в Ярославском филиале МИИТ «История и перспективы развития транспорта на Севере России» в 2009 году; в МГТУ им. Н.Э. Баумана (семинар по автоматическому регулированию им. проф. В.И. Крутова 2010 и 2011 года); 8 международном автомобильном научном форуме (МАНФ-2010), Автополигон НАМИ.

Публикации. Материалы исследований опубликованы в 7 научных работах, в том числе 4 по перечню ВАК.

Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения , 4-х глав, выводов, содержит 176 страниц текста, 87 рисунков, 31 таблицу и 2 приложения. Список литературы включает 105 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Основное содержание работ

Во введении обоснована актуальность проведения работы, поставлены цели и задачи исследовании, определены основные направления совершенствования АС.

Первая глава содержит анализ государственных и международных норм и стандартов, которые определяют развитие транспортного дизеля (ТД). Показано, что эффективным средством достижения современных технических и экологических показателей ТД является совершенствование процессов топли-воподачи. Этим задачам посвящены труды Астахова И.В., Блажешюва Е.И., Вырубова В.В., Гальговского В.Р., Голубкова JI.H., Грехова Л.В., Жарова A.B., Иващенко H.A., Крутова В.И., Мазннга М.В., Маркова В.А., Патрахальцева H.H., Перепелина А.П., Пинского Ф.И., Фомина Ю.Я., Эфроса В.В. и др.

Для выполнения норм Евро-4 и Евро-5 необходима более качественная организация рабочего процесса топливоподачи, быстродействие должно быть достаточным для изменения всех управляемых параметров процесса впрыскивания топлива, а колебания отраженной волны давления, не должны приводить к возникновению гидравлического удара и неконтролируемому впрыскиванию топлива. Этим требованиям удовлетворяют Аккумуляторные топливные системы с быстродействующими клапанами, управляемыми МПСУ, что потребовало определения их технических параметров и электрических сигналов для их управления, которые отрабатываются для конкретного двигателя. На основе анализа состояния проблемы и в соответствии с поставленной целью сформулированы задачи диссертационной работы:

1. Разработать методику и установку для испытания АС, её компонентов (ТНВД, ЭМК и ЭГФ) и волновых процессов АС.

2. Провести комплексные исследования CR Bosch для двигателей DCi-11 и определить характеристики её компонентов. На основе результатов исследования определить параметры для уточнения математической модели и оптимизации конструктивных параметров АС.

3. Разработать математическую модель и провести расчетные исследования опытной АС ЯЗДА. Определить оптимальные параметры аккумулятора с дросселирующим отверстием в штуцере и с ограничителем подачи топлива (ОПТ), соотношения дросселирующих проходных сечений в камере управления ЭГФ их согласование с быстродействием ЭМК для обеспечения многофазного впрыскивания.

4. Провести сравнительные экспериментальные исследования ЭГФ Bosch и ЭГФ ЯЗДА и испытания опытной АС ЯЗДА для двигателя КАМАЗ - 740.92

. Во второй главе представлена методика, установка для испытания АС и результаты экспериментального исследования АС типа CR ф. Bosch для двигателя DCi-11.

Для испытания АС разработана установка (рис. 1) на базе регулировочного стенда Bosch EPS-815. Установка включает испытываемый ТНВД, аккумулятор высокого давления с клапаном-ограничителем давления, отрегулированным на открытие при Р = Рак+5МПа, две технологические форсунки мод. 26, регулируемый дроссель и воздушно-масляную станцию Т9161-2-20. В качестве генератора управляющих электрических сигналов и для испытания ЭГФ используется исследовательский комплекс EFS 8246.

Рисунок 1. Установка для испытания аккумуляторной системы

Система СЯ двигателя БСь11 включает следующие основные компоненты: двухплунжерный топливный насос высокого давления СР 2 модели 0 445 020 086 (650.1111005), топливный аккумулятор 0 445 226 075, комплект форсунок модели 0 445 120 142 с электромагнитным приводом управляющих клапанов, электронный блок управления ЕБС7 Чхх 0 028 020 111 (650.3763010) и комплект функциональных и параметрических датчиков.

Исследования ЭГФ показали, что происходит превышение расхода топлива на управление над величиной расхода через распылитель (т]гизр < 50 %) в диапазоне цикловых подач менее 10...25 мм3 при значениях Рак = 30... 150 МПа соответственно. Это указывает на повышенные потери производительности системы на режимах малых нагрузок. При этом быстродействие зависит главным образом от величины воздействующего на управляющий клапан давления топлива в аккумуляторе Рак (рис. 2), которое в свою очередь зависит от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Особенно это сказывается на длительности периода выключения форсунки 1аыи1, которая в зоне цикловых подач топлива я„ > 80 мм3 практически не зависит от величины qц и находится в пределах 0,85 ... 1,21 мс. В диапазоне цикловых подач топлива 5...80 мм3 с

ростом производительности форсунки величина 1ВЫСЛ. возрастает от 0.37...0,45мс до 0,85...1,21мс, соответственно.

Производительность форсунки практически не влияет на продолжительность включения 1вкл ЭМК, а давление Рак влияет на величину 1ВКЛ только в диапазоне его изменения 30...60 МПа, после чего стабилизируется. На большинстве исследованных режимов > 1В1Я.

1, мс

Рисунок 2. Влияние давления в аккумуляторе и цикловой подачи топлива на быстродействие (1ВЫКЛ., 1вкл,) форсунки.

Исследование колебаний давления в аккумуляторе АС типа СИ с помощью датчика, установленного в нагнетательном топливопроводе перед форсункой первого цилиндра (рис.3) показало, что в период между впрысками величина давления в топливопроводе практически равна давлению в аккумуляторе.

Рисунок 3. Давление в топливопроводе перед форсункой первого цилиндра в момент впрыскивания

В момент впрыскивания топлива давление в топливопроводе перед форсункой первого цилиндра снижается на 10... 11 МПа при среднем уровне

давлений в аккумуляторе 95 МПа, т.е. на ~10 %. При впрыскивании другими форсунками давление, по показаниям этого датчика, снижается на 4...5 Mlla. Такое различие в показаниях датчика объясняется местом его размещения. Анализ осциллограмм колебания давления топлива в аккумуляторе показал, что в момент впрыскивании топлива при цикловой подаче q„ = 200 мм3 и Р^ = 150 МПа уменьшение давления в аккумуляторе объемом 35 см3 составляет ЮМПа, при q„ = 200 мм3 и Р3„ = 30 МПа —бМПа, а при цикловых подачах 10 мм3 - не более 2 МПа на всех режимах работы.

На основании результатов испытаний CR Bosch сформированы технические требования к ЭМК ЭГФ и параметры управляющих сигналов.

В третьей главе представлены расчетные исследования процесса топли-воподачи опытной АС ЯЗДА для дизельного двигателя мощностью 230кВт. Методика гидродинамического расчета основана на решении уравнений теории гидравлического удара, разработанной Н.Е. Жуковским, и уравнений граничных условий у ТНВД и форсунки по методу профессора И.В. Астахова. Для решения уравнений граничных условий применен метод последовательных приближений Ньютона. Совершенствованию и уточнению методик для гидродинамического расчёта дизельных ТПС способствовали также работы отечественных учёных Л.Н. Голубкова, Н.А.Иващенко, JI.B. Грехова, В.А.Маркова, А.П. Перепелина, Ю.Я. Фомина, A.C. Кулешова и др.

В АС, как и у других ТС, есть один существенный недостаток - наличие волновых процессов (колебаний давления топлива) в контуре "аккумулятор -топливопровод - форсунка" (рис. 4).

Рисунок 4. Схема подачи топлива в АС: 1 - аккумулятор; 2- датчик давления; 3-ограничитель давления (аварийный клапан); 4 - штуцера, 5 — топливопровод от ТНВД, 6 - ограничители, 7 - топливопровод к форсунке, 8 - форсунка.

Для выбора количественных и качественных критериев оценки динамики процесса топливоподачи, позволяющих определить оптимальные соотношения конструктивно-регулировочных параметров АС разработана математическая модель при следующих параметрах АС: - объем аккумулятора высокого давления равен 100 см3; выходной штуцер без дросселя, либо с дросселирующим отверстием диаметром 0,85 мм, или с ОПТ с объемом топлива 790 мм3 и дрос-

солирующим отверстием диаметром 0,8 мм.; длина топливопровода высокого давления - 480 мм, а его внутренний диаметр с1х — 3 мм; ЭГФ мод. Э25 (рис. 5) с диаметром иглы с!и = 4 мм, цГр = 0,15 мм2, управляющем поршнем диаметром с1.г = 4,3 мм, впускным дросселем в камере гидроуправления диаметром с!] = 0,245 мм, и сливным дросселем диаметром с]2 = 0,28 мм., ТНВД мод. Э23 с 2-мя секциями и 2-х ходовыми кулачками, с ходом плунжера б,5мм и диаметром 7,5мм.

Рисунок 5. Расчетная схема ЭГФ АС ЯЗДА

При расчете процесса в ЭГФ не учитывается влияние процесса топливо-подачи ТНВД на колебания в аккумуляторе (для их уменьшения в расчетных исследованиях объем аккумулятора и был задан завышенным: 100 см3 вместо 30-40 см3 в реальной топливной системе).

Исследуемые режимы работы двигателя: - номинальный режим п=2300мин'', qu= 140мм3, Рак= 160МПа; режим максимального крутящего момента п =1400мин"', qu=177MM3, Р^МОМПа; минимальный холостой ход п =600мин"', q„=18MM3, Рак=30МПа.

На рис.6 приведены зависимости давлений в выходном штуцере аккумулятора (Роп), в распылителе (Рф), в камере управления (Ру) форсункой и хода иглы распылителя (h„) от угла поворота коленчатого вала для двух схем: когда проходное сечение штуцера равно проходному сечению трубопроводу, т.е. дросселя нет (а), и когда в штуцере установлен дроссель с диаметром 0,85мм (б).

Р, МПа

, ---? / 4 * * \ УН 1 t $ 1 ----/ / 1

1 ч г - г - 1 V _ v 1 Г»— - Г \ ----V \ i -■J

Рф - Реп

1 U L. 1 4 / * 1

t 1 "и "Ру

г Т '

/ \

140 150 160 ПО 180 190 Г.

а) - без дросселирования

б) - с диаметром дросселя 0, 85 мм.

Рисунок 6. Расчетная зависимость давления топлива РОП) Рф, Ру и хода иглы распылителя h„ от угла поворота коленчатого вала при п=2300 мин"1, q„=140 мм3 и Рак=160 МПа.

Для первой схемы, как видно из рис. 6, характерна значительная амплитуда колебаний волн давления. Например, максимальное давление рфшах в распылителе равно 177 МПа, что на 10,6 % превышает давление 160 МПа в аккумуляторе. При этом среднее давление рфср в распылителе составляет 154,2МПа - на 3,6 % меньше Рак, а продолжительность (рв впрыскивания - 24,4° п.к.в. При второй схеме, т.е. при дросселе диаметром 0,85мм эти параметры при той же величине Рак оказались такими: рфтзх = 160,1 МПа, РфсР = 150,9 МПа, на 5,7 % меньше Рак, <pe = 25,55° п.к.в.

ю

Штуцер с ОПТ имеет подпружиненный клапан с дросселирующим отверстием, который предназначен для прекращения подачи топлива к форсунке при повышении расхода топлива, вызванного ее неисправностью, например, "зависанием" иглы в поднятом положении. Этот клапан перемещается под действием перепада давлений в аккумуляторе и штуцере. В итоге при Рак = 160 МПа динамические характеристики получаются такими, как на рис. 7: Рфтах = 180МПа, рфср = 155,6 МПа, на 2,8 % меньше PaKi (рв = 24,30°, т.е. ограничитель подачи топлива повышает интенсивность впрыскивания, но не демпфирует колебания отраженной волны давления в топливопроводе.

Р, МПа

Рисунок 7. Расчетная зависимость давления топлива Роп, Рф, Ру, хода клапана ОПТ Ноп и хода иглы распылителя h„ от утла поворота коленчатого вала при п=2300 мин"1, qu=140 мм3 и Рок=160 МПа.

Таким образом наиболее оптимально применение штуцера с дросселем диаметром 0,85 мм при одновременном повышении рабочего давления топлива в аккумуляторе.

Для обеспечения управляемости процесса топливоподачи на всех режимах работы дизеля необходимо определить соотношение проходных сечений жиклеров di и с1г ЭГФ. На рис. 8 и 9 приведены зависимости продолжителыю-стей впрыскивания топлива (фв) и включения электромагнитного клапана (ффа) от соотношений диаметров жиклеров di и d2 при работе дизеля на номинальном режиме. Анализ расчетных значений продолжительности впрыскивания топлива фв и продолжительности включения ЭМК ффа от различных соотношений диаметров жиклеров показал, что наиболее оптимально для всех режимов di=0,245мм и d2=0,28MM.

il

Рисунок 8. Расчетная зависимость продолжительности впрыскивания топлива фв и продолжительности включения ЭМК Ффа от диаметра сливного жиклера ёг при диаметре впускного жиклера ё]=0.245 мм и 0,224 мм на номинальном режиме.

□,25 0,26 0,27 0.28 0,29 0.3 0,3 ) 0,32 0,33 0.W

do.MM

Рисунок 9. Расчетная зависимость продолжительности впрыскивания топлива фа и продолжительности включения ЭМК ффа от диаметра впускного жиклера ¿1 при диаметре сливного жиклера (12=0.28 мм и 0,301 мм на номинальном режиме.

0,17 0,19 0.21 0,23 0,25 0,27 0,29 0,31 О.ЭЭ 0,35

di. мм

В четвертой главе приведены результаты сравнительных экспериментальных исследований ЭГФ Bosch и ЭГФ ЯЗДА и испытания опытной АС ЯЗДА, рис. 10, для двигателя КАМАЗ - 740.92

Рисунок 10. Опытная аккумуляторная топливная система Э23 ЯЗДА: 1-ТНВД Э23; 2- аккумулятор Э20; 3 - форсунки Э25

Основу АС составляет ЭГФ с быстродействующим ЭМК, поэтому проведено исследование его влияния на работу форсунки в сравнении с ЭМК ф. Bosch.

Параметры режима работы форсунки выбраны таким образом, чтобы обеспечить высокую нагруженность электромагнитов, а также по возможности минимизировать влияние нагрева топлива на результаты испытаний.

В качестве основных электрических параметров электромагнитов определялись: активное сопротивление обмотки Ra, полное сопротивление обмотки с якорем Rg=o.i и без якоря Rxoo (f =1000 Гц) и индуктивность в сборе с якорем

H5=o,i и без якоря Ида, а также сопротивление изоляции R,non.

Давления в аккумуляторе устанавливалось на уровне 30 МПа, что соответствует уровню минимального рабочего давления в CR современных дизелей, т.е. нагруженность электромагнита является наибольшей, т.к. сила давления топлива на шарик клапана, способствующая поднятию якоря магнита, по сравнению с более высокими давлениями в аккумуляторе минимальна.

В качестве показателей быстродействия форсунки, с исследуемыми ЭМК определялось время включения (интервал времени от момента подачи управляющего сигнала до момента начала впрыска топлива при различных давлениях топлива в аккумуляторе и различных параметрах управляющего сигнала. В процессе испытаний использовалась форсунка Bosch.

Длительность управляющих сигналов выбрана из условия tB1M. < tynp. и устанавливалась равной 2,0 мс, за исключением режима Рак. = 150 МПа, где длительность устанавливалась равной 1,5 мс (при больших длительностях и Рак = 150 МПа величина цикловой подачи была более 300 мм3, что приводило к превышению допустимой амплитуды колебаний давления в аккумуляторе стенда.

Для всех ЭМК при испытаниях в составе форсунки устанавливалась следующие параметры:

• ход управляющего клапана 0,048 ± 0,002 мм;

• остаточный магнитный зазор 0,050 ± 0,002 мм;

• сила предварительного сжатия пружины клапана 67 ± 0,5 Н;

• сила предварительного сжатия пружины иглы 28 ± 0,5 Н;

• величина тока в обмотках магнитов в диапазоне 10...22 А. При токе менее 10А работа форсунки становилась нестабильной, а повышение тока свыше 22 А ограничивалось возможностями стенда EFS.

Экспериментальные исследования основных электрических параметров ЭМК Bosch и опытных ЭМК ЯЗДА (рис. 11,12) показали, что основной причиной различия электрических параметров исследуемых электромагнитов является различие магнитных свойств материалов, из которых изготовлены их сердечники.

В результате измерения температуры на поверхности корпуса ЭМК Bosch и ЭМК-2 определено, что длительность периода стабилизации температуры для обоих электромагнитов составляет не более 30 мин, при этом температура поверхности корпуса ЭМК Bosch стабилизировалась на уровне 54°С, а ЭМК-2 - на уровне 57°С.

. После включения скорость повышения температуры для обоих электромагнитов максимальна, затем, по мере нагрева, быстро снижалась и после 5-ти минут работы не превышала 1 °С/мин. За первые 30 секунд от начала работы средняя скорость повышения температуры для электромагнитов ЭМК-2 и Bosch составила 14.4 и 10.4 °С/мин. соответственно.

I, А

-II)-I——■ ■ ■ i :—1 1 1 I ' '—' 1 i ' ' " ■ I '■ ' 1 1 I—1 ' ' '

•0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

t,MC

Рисунок 11. Осциллограммы управляющих сигналов на магните Bosch.

-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2.0 2,5

t,MC

Рисунок 12. Осциллограммы управляющих сигналов на магните ЭМК -2

Результаты определения показателей быстродействия форсунки показывают, что использование в форсунке Bosch 0 445 120 013 магнита ЭМК -2 вместо штатного магнита при давлении в аккумуляторе ЗОМПа приводит к увеличению времени её включения ( меньше тяговое усилие) с 0.45 до 0.75 мс (+ 67 %) и длительности времени выключения (повышенная электрическая инерцио-

ность) с 0,80 до 0.94 мс (+ 18 %). Следует отметить, что наибольшие различия времени включения исследуемой форсунки при использовании различных магнитов происходят при минимальных значениях величин рак. и 1ф (рис. 13).

W, мкс

Рисунок 13. Изменение времени включения форсунки Bosch от величины тока в обмотке ЭМК при Рак. = 30 МПа.

При испытании ЭГФ были приняты следующие параметры управляющего сигнала:

1. Форсированное включение магнита напряжением 90В, повышение силы тока в обмотке магнита до 13 ... 15 А.

2. Удержание силы тока 13 ... 15 А до момента начала впрыскивания.

3. Снижение силы тока до номинального значения 9 ... IIA.

Экспериментальные характеристики цикловых подач в зависимости от

управляющего сигнала и давления в аккумуляторе ЭГФ Bosch с ЭМК Bosch и с ЭМК-2 представлены на рис. 14.

Полученные данные показывают, что характеристики цикловых подач q[,=f(tynp) исследуемой форсунки близки к линейному виду. Различия величин цикловой подачи при использовании магнитов Bosch и ЭМК- 2 не превышает 10 %.

На основании экспериментальных исследований была доработана конструкция и магнитные свойств материала ЭМК-3 форсунки ЯЗДА для снижения полного сопротивления обмотки без якоря Rxoo(f=1000 Гц) до 0.20м и увеличения индуктивности в сборе с якорем Hs 0>i до 220мкГн и без якоря II¡^ до 85мкГн. Стендовые испытания показали (рис.15), что её параметры на уровне параметров форсунки Bosch и она может обеспечить многофазное впрыскивание.

-ЭМК-2; 20 МПа -ЭМК-2; 80 МПа -ЗМК-2; 140 МПа -Bosch: 20 МПа - Bosch; 80 МПа -Bosch; 140 МПа

Рисунок 14. Экспериментальные характеристики цикловых подач в зависимости от управляющего сигнала и давления в аккумуляторе форсунки Bosch с ЭМК Bosch и ЭМК-2 ЯЗДА

W'мс

Рисунок ^.Экспериментальные характеристики цикловых подач в зависимости от управляющего сигнала и давления в аккумуляторе форсунки Э25 ЯЗДА с ЭМК-3

По результатам расчётно - экспериментальных исследований АС Э23 определена её комплектность для двигателя КАМАЗ-740.92;

- ЭГФ Э25 с диаметрами жиклеров с^О,245мм и (12=0,28мм, диаметром управляющего поршня ё„=4,3мм, диаметром иглы с1и=4мм и ЭМК-3;

-ТНВД-Э23;

-Аккумулятор Э-20 с дросселем выходного штуцера диаметром 0,85мм.

Моторные испытания АС Э23 ЯЗДА в составе двигателя КАМАЗ-740.92 показали, что она работоспособна, обеспечивает необходимые параметры двигателя и позволяет проводить доводочные испытания.

Сопоставление расчётных и экспериментальных характеристик цикловых подач показало достаточно высокую степень их сходимости. При давлении в аккумуляторе 40 МПа различия достигают 15,5 %, что допустимо, т.к. данный режим не стабилен и возникает в АС только в момент пуска. Наилучшая сходимость результатов имеет место на режимах при давлении в аккумуляторе 80...100.МПа (отличие не превышает 9%), которые являются основными эксплуатационными режимами.

Основные выводы

1. Разработанная математическая модель и программа расчета аккумуляторной топливной системы, позволяют проводить расчетные исследования процесса топливоподачи АС, определять оптимальные величины проходных сечений в камере управления ЭГФ, которые обеспечивают ее необходимое быстродействие и многофазный впрыск

2. Расчетный анализ АС показал, что применение выходного штуцера аккумулятора без дросселя и с ограничителем подачи топлива па номинальном режиме снижает среднее давление форсунки Рфср соответственно на 3,6 и 2,8 %, но не устраняет колебательные явления в топливопроводе, с дросселем диаметром 0,85мм - демпфирует колебательные явления, но снижает Рфср на 5,7%. Установлено, что наиболее оптимальное применение штуцера с дросселем диаметром 0,85 мм и повышением рабочего давления в аккумуляторе.

3. Уменьшение диаметра впускного жиклера d| и увеличение диаметра сливного жиклера d2 уменьшает продолжительность включения ЭМК, что повышает быстродействие форсунки для обеспечения многофазного впрыска. При диаметрах жиклеров di=0,245мм и с12=0,28мм предварительная подача составила 5мм3, а продолжительность управляющего импульса ЭМК (без учета времени, необходимого для страгивания якоря электромагнита) составила 0,19мс при п =2300мин"' и 0,21мс при п=1400мин'1.

4. Разработаны методика и установка для испытания АС, проведены экспериментальные исследования параметров, волновых процессов АС и её основных компонентов ЭМК и ЭГФ, которые показали, что быстродействие ЭГФ, т.е. продолжительность включения и выключения, зависит главным образом от величины воздействующего на управляющий клапан давления топлива в аккумуляторе.

5. В результате экспериментального исследования рабочего процесса CR двигателя DCi -11 установлено, что в диапазоне цикловых подач топлива q„ = 5...80 мм3 длительность периода выключения форсунки возрастает от 0.37...0,45 мс до 0,85... 1,21 мс в зависимости от давления в аккумуляторе Рак и при q„ более 80 мм3 практически не зависит от величины q„ и Рак Производительность форсунки практически не влияет на продолжительность включения ЭМК, а величина силы тока 1ф01К. и 1уя., обеспечивающие работу форсунки, равны 15 и 11 А соответственно.

6. Сравнительные экспериментальные исследования ЭГФ Bosch и ЭГФ ЯЗДА показали, что применение в форсунке Bosch электромагнита ЭМК-2 при давлении в аккумуляторе ЗОМПа и других равных условиях приводит к увеличению времени включения и длительности выключения форсунки. Установлено, что для обеспечения необходимого быстродействия ЭГФ ЯЗДА материал электромагнита должен иметь полное сопротивление обмотки без якоря не более 0,2 Ом и индуктивность в сборе с якорем не менее 220мкГн и без якоря не менее 85мкГн.

7. Экспериментальные исследования колебаний давления в аккумуляторе АС показали, что при цикловой подаче q4= 200 мм3 и Рак =150 МПа уменьше-

ние .давления в аккумуляторе объемом 35 см3 составляет ЮМПа, при qu = 200 мм3 и Раи = 30 МПа - бМПа, а при цикловых подачах 10 мм3 - не более 2 МПа на всех режимах работы.

8. В результате расчётно-экспериментального исследования даны рекомендации по оптимальному сочетанию конструктивно-регулировочных параметров аккумуляторной топливной системы, которые внедрены на ОАО "ЯЗДА" при создании опытных образцов АС для транспортных дизелей

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Курманов, В.В. В Евро 4 с новым поколением топливной аппаратуры [Текст] / В.В.Курманов, Е.А. Сиротин, П.В. Курманов // Сб. докладов и презентаций 9-ой Международной автомобильной конференции. - М.: ОАО "Ав-тосельхозмаш-холдинг".-2007- С. 90-102.

2. Курманов, П.В. Математическое моделирование процесса топливопо-дачи аккумуляторной топливной системы [Текст] / П.В.Курманов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-22: сб. трудов XXII Между-нар. науч. конф: - Изд-во Псков, гос. политехи, ин-та, 2009. - С 117-119.

3. Курманов, П.В. Расчет аккумуляторной топливной системы для дизелей соответствующих экологическим нормам ЕВРО 4,5. [Текст] / П.В.Курманов, А.В.Жаров // История и перспективы развития транспорта на севере России: сб. научных статей. — Ярославль: ЯГТУ, 2009. - С 86-95.

4. Курманов, В.В. Аккумуляторная топливная система ЯЗДА [Текст] / В.В.Курманов, А.В.Жаров, П.В.Курманов// Автомобильная промышленность. -2010. - №3. - С.7-10.

5. Курманов, В.В. Влияние быстродействия электромагнитных клапанов на работу форсунки аккумуляторной топливной системы [Текст] / В.В. Курманов, A.B. Жаров, П.В. Курманов, В.А. Марков // Вестник МГТУ им. Баумана. -2010.-№3.-С.118.

6. Мазинг, М. В. Конструкторско-экспериментальный анализ системы топливоподачи «Common Rail» двигателя DCi-11 фирмы RENAULT [Текст] / М.В.Мазииг, О.В.Олисевич, В.В. Курманов, П.В. Курманов. // Труды НАМИ/ГНЦ РФ ФГУП НАМИ. Вып.№ 245: Конструкция и сертификация автомобильной техники. Сб. науч. трудов. - М.: - 2010. - С.6-18.

7. Курманов, П.В. Волновые процессы в Аккумуляторной топливной системе [Текст] / П.В. Курманов, А.В.Жаров, В.В.Курманов, В.А.Марков. //Автомобильная промышленность. - 2011. - №2. - С.10-14.

Отпечатано: ООО "Аппарель-Полиграфия", Ярославль, пр. Октября, 42-а, заказ 513 Тираж 100 экз., отдано в печать 04.04. 2011 г.

Введение.

Глава 1. Развитие стандартов по экологии и топливных систем зарубежных фирм для их выполнения.

1.1. Требования стандартов и выполнение экологических нормативов.

1.2. Основные направления развития топливных систем зарубежных фирм.

1.2.1. Насос — форсунки.

1.2.2. ТА на базе индивидуальных топливных насосов (ИТН).

1.2.3. Аккумуляторная топливная система (АС).

Глава 2. Разработка методики испытания АС и экспериментальные исследования рабочего процесса топливоподачи CR двигателя DCI-11.

2.1. Анализ основных характеристик топливоподачи перспективных ТС транспортных дизелей.

2.2. Разработка методики экспериментальных исследований

АС на безмоторном стенде

2.3. Экспериментальные исследования рабочего процесса топливоподачи CR двигателя DCI — 11.

2.3.1. Исследование колебаний давления в аккумуляторе CR двигателя DCI - 11.

2.3.2. Исследование электрогидравлической форсунки.

2.4. Результаты параметрических испытаний системы

Common Rail».

Глава 3. Разработка математической модели и расчетные исследования процесса топливоподачи Аккумуляторной топливной системы Э23 ЯЗДА.

3.1 Принципиальная схема и работа АС Э23 ЯЗДА.

3.2. Математическая модель гидродинамического расчета АС.

3.3. Расчетные исследования и анализ влияния различных конструктивно-регулировочных параметров АС на динамику процесса топливоподачи.

3.3.1. Влияние конструктивного исполнения выходного штуцера аккумулятора на динамические характеристики процесса топливоподачи.

3.3.2. Влияние сечений дросселирующих отверстий в камере управления ЭГФ на управляемость процесса топливоподачи.

3.3.3. Влияние диаметра поршня ЭГФ и запирающего диаметра иглы на параметры процесса топливоподачи.

3.3.4.Расчет параметров АС.

Глава 4. Сравнительные экспериментальные исследования

ЭГФ Bosch и ЭГФ ЯЗДА и испытания опытной АС ЯЗДА для двигателя КАМАЗ- 740.

4.1. Влияние быстродействия электромагнитного клапана на работу электрогидравлической форсунки АС.

4.1.1. Условия испытаний ЭГФ с быстродействующим ЭМК.

4.1.2. Характеристики производительности ЭГФ.

4.2. Результаты испытания ТНВД АС ЯЗДА.

4.3. Оценка степени достоверности результатов расчётных и экспериментальных исследований.

Принятое правительством РФ Постановление от 12 октября 2005 г. №609 «Об утверждении специального технического регламента «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ», заставляет производителей транспортных средств использовать современные двигатели, отвечающие экологическим нормам Евро-4 и Евро-5 [17, 30, 41, 76, 77, 79].

Одним из важнейших мероприятий в этом направлении является переход на дизельную топливную аппаратуру нового поколения с электроуправляемыми клапанами.

Исследованиями ведущих отечественных и зарубежных фирм МГТУ им. Баумана, ФГУП «НАМИ», МГТУ «МАДИ», ОАО «КАМАЗ», ОАО «Автодизель», AVL, Ricardo, Bosch, Delphi и др. установлено, что экологические показатели дизелей Евро-4 и Евро-5 и выше могут быть выполнены только с помощью электронного управления фазами топливоподачи в сочетании с высокими давлениями впрыскивания, применением сажевых фильтров, нейтрализаторов отработавших газов или других способов их очистки [4, 8, 16, 18, 26, 42, 78, 83, 104].

Необходимое давление впрыскивания топлива и гибкое управление фазами топливоподачи может быть получено с использованием топливной аппаратуры с электроуправляемыми клапанами: аккумуляторной топливной системы типа Common Rail или HEUI, насос-форсунок, индивидуальных топливных насосов. Выбор типа ТА определяется разработчиком дизеля в зависимости от особенностей его конструкции, условий эксплуатации, опыта использования того или иного вида ТА в данной фирме.

В ТА традиционного типа, насос-форсунках, индивидуальных топливных насосах при увеличении давления впрыскивания резко возрастает пиковый крутящий момент на привод топливного насоса высокого давления (ТНВД) и возникает необходимость в повышении его надежности. В АС, где создание давления топлива и его распределение по форсункам разделено во времени, эта проблема решена за счет уменьшения размерности плунжерной пары. Поэтому АС получила наибольшее распространение в последнее время и обеспечивает [3, 22, 31,51,57]:

- расширение функций топливной системы по управлению рабочим процессом двигателя, а именно: впрыскивание топлива с управляемым высоким давлением, определяемым нагрузочным и скоростным режимом двигателя, и регулируемой скоростью впрыскивания в фазе впрыскивания (ступенчатой, прямоугольной, трапециевидной формы), многофазное впрыскивание с управляемым соотношением количества топлива в каждом впрыске;

- оптимизированную настройку режима работы топливной системы (впрыскивания) в рабочем диапазоне скорости и нагрузки двигателя; выравнивание цикловой подачи топлива (снижение неравномерности) по цилиндрам.

Наиболее сложным компонентом аккумуляторной топливной системы является электрогидравлическая форсунка, поскольку именно она обеспечивает гибкое управление величиной подачи топлива, продолжительностью и фазами впрыскивания топлива.

При разработке АС потребовалось решить проблемы связанные с быстродействием электромагнитного клапана ЭГФ для обеспечения многофазного впрыска и улучшением динамики процесса топливоподачи за счет оптимизации волновых процессов в линии аккумулятор - форсунки.

Проанализирован выбор определяющих количественных и качественных критериев оценки динамики процесса топливоподачи, позволяющих определить оптимальные соотношения конструктивно -регулировочных параметров АС.

Таким образом результаты расчетных и экспериментальных исследований влияния конструктивно-регулировочных параметров ЭГФ и других компонентов аккумуляторной топливной системы на выходные параметры процесса топливоподачи являются актуальными при создании отечественной АС для дизелей с перспективными экологическими нормативами и позволяют сократить сроки ее доводки.

Учитывая необходимость постановки на производство отечественной АС для дизелей экологического класса Евро-4 с 2012г. и Евро-5 с 2014г., данная тема является актуальной.

Цель работы. Совершенствование процесса топливоподачи аккумуляторной топливной системы транспортного дизеля путем повышения быстродействия электрогидравлической форсунки

Методы исследования. Расчетные исследования проводились по методам и программам, разработанным с использованием вычислительной техники. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории ОАО "ЯЗДА" на испытательных установках, созданных на базе стендов Bosch 815 и EFS 8246.

Научная новизна. -Разработана и реализована в виде программного продукта математическая модель для расчета рабочего процесса АС с учетом объема аккумулятора и волновых процессов топливоподачи, позволяющая моделировать различные конструктивные решения и проводить расчеты давления и движения топлива в ЭГФ - аккумуляторе — топливопроводах. -Определено влияние конструктивных элементов АС на её рабочие характеристики, уменьшение с1] и увеличение с12 снижает продолжительность Ффа включения ЭМК, т.е. при заданных с];( повышается быстродействие форсунки, что особенно необходимо при многофазном впрыске.

-Разработаны методика и установка для испытания АС, проведены комплексные экспериментальные исследования волновых процессов и основных компонентов АС (ЭМК, ЭГФ и ТНВД), обеспечившие выбор величин и соотношения дросселирующих проходных сечений в камере управления ЭГФ, которые в сочетании с конструкцией электромагнита обеспечивают ее необходимое быстродействие.

Практическая ценность. Проведенными расчетно-экспериментальными исследованиями АС установлено, что быстродействие ЭМК зависит главным образом от величины воздействующего на управляющий клапан давления топлива в аккумуляторе, которое в свою очередь зависит от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Практические рекомендации обеспечивают на различных стадиях проектирования совершенствование процесса топливоподачи АС за счет повышения быстродействия электромагнитного клапана, выбора конструкции выходного штуцера аккумулятора, соотношения дросселирующих проходных сечений в камере управления ЭГФ, что позволяет увеличить интенсивность впрыска топлива, демпфировать колебательные процессы и осуществить многофазный впрыск.

Реализация работы: Результаты работы реализованы при выполнении Программы Союзного государства Россия - Белоруссия «Развитие дизельного автомобилестроения на период до 2008г.». Теоретические и практические рекомендации диссертационной работы использованы при создании опытных образцов перспективных аккумуляторных топливных систем для дизелей КАМАЗ, ЯМЗ и ММЗ, соответствующих экологическим нормативам Евро-4 и Евро-5, и в учебном процессе ЯГТУ.

Апробация работы: Основные положения диссертационной работы доложены на международной автомобильной конференции 2007 г. «Двигатели для российских автомобилей» в рамках московского автосалона МШЭ - 2007г.; на «шестьдесят первой (в 2008г.) и второй (2009г.) научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов ЯГТУ»; конференции молодых специалистов группы ГАЗ в 2008г.; на Межрегиональной научно-практической конференции в Ярославском филиале МИИТ «История и перспективы развития транспорта на Севере России» в 2009 году; в МГТУ им. Н.Э. Баумана (семинар по автоматическому регулированию им. проф. В.И. Крутова 2010 и 2011 года); 8 международном автомобильном научном форуме (МАНФ-2010), Автополигон НАМИ.

Публикации. Материалы исследований опубликованы в 7 научных работах, в том числе 4 по перечню ВАК.

Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения , 4-х глав, выводов, содержит 176 страниц текста, 87 рисунков, 31 таблица и 2 приложения. Список литературы включает 105 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Основные результаты диссертационной работы Курманова П.В. используются в учебных занятиях со студентами автомеханического факультета специальностей «Двигатели внутреннего сгорания» и «Автомобили и автомобильное хозяйство» ЯГТУ.

Заведующий кафедрой «Двигатели внутреннего сгорания» к.т.н., профессор

Утверждаю ^ развитшо и техническому изводства ОАО «ЯЗДА»

И. Комичев 20 г а

АК внедрения результатов диссертационной работы Курманова П.В.

Совершенствование процесса топливоподачи аккумуляторной топливной системы транспортного дизеля путем повышения быстродействия электрогидравлической форсунки" на соискание ученой степени кандидата технических наук

Настоящий акт составлен в том, что теоретические и практические рекомендации диссертационной работы использованы при создании опытных образцов перспективных аккумуляторных топливных систем для дизелей ОАО "Автодизель", ОАО "КАМАЗ", ОАО "ММЗ", удовлетворяющих экологическим нормам Евро-4 и Евро-5.

Автором проведена оптимизация параметров АТС ОАО "ЯЗДА" за счет повышения быстродействия электромагнитного клапана, выбора оптимальных величин и соотношения дросселирующих проходных сечений в камере управления и диаметра управляющего поршня электрогидравлической форсунки, что позволило увеличить интенсивность впрыска топлива, демпфировать колебательные процессы и осуществить многофазный впрыск.

Математическая модель и программа расчета аккумуляторной топливной системы с электрогидравлической форсункой согласуется с экспериментальными данными.

Руководитель группы развития ТПС 53т*" С.А.Богачев

УГК ОАО "ЯЗДА", к.т.н. ^ С^А^Ч