автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Создание топливоподающей аппаратуры с электроклапанным управлением для перспективных транспортных дизелей

На правах рукописи УДК 621.436

Чжао Цзяньхуэй

СОЗДАНИЕ ТОПЛИВОПОДАЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ С ЭЛЕКТРОКЛАПАННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

18 АПР 2013

Москва-2013

005052224

005052224

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» на кафедре «Поршневые двигатели».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Грехов Леонид Вадимович

доктор технических наук, профессор, кафедра «Поршневые двигатели» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

Голубков Леонид Николаевич

доктор технических наук, профессор, кафедра «Теплотехника и автотракторные двигатели» ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»

Савастенко Андрей Александрович

кандидат технических наук, доцент, кафедра «Теплотехника и тепловые двигатели» ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов»

ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячника»

Защита диссертации состоится <^>£¿(2013 г. в 14:00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.141\09 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу. 105005, г. Москва, Рубцовская наб., д. 2/18, Учебно-лабораторный корпус, ауд. 947.

Ознакомиться с диссертацией можно в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.09.

Автореферат разослан <¿$>,¿0^—2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета, ^

кандидат технических наук, доцент ТумашевР.З.

Ведущая организация:

ОБЩИЕ ПО ТЕКСТУ СОКРАЩЕНИЯ

ТПА - топливоподающая аппаратура ЭМП - электромагнитный привод

ЭКУ - электроклапанное управление ТНВД - топливный насос высокого давления

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. ТПА с ЭМП управляющего клапана позволяет гибко изменять угол опережения впрыскивания, формировать внешнюю скоростную характеристику, в некоторых системах - управлять давлением и характеристикой впрыскивания. Снижение времени срабатывания исполнительного механизма - быстродействующего ЭМП управляющего клапана - повышает точность топливопо-дачи, позволяет организовывать многоразовое впрыскивание, обеспечивать минимум образования крупных капель и др.

Создание новой ТПА тормозится недостаточностью опыта и удобных и достоверных математических моделей, пригодных для оптимизации такой ТПА. Использование уточненной математической модели для описания механических, гидромеханических, электрических и магнитных процессов ЭМП в ТПА при решении сопряженной задачи не только делает моделирование более корректным, но и является единственным средством поиска оптимумов при противоречивом действии на поведение ТПА различных связанных параметров. Примером невозможности оптимизации ТПА на основе раздельного рассмотрения гидродинамики и электромагнетизма служит оптимизация по осевому (рабочему) зазору между электромагнитом и якорем ЭМП.

Цель работы состоит в создании ТПА нового поколения для перспективных транспортных двигателей.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе ставятся и решаются следующие задачи:

1. Анализ основных направлений совершенствования ТПА, обосновывающих необходимость разработки типа ТПА с ЭМП с целью создания транспортных дизелей с уменьшенным расходом топлива и выбросом вредных веществ.

2. Создание простой и достоверной математической модели ЭМП управляющих клапанов ТПА.

3. Проверка математической модели ЭМП по экспериментальным данным.

4. Создание математической модели топливоподачи с учетом нестационарности процессов на основе решения сопряженной задачи гидродинамики и электромагнитных процессов.

5. Создание новой ТПА с ЭМП в целях улучшения экономических и экологических показателей работы дизелей.

Научная новизна работы заключается:

1. В предложении аппроксимирующих соотношений для описания магнитного насыщения и статического гистерезиса магнитомягких материалов на основе трех из четырех возможных справочных величин.

2. В предложении математической модели ЭМП ТПА, отличающейся корректным учетом нестационарных электромагнитных процессов.

3. В предложении математической модели сопротивления движению якоря со стороны поперечного вязкого движения топлива в зазоре ЭМП.

4. В осуществлении сопряженного решения задачи о гидродинамических и электромагнитных процессах в ЭМП ТПА для двигателей.

5. В обосновании важности учета нестационарных электрических и магнитных явлений для анализа ТПА дизелей с электронным управлением, в т.ч. динамического гистерезиса материалов ЭМП.

6. В получении новых результатов, описывающих поведение ТПА с электронным управлением и наличие оптимальных значений ее параметров.

Методы исследования. Для выполнения поставленных задач используется численное моделирование. Расчеты выполняются с использованием созданных автором программ для расчета электромагнитных и гидромеханических процессов в ЭМП в программном комплексе «Впрыск», а также с использованием ПК «Дизель РК». Известные и вновь полученные экспериментальные данные использовались для проверки моделей и расчетных результатов.

Достоверность и обоснованность научных положений работы обусловливаются: использованием общих уравнений для описания механических, гидродинамических, электрических и магнитных явлений; совпадением расчетных результатов с опубликованными экспериментальными данными; согласованием полученных частных результатов с известными.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Подготовлена компьютерная программа для описания работы быстродействующего ЭМП и ТПА с электронным управлением с использованием созданных математических моделей.

2. Выявлены оптимальные значения характеристик управления ЭМП, обоснована целесообразность предварительного намагничивания.

3. Выявлены оптимальные значения конструктивных параметров ЭМП и ТПА с электронным управлением.

4. Созданы два проекта ТПА с ЭМП: ТПА с всесторонней оптимизацией и ТПА с максимальной унификацией со штатными приводом плунжера ТНВД и форсункой.

Апробация. Основные результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях и семинарах: XVII международный конгресс двигате-лестроителей (Украина, пос. Рыбачье, 2012); Международная научно-техническая конференция «6-е Луканинские чтения. Решение энерго-экологических проблем в автотранспортном комплексе» (Москва, 2013); Научный семинар «Чтения академика Васхнил В.Н. Болтинского» (Москва, МГАУ имени В.П. Горячкина, 2013); Всероссийский научно-технический семинар « ВНТС по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работы, из них 3 в изданиях по списку ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы. Общий объем составляет

168с., включая 151с. основного текста, содержащего 137 рисунков и 8 таблиц, а также 8с. списка литературы из 75 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы ее цель и задачи, перечислены методы исследования, приведены положения научной новизны.

Первая глава посвящена обзору состояния и особенностей использования ЭКУ для перспективной ТПА дизелей. В штатной ТПА с механическим приводом плунжера и гидроуправляемой форсункой не осуществляется гибкое управление топливоподачей (максимальным давлением впрыскивания, углом опережения впрыскивания, характеристикой впрыскивания) в соответствии с режимами работы дизеля. В ходе развития ТПА осуществлены разные подходы к применению ЭМП электроуправляющих клапанов, в которые включены насос-форсунка с ЭКУ, HEUI (Hydraulically actuated Electronically controlled Unit Injection) с гидроуправляемой форсункой и усилителем давления, Common Rail, APCRS (Amplifier Piston Common Rail System), NGEUI (Next Generation electronically controlled Unit Injection) и UIS HD (Unit Injection System Heavy Duty). В этих аналогичных перспективных вариантах ТПА неизбежно применяются электроуправляемые клапаны, позволяющие осуществить гибкое независимое управление фазовыми и амплитудными параметрами впрыскивания.

Значительный вклад в развитие способов расчета, моделирования топливных систем дизелей был внесен трудами ученых СССР и России. Численное моделирование и оптимизация рабочего процесса ТПА позволяет резко ускорить и удешевить трудоемкий процесс, добиться лучших результатов благодаря анализу значительно большего числа варианта. Качество выполнения проектирования и оптимизации ТПА обусловливается достоверностью математических моделей. Они требуют совершенствования в соотношении математической модели. В области проектирования и оптимизации ТПА по сравнению с мировыми коммерческими программами российский профессиональный программный комплекс ПК «Впрыск», разработанный под руководством JI.B. Грехова построен на базе современных математических моделей. ПК «Впрыск» учитывает многие существенные в специфической сфере ТПА факторы, и позволяет усовершенствовать существующие модели. Совместное моделирование ПК «Впрыск» с ПК расчета рабочего процесса двигателей «Дизель PK», разработанным ученым A.C. Кулешовым позволяет исследовать влияние параметров ТПА на топливную экономичность и выбросы вредных веществ.

Вторая глава посвящена описанию базовых математических моделей топли-воподачи для решения сопряженных задач гидродинамики и нестационарных электромагнитных процессов. В ТПА для вязкой сжимаемой жидкости нестационарное течение в пренебрежении конвективными членами U-ди/дхи U-др/дх описывается традиционно в одномерной постановке:

уЕ г)эфф (-^пл СП1 бпл бкл

бг р дх (1)

др | р-аг/=0

ег с:г

где - плотность; х - продольная координата; г/ - скорость жидкости; К - дисси-пативный множитель. При начальных условиях ¿ = 0, р^,х) = р0, 11^,х) = ио на основе решения Д'Аламбера с учетом диссипации при помощи поправки Т.Ф.Кузнецова выражения:

Рх=Р0+Рх^-х/а)-е~^а-Жх=£[1-(Ь-х)/а]-е-к^,а

^ -^о + а-р

где а - скорость звука; ^ - значение прямой волны; - значение обратной волны; Ь - длина трубопровода. Граничные условия, описывающие процесс у ТНВД с ЭКУ (рис. 1):

¿Рт __1_

где Рщ, - давление над плунжером; У^ - суммарный объем надплунжерной полости; Д* - эффективный коэффициент сжимаемости с учетом податливости полости; /пл, / - площадь сечения плунжера, трубопровода; IIтр - скорость течения в

трубопроводе; сш - скорость движения плунжера ТНВД; , - расход утечек топлива через зазор плунжера ТНВД и разгружающий плунжер клапана ЭМП, (2м - расход топлива через клапанную щель.

Движение клапана описывается следующим образом:

= -Б ), (4)

, у V1 эм пружина гидрав/' 4 '

Ш т^ ,

где т1 - суммарная масса клапана; - усилие электромагнита; ^пружина - усилие пружины ЭМП; - суммарная сила гидравлических сопротивлений движению

клапана ЭМП. Имеет место сопротивление движению якоря со стороны топлива в рабочем зазоре ЭМП. При быстром изменении рабочего зазора возникает поперечное (радиальное) движение среды вдоль зазора; при уменьшении рабочего зазора среда течет к периферии, а при увеличении рабочего зазора - к центру (рис. 2). В малом рабочем зазоре ламинарное течение с малыми скоростями:

= (5)

дх2 Т}дг'

где г) - динамическая вязкость. Распределение давления топлива Р и гидравлическое сопротивление движению якоря ЭМП в малом зазоре описывается:

Р^гА^-г*), (6)

_ дг о

к

гидрав-1

{ 283 *л

(7)

Гидравлическое сопротивление движению клапана ЭМП со стороны зазора прецизионной пары, полученное в диссертации В.В. Фонова описывается выражением:

гидрав-2

=Чл [(1)'5л'кл • - ^ )+

(8)

где 77 - средняя эффективная вязкость по длине прецизионной пары. Суммарное гидравлическое сопротивление движению клапана ЭМП:

(9)

.С1 П"

' гидравл-1 гидравл-2 •

х:

к 5ч

с1'

7

Трубопровод

Г\

Плунжер ТНЕД

Рис. 1. Расчетная схема ТНВД с ЭКУ

Рис. 2. Схема распределения скорости и давления в зазоре клапана ЭМП

Для расчета нестационарных электромагнитных процессов ЭМП в ТПА предлагается использование прямого интегрирования по времени исходных дифференциальных уравнений в сопряжении с гидродинамическим расчетом. Уравнение для тока в цепи в нестационарном процессе управления ЭМП:

ей

=—[£—-\idt-iR

Л Г с{

.сИ,

"Л1'

^зазор ^ссрд

25

1 н

*серд ' Г серд

(10) (11)

^зазор ' /Аг ссрд ' ссрд

где / - ток; м> - количество витков намотки; 5 - рабочий зазор; /¿т - магнитная проницаемость топлива; 5серд - индукция в сердечнике; Ясерд - напряженность в сердечнике; /серд - длина по средней линии магнитопровода; Е - Э.Д.С источника;

Лактив - активное сопротивление; Ь - индуктивность; С - емкость импульсного конденсатора; 5 , 5 - площадь сечения рабочего зазора, магнитопровода; ,

•^серд " магнитное сопротивление зазора, сердечника. Описание намагничивания в ЭМП:

В-1-н>

серд серд

23 . /«РД'Я,

5ссрд - /(#ссрд)>

д..

■■В-а, Еш=Вг-Бт,//1г,

(12)

(13)

(14)

где а - коэффициент рассеяния. Следует отметить, что формула (13) является ключевой для решения вышеприведенных дифференциальных уравнений. Это соотношение посредством аппроксимирующего отношения искалось в форме наиболее простого, явного, адекватного аппроксимирующего выражения, которое бы базировалось на немногочисленных справочных данных (индукции насыщения В„, коэрцитивной силы Нс, остаточной индукции Вг или максимальной магнитной проницаемости Мтах)- в противном случае описать развернутые кривые намагничивания (статического гистерезиса) для широкого круга материалов не представляется возможным для рядовых пользователей (проектировщиков) ТПА. Из большого числа исследованных аппроксимирующих формул предлагается следующая формула (рис. 3):

в =

= 1-1ёс[я/яс+1], а для участка О - А. ; (15)

1-1Ёс[Я/Яс + 2] а для участка А - С

-18С["Я/Я0] а для участка С - Б (16)

^•1Вс[-я/яс+2]' а для участка Б - Е

1-1ес[я/яс] .а для участка Е - А

Если имеются справочные данные Вт(Нт), II с, Вг, то Ска:

\&(Ва/в,)/ 1В

а = 1вс(Ят/Я£)/вт.

1ё (Я т /Н е + 2)"

Если имеются справочные данные Вт(Нт), #с; ¿гтах, то С и а: В. . (1Е(Ят/Яс))с

1в(-

с =

■АН

,б(7Г+1)

в.

(17)

(18)

где АН - искусственная малая величина (дя«0,25ЯС). На рис. 4 иллюстрируется, что предлагаемая формула позволяет получить хорошее совпадение расчета с экспериментом для описания кривой намагничивания. ...

В.Тл

/ /

"с

си.

В.Тл го

1.5 1,0

Эксперимент А II- Кадочникова

/ Расчет

400 600

Н, А. ы

Рис. 3. Схема статического гистере- Рис. 4. Индукция в зависимости от зиса; затонирована основная об- напряженности для электротехниче-

ласть работы оптимизированного ской стали 3414 ЭМП в составе ТПА дизелей

В работе ЭМП ТПА идет нестационарный процесс, поэтому надо учитывать специфические нестационарные электромагнитные явления, т.е. так называемый динамический магнитный гистерезис. Динамический гистерезис учитывает не только статический гистерезис, а также потери с поворотом магнитных доменов и вихревыми токами. В нашей работе используется простое и адекватное полуэмпирическое описание важнейших нестационарных эффектов при перемагничивании, разработанное в Институте физики металлов УрО РАН А.И. Кадочниковым:

1 В1 (¿В 1 , йВ ,1(у.

Не{1) = Нст{В) + -^{т-г)~ +зГе,П2-—, (19)

где П - половина толщины ленты шихтованных пластин; Нст{В) - статическая петля перемагничивания; г - коэффициент магнитной вязкости; у - эквивалентная

удельная электропроводность материала; т - параметр, зависящий от состава и технологии изготовления. С помощью формул (16) и (19) при синусоидальном изменении индукции для электротехнической стали 3421 получено удовлетворительное совпадение расчета с экспериментом (рис. 5). Тестовая задача оправдала нашу математическую модель с учетом динамического гистерезиса.

В третьей главе проведены исследования влияния конструктивных параметров электромагнита, магнитных свойств сердечника, закона управления напряжением питания ЭМП. На рис. 6 и 7 показано, что в быстропротекающем ЭМП ТПА необходимо учесть специфичный динамический нестационарный электромагнитный процесс. Свойства магнитного материала Вт, НС,ВГ являются важными параметрами ЭМП. Магнитные свойства сердечника обусловливают характеристики работы ЭМП. На рис. 8 показано, что чем больше индукция насыщения, тем меньше время открытия клапана. Причина этого заключается в том, что повышение индукции насыщения приводит к росту максимального электромагнитного усилия, это ускоряет открытие клапана.

Расчет по (19) при 120 Гц

н, А'м

Рис. 5. Сравнение расчета для стали 342 Рис. 6. Магнитная.индукция в зависимо

с экспериментом

сти от напряженности

ф^. град

Рис. 7. Ход якоря ЭМП в зависимости Рис. 8. Время открытия клапана ЭМП в от угла поворота кулачка зависимости от индукции насыщения

ыс

На рис. 9 показано, что повышение Нс увеличивает время открытия клапана, замедляется его открытие. Это объясняется тем, что увеличение Нс уменьшает крутизну кривой намагничивания, что приводит к уменьшению усилия электромагнита еще в начале процесса (до достижения насыщения)^ На рис. 10 иллюстрируется, что увеличение Вг, с одной стороны, повышает быстроту открытия клапана, а с другой стороны, увеличивает остаточное усилие электромагнита, которое задерживает посадку клапана. В связи с этим, надо учитывать уровень остаточной индукции у. материала магнитопровода. На рис. 11 показано, что чем больше площадь сечения магнитопровода (8серд), тем больше усилие электромагнита, тем быстрее открытие клапана, но это значение ограничивается размером ЭМП. Для повышения быстроты открытия клапана чрез-

НсА'м

Рис. 9. Время открытия клапана ЭМП в зависимости от коэрцитивной силы для стали 3414

мерное значение 8серд оказывается неэффективной, но растут размеры электромаг-

нита.

0.5 1 1.5

Рис. 10. Усилие электромагнита в за- Рис. 11. Ход якоря ЭМП в функции от висимости от остаточной индукции площади сечения магнитопровода (мм )

Количество вйтков намотки (\у) одновременно влияет и на намагничивающую силу, и на скорость нарастания тока. На рис. 12 показано, что при фиксировании активного сопротивленйя с увеличением \\' время открытия клапана сначала уменьшается, а потом увеличивается. Это объясняется тем, что, с одной стороны, увеличение \у повышает индуктивность, это приводит к уменьшению скорости нарастания тока. С другой стороны, его увеличение повышает намагничивающую силу, это приводит к увеличению усилия электромагнита. В связи с этим, для ЭМП существует оптимальное количество витков намотки для осуществления наименьшего времени открытия клапана. Этот результат принципиально отличен от принципов проектирования электромагнитов, к которым не предъявляют жестких требований по быстродействию. Закон управления напряжением питания ЭМП существенно влияет на характеристику работы клапана, поэтому его исследование является очень важным (рис. 13).

Е

Е1

Е0

.(0 40 50 60 -0 ?0 90 100 110 120

I

ЕЗ

Рис. 12. Время открытия клапана в Рис. 13. Закон управления напряже-зависимости от V/ ' нием питания ЭМП

Введение предварительного напряжения (Е0) предназначено для повышения быстроты открытия клапана! На рис. 14 показано, что с увеличением Е0 быстрота открытия клапана улучшается. Роль Е0 заключается в том, что оно обеспечивает малое первоначальное значение тока, чтобы при подаче напряжения форсирования (Е1) клапан быстрее поднялся. Поведение Е1 должна повысить быстродействие от-

крытия клапана. Предварительное подмагничивание с помощью ЕО не используется и не обсуждается. Оно предлагается нами в качестве дополнительной меры для увеличения быстродействия ЭМП.

На рис. 15 показано, что с увеличением Е1 время открытия клапана уменьшается. Но при избыточном Е1 его рост уже мало приводит к ускорению открытия клапана. Это объясняется тем, что при чрезмерном Е1 сердечник электромагнита быстро достигает магнитного насыщения, в этом случае усилие электромагнита очень мало растет по времени. С одной стороны, малое Е1 не обеспечивает быстроту открытия клапана, а с другой стороны, большое Е1 мало положительно влияет

на время открытия клапана, поэтому существует целесообразное значение Е1.

^ мс

1,6

1.36

1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

100 120

140 160 Е1,В

Рис. 14. Время открытия клапана в зависимости от Е0

Рис. 15. Время открытия клапана в зависимости от напряжения форсирования Е1

В ТПА с ЭМП требуемая необходимая подача топлива определяется продолжительностью удержания клапана в положении максимального хода. На рис. 16 показано, что с ростом напряжения удержания (Е2) продолжительность удержания клапана на максимальном подъеме сначала увеличивается, а после Е2 = 24 В не изменяется в зависимости от Е2. Причина этого заключается в том, что при нахождении якоря на максимальном подъеме существует минимальный ток удержания (минимальное Е2). Это минимальное напряжение вызывает достаточное усилие электромагнита для того, чтобы поддерживать якорь на максимальном подъеме. Малое Е2 не обеспечивает нормальную работу клапана, а большое Е2 оказывается неоправданным, поэтому мы стремились найти и использовать это минимальное Е2 для обеспечения нормальной работы электромагнита.

Роль напряжения размагничивания (ЕЗ) заключается в ускорении посадки клапана путем обнуления намагничивающей силы. На рис. 17 видно, что с увеличением ЕЗ время закрытия клапана сначала уменьшается, а потом увеличивается. Это объясняется тем, что в начале роста ЕЗ оно быстрее размагничивает сердечник электромагнита, что приводит к повышению быстроты закрытия клапана. При большом ЕЗ после снижения усилия электромагнита до нуля в электромагните образуется новое усилие электромагнита (обратного знака индукции, но того же знака силы ЭМП), противодействующее отходу якоря в исходное положение. Так, при излишне большом ЕЗ возникает вторичный подъем якоря (например, Е3= 30 В).

Рис. 16. Ход якоря ЭМП в зависимо- Рис. 17. Время закрытия клапана в сти от напряжения удержания Е2 зависимости от ЕЗ

В четвертой главе исследованы параметры конструкции ТПА, закона управления напряжением питания ЭМП при помощи созданных математических моделей для тепловозного дизеля Д50 в целях улучшения его экологических и экономических показателей. На рис. 18 показано, что уменьшение мертвого объема над-плунжерной полости ТНВД приводит к повышению Р™х. Из этого следует желательность сокращения этого объема до допустимого по условиям технологии. В ТНВД с ЭМП максимальное усилие электромагнита () существенно влияет на время открытия клапана. На рис. 19 показано, что при увеличении^э"ах от 133 до 300 Н повышается за счет ускорения срабатывания ЭМП, а после/^ах = 300 Н

положительный эффект повышения быстроты открытия клапана малозаметен. Клапан возвращается к исходному положению за счет пружины. Поэтому с целью повышения быстродействия посадки клапана, выбираем большое усилие пружины, это требует большее усилие электромагнита. В результате исследований выбрано

Рис. 18. в зависимости от мерт- Рис. 19. Р™х в зависимости от мак-вого объема надплунжерной полости симального усилия электромагнита

При малом максимальном ходе клапана велики гидравлические потери в клапане, в ТНВД с клапанным управлением это увеличивает продолжительность

впрыскивания и уменьшает давление впрыскивания. При излишнем большом ходе клапана быстродействие клапана ухудшается. Для подбора значения максимального хода клапана организован расчет наполнения с учетом кинематики и заднего профиля кулачка, условий образования газовой фазы в плунжерной полости (т.е. многократный счет цикла ТНВД при фтнвд= 0...3600). Критерием совершения принимается нулевое газосодержание топлива к моменту начала нагнетания. Лучшем же условием наполнения, как принято в гидравлических насосах, является условие невозникновения газовой фазы по всему времени наполнения. В данном случае обосновано рациональное значение максимального хода клапана - 0,3 мм (рис. 20).

На рис. 21 показано, что при = 45 наблюдается наибольшее Р™". Изменение уу приводит к изменению времени открытия клапана, как иллюстрировалось на рис. 12. Скорость открытия клапана, обусловленная индуктивностью ЭМП, также влияет и на показатели топливоподачи: чем быстрее открытие клапана, тем меньше продолжительность топливоподачи и больше давление впрыскивания. При уменьшении диаметра трубопровода гидравлические потери растут, а при увеличении диаметра трубопровода усиливается негативное влияние сжимаемости топлива. На рис. 22 показано, что на номинале наблюдается максимум при диаметре трубопровода, равном 2,2 мм. Для частичных режимов, холостого хода, желателен трубопровод с еще меньшим диаметром. Из соображения обеспечения качества распыливания топлива и достаточного Р™х принимаем рациональное значение диаметра трубопровода 2,5 мм.

„МПа

0,1 0,15 0.2 0,25 0,3 0,35 Максимальный ход клал;

0,4

клапана, мм

30 35 40 45 50 55 60 65 70

Рис. 20. Среднее давление впрыскива- рИС- 21. в зависимости от количе-ния в зависимости от максимального ства витков намотки хода клапана ЭМП

На рис. 23 показано, что с ростом Е0 максимальное давление впрыскивания увеличивается. Предложенный нами способ улучшения работы ЭМП с помощью Е0 обеспечивает повышение быстроты открытия клапана. Без перегрузки электрической цепи и недопущения преждевременного открытия клапана подобрано целесообразное значение Е0 = 20 В. На рис. 24 показано, что чем выше Е1, тем выше усилие электромагнита, тем быстрее открытие клапана. Из-за наличия индукции насыщения чрезмерное значение Е1 оказывается неэффективным, поэтому здесь

выбрано оптимальное значение Е1 = 60 В. На рис. 25 показано, что при увеличении Е2 от 0 до 14 В Р™х сначала повышается, а после Е2 = 5 В его повышение уже не приводит к изменению поведения клапана. Причина этого заключается в наличии минимального тока удержания, достаточного для поддержания клапана на максимальном подъеме. При меньшем токе давление впрыскивания падает, при большем токе топливоподача не улучшается, но перегружается электрическая цепь.

/'впр, МПа

129 128 127 126 125 124

............... VL.J

..............

0

10

13 ЕО.В20

Рис. 22. Среднее давление впрыскивания Рис 23. Р™х в зависимости от пред-в зависимости от диаметра трубопровода

варительного напряжения Е0

Из рис. 26 видно, что при повышении ЕЗ среднее давление впрыскивания немного увеличивается, а после ЕЗ = 20 В давление впрыскивания быстро падает. Причина этого заключается в том, что при ЕЗ > 18В происходит вторичный подъем клапана после удачной посадки, что иллюстрируется на рис. 27. Это явление неуправляемое, надо предотвращать его возникновение.

Рвд, МПа 130

so „ „100 Е1.В

Рис. 24. в зависимости от Е1

О 2 4 6 8 10 12 14

Е2.В

Рис. 25. Рв™х в зависимости от Е2

С использованием расчетной оптимизации велась работа по подготовке двух проектов ТПА с ЭМП. Один под условным названием «ТПА с всесторонней оптимизацией» был создан в соответствии с требованиями организации рабочего процесса по критерию выполнения строгого экологического норматива EU Stage IIIB. Этот проект реализован в виде ТНВД на ОАО "Волгодизельаппарат" и в настоящее время подготовлен к испытаниям.

•do™. "С 1

.....г--Среднее Явление -

^•ч! впрыскивай га

Вре^^акрьгпи "7

клпппнл

.МПа

SS

s«

S4

s: so ■s "6 ■4

lu ыы

0..15

O.ä

o.: 0.1!1 0.1 0.05

о

45 50 Фч».П>-1Д

Рис. 26. Среднее давление впрыскива- Рис. 27. Ход якоря в зависимости от ния и время закрытия клапана в зави- угла поворота кулачка при разных симости от ЕЗ ЕЗ

Второй проект под условным названием «ТПА с максимальной унификацией после оптимизации» рассматривался с учетом сохранения штатных картера привода насосных секций ТНВД, штатной форсунки и имел цель снижения расхода топлива, выполнения экологического норматива ГОСТ 51249-99 и нацеливался на скорейшую реализацию. Приоритет этой реализации принадлежит ООО ППП "Ди-зельавтоматика". Эти проекты готовились по заказу или в сотрудничестве с ОАО "Пензадизельмаш" и ООО ППП "Дизельавтоматика". Участие автора заключалось в выполнении расчетно-аналитических работ, положенных в основу проектов новой ТПА.

В результате работы выявлено, что ТПА с максимальной унификацией после оптимизации обеспечивает требуемое Р™*" на всех режимах работы с позиции организации рабочего процесса (рис. 28). ТПА с всесторонней оптимизацией позволяет приблизиться к требованию рабочего процесса максимальному давлению впрыскивания в целях выполнения норматива EU Stage HIB (рис. 29). Требуемое максимальное давление впрыскивания обосновано в работах МГТУ им Н.Э. Баумана по оптимизации дизеля Д50 по критерию улучшения экономических экологических показателей работы по заказу ОАО "Пензадизельмаш".

/Vil> , МПа

160----

— ТПА с максим.униф.после

300 350 400 450 500 550 600 650 700 75(j

п, мин"

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750

п, мин"

Рис. 28. в зависимости от частоты Рис. 29. Р™* в зависимости от частоты

вращения коленчатого вала

вращения коленчатого вала

"Штатная ТПА (экспср.)

- "Дизельавтоматика" (экспер.)

-ТПА с максим.унифиц.после оптим.( расчет) ~

— ТПА с всесторон.оптим.(расчет)

Вследствие трудности быстрой реализации ТПА с всесторонней оптимизацией ООО ППП "Дизельавтоматика" была изготовлена ТПА с максимальной унификацией. Силами ОАО "Пензадизельмаш" и ООО ППП "Дизельавтоматика" проведены испытания. На рис. 30 иллюстрируется, что по сравнению со штатной ТПА

максимальная унифицированная ТПА "ППП Дизельавтоматика" обеспечивает снижение расхода топлива на всех режимах работы. Планируется, что подготовленный по нашему проекту ТНВД «ТПА с всесторонней оптимизацией» позволит получить дополнительные результаты, как по топливной экономичности, так и по снижению вредных веществ. Как прогноз, на рис. 31 и 32 показаны расчетные результаты, получен-Рис. 30. Расход топлива по тепловоз- ные с помощью ПК «Дизель РК». Так,

ной характеристике Д50 выбросы оксидов азота по тепловозной

характеристике заметно снижаются без роста выбросов твердых частиц.

~ Т I---1---|""Т""Г"

!!!!!!. ТПА с всесторон.оптим.

ТПА с максим.униф.после оптим.--1

Штатная ТПА

- Штатная ТПА --1---Т

-ТПА с максим.униф.после отпим. ' ' --1---1

-ТПЛ с всесторон.отпим. | |

300 350 400 450 500 550 600 650

РМ, г/кВт.ч 2,4 г--, 1

2 1 ~

1,6 -•-

1,2 -V- —1 -

0,8 —1 -

0,4 -

0 1 1

I

-I---1-

I I -I---1-

■Ь-

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 ,

п, мин"

Рис. 31. Выбросы Ж)х по тепловозной Рис. 32. Выбросы твердых частиц по теп-характеристике ловозной характеристике

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Для описания магнитного насыщения магнитомягких материалов и статического гистерезиса удается использовать простые аппроксимации на основе логарифмической функции и трех из четырех возможных справочных величин.

2. Модель вязкого течения топлива в рабочем зазоре ЭМП позволяет рассчитывать сопротивление его движению, а в сопряжении с расчетом электромагнитного процесса - оптимизировать параметры и режимы ЭМП.

3. Для описания ЭМП ТПА использованы результаты исследований Института физики металлов УрО РАН. Доказано, что для условий ТПА процесс перемагни-чивания сильно зависит от вихревых токов, магнитной вязкости, частоты.

4. Предложена и проверена математическая модель ЭМП ТПА, отличающаяся корректным учетом нестационарных электромагнитных процессов. Достаточная

простота и малые затраты времени счета позволили встроить ее в гидродинамический расчет топливоподачи и обеспечили решение сопряженных задач.

5. При помощи усовершенствованной математической модели с учетом динамического гистерезиса проведена оптимизация параметров ЭМП ТПА для дизеля Д50. В целях обеспечения наибольшего быстродействия клапана выявлены оптимальные конструктивные параметры ЭМП: количество витков намотки, размеры магнитопровода, минимальный рабочий зазор, максимальный ход якоря и др., а также определено минимально необходимое усилие электромагнита.

6. Выявлено, что для ускорения срабатывания клапана существует резерв в использовании предварительного напряжения намагничивания и определена величина его рационального значения, а также определены оптимальные параметры форсирования, минимального напряжения удержания, размагничивания.

7. Выявлено, что в целях повышения быстродействия клапана следует искать магнитомягкие материалы с наибольшей Вт, наименьшей Нс, и целесообразным значением Вг.

8. Для исследуемой ТПА дизеля Д50 определены оптимальные значения конструктивных, режимных и регулировочных параметров для обеспечения различной степени интенсификации впрыскивания (по критерию снижения расхода топлива или выполнения перспективных нормативных выбросов вредных веществ). Соответственно, максимальное давление впрыскивания для номинального режима близок к 150 и 196,6 МПа.

9. Проекты двух вариантов ТПА продемонстрировали свою эффективность: снижение расхода топлива до 18% (достигнутый уровень) а также без роста выбросов РМ уменьшение выбросов NOx от 3,5% до 79,5% (ожидаемые расчетные результаты).

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Грехов JI.B., Чжао Цзяньхуэй. Математическая модель электромагнитного процесса в быстродействующем приводе клапанов топливных систем двигателей внутреннего сгорания с электронным управлением // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2011. Специальный выпуск. С. 89-96.

2. Грехов JI.B., Чжао Цзяньхуэй. Методика расчета процессов в приводе управляющих клапанов топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания с электронным управлением // Известия вузов. Машиностроение. 2012. №6. С. 46-51.

3. Расчетные исследования электронной системы управления топливоподачей дизеля / Акимов B.C., Чжао Ц., Фурман В.В. [и др.] // Грузовик. 2012. №11. С. 21-27.

4. Иващенко H.A., Грехов Л.В., Чжао Цзяньхуэй. Методика расчета быстродействующего привода управляющего клапана топливоподающей аппаратуры // Двигатели внутреннего сгорания (Украина). 2012. №1. С. 65-69.

5. Грехов JI.B., Чжао Цзяньхуэй. Оптимизация параметров быстродействующего электромагнитного привода топливоподающей аппаратуры с учетом динамического магнитного гистерезиса // Решение энерго-экологических проблем в автотранспортном комплексе: Материалы доклада международной научно-технической конференции 6-е Луканинские чтения. М., 2013. С. 72-73.

Подписано в печать:

27.02.2013

Заказ № 8202 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499)788-78-56 wvvw.autoreferat.ru

московским государственный техническим университет

им. н.э. баумана

04201355012

На правах рукописи удк 621.436

Чжао Цзяньхуэй

СОЗДАНИЕ ТОПЛИВОПОДАЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ С ЭЛЕКТРОКЛАПАННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ

ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ 05.04.02-Тепловые двигатели

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Грехов Л.В.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ...............5

ВВЕДЕНИЕ................................................................................8

1. ПРОБЛЕМА РАЗРАБОТКИ ТОП ЛИВ ОПО ДАЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДИЗЕЛЕЙ........................12

1.1. Обзор современных и перспективных топливоподающих аппаратур дизелей....................................................................12

1.2. Значение и особенности работы топливоподающей

аппаратуры в решении задач снижения токсичных выбросов................18

1.3. Обоснование необходимости исследования электромагнитного привода и совершенствования его

расчетной математической модели........................................................23

1.4. Создание и оптимизация рабочего процесса и топливоподающей аппаратуры с использованием математического моделирования..........27

1.5. Постановка цели и задач исследования.....................................29

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТОПЛИВОПОДАЧИ

В СОВРЕМЕННЫХ ТОПЛИВОПОДАЮЩИХ АППАРАТУРАХ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПРИВОДОМ..............................................30

2.1. Краткая информация о базовой программной среде для расчетов топливоподачи..........................................................................30

2.2. Базовая математическая модель топливоподачи, используемая

при проведении расчетных исследований.......................................34

2.3. Расчет гидродинамического процесса в зазоре прецизионной пары клапана электромагнитного привода............................................39

2.4. Расчет гидродинамического процесса в рабочем зазоре клапана электромагнитного привода........................................................43

2.5. Расчет нестационарных электромагнитных процессов

в быстродействующем электромагнитом приводе............................45

Стр.

2.6. Описание кривых статического магнитного гистерезиса для нужд расчета электромагнитного привода

топливоподающей аппаратуры...................................................48

2.7. Расчет нестационарного электромагнитного привода

с учетом динамического гистерезиса............................................55

2.8. Сравнительное исследование в целях обоснования предлагаемой формулы перемагничивания.....................................58

2.9. Выводы по главе 2.............................................................65

3. РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА ТОПЛИВОПОДАЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ.....................67

3.1. Расчетное исследование с целью сравнения статического

и динамического гистерезиса.......................................................67

3.2. Расчетное исследование при проектировании

электромагнитного привода топливоподающей аппаратуры................70

3.3. Исследование разных законов управления напряжением

питания для электромагнитного клапана........................................100

3.4. Выводы по главе 3............................................................106

4. СОЗДАНИЕ ТОПЛИВНОГО НАСОСА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ЭЛЕКТРОКЛАПАННЫМ УПРВАЛЕНИЕМ

ДЛЯ ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ................................................108

4.1. Обоснование определения параметров топливоподающей аппаратуры в целях улучшения показателей дизеля Д50

по тепловозной характеристике..................................................108

4.2. Обоснование необходимости применения электроклапанного управления в топливоподающей аппаратуре дизеля Д50....................114

4.3. Создание топливоподающей аппаратуры с электроклапанным управлением с всесторонней оптимизацией для дизеля Д50...............117

Стр.

4.4. Проектирование топливоподающей аппаратуры с электроклапанным управлением с максимальной унификацией

для дизеля Д50.......................................................................129

4.5. Выводы по главе 4.............................................................158

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..............................................................161

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................162

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

Условные обозначения

р - давление; и - скорость жидкости; р - плотность жидкости;

/?™х - максимальное давление впрыскивания;

^ореп " вРемя открытия клапана;

й?тр - диаметр трубопровода;

Упл - суммарный объем надплунжерной полости;

рпл - давление над плунжером;

/ - площадь сечения нагнетательного трубопровода;

итр - скорость течения жидкости в нагнетательном трубопроводе;

^кл - скорость движения клапана;

- расход утечек топлива через зазор плунжера ТНВД;

- расход утечек через разгружающий плунжер клапана ЭМП; бкл - расход топлива через клапанную щель ЭМП;

/?пл ^ " эффективный коэффициент сжимаемости;

- суммарная масса клапана;

- электромагнитное усилие; ^пружина - усилие пружины ЭМП;

^гидрав " суммарная сила гидравлических сопротивлений движению клапана; с1кп, Ьш, скл - диаметр, длина уплотняющей части, скорость клапана; Ркл, Р0 - давление в полости клапана ЭМП, атмосферное давление; г - ток;

- количество витков намотки; 8 - рабочий зазор;

/ит - магнитная проницаемость топлива;

5серд - индукция в сердечнике;

Нсерд - напряженность в сердечнике;

/серд - длина по средней линии магнитопровода;

Е - Э.Д.С источника;

актив - активное сопротивление; Ь - индуктивность;

С - емкость импульсного конденсатора; ¿>зазоР - площадь сечения рабочего зазора;

5 - площадь сечения магнитопровода;

О - коэффициент рассеяния; с/пров - диаметр провода в катушке;

1)сред - средний диаметр катушки;

£т1п - остаточный зазор клапана;

к - текущий ход якоря ЭМП;

/гтах - максимальный ход якоря ЭМП:

Вт - индукция насыщения;

Вг. - остаточная индукция;

Нс. - коэрцитивная сила;

//тах - максимальная магнитная проницаемость;

П - половина толщины ленты шихтованных пластин;

уес] -эквивалентная удельная электропроводность магнитного материала;

г - коэффициент магнитной вязкости; Е1 - напряжение форсирования; Е2 - напряжение удержания; ЕЗ - напряжение размагничивания.

Сокращения

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

ТПА - топливоподающая аппаратура;

ТНВД - топливный насос высокого давления;

ЭКУ - электроклапанное управление;

ЭМП - электромагнитный привод;

УОВ - угол опережения впрыскивания;

ОГ - отработавшие газы. КС - камера сгорания.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время экономические и экологические показатели работы являются наиболее важными при совершенствовании двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Применение и развитие топливоподающей аппаратуры (ТПА) с электромагнитным приводом (ЭМП) позволяет гибко управлять углом опережения впрыскивания (УОВ), формировать внешнюю скоростную характеристику, в некоторых системах - управлять давлением и характеристикой впрыскивания. При проектировании ТПА с ЭМП всесторонняя ее оптимизация позволяет снижению времени срабатывания исполнительного механизма - быстродействующего ЭМП управляющего клапана. Это позволяет повышать точность топливоподачи, организовывать многоразовое впрыскивание, обеспечивать минимум образования крупных капель и др.

По сравнению с экспериментом численное моделирование и оптимизация ТПА с ЭМП позволяют резко ускорить и удешевить трудоемкий процесс. При этом адекватность математической модели представляется ключевой при ведении моделирования. При моделировании ТПА с ЭМП надо учитывать развитие нестационарного процесса в электрических цепях, быстрое пе-ремагничивание материалов, магнитные свойства сердечника электромагнита, гидродинамическое сопротивление в зазоре и в малом рабочем зазоре якоря ЭМП. Эти параметры взаимно связаны друг с другом, поэтому требуют решения сопряженной гидромеханической и электромагнитной задачи. Таким образом, обеспечивается адекватность математической модели. В опубликованных научных работах для расчета ТПА с ЭМП не учитывается гидродинамическое сопротивление рабочего зазора ЭМП, статический и динамический гистерезис, применяется формула в виде сплайна или многочленного полинома с учетом статического гистерезиса, не имеющая возможностей использования ее ввиду отсутствия необходимых экспериментальных данных.

Вышеперечисленные подходы приводят к ошибкам при расчете работы ТПА с ЭМП. Кроме этого, следует отметить, что в настоящее время сущест-

вующие многочисленные методы проектирования статических электромагнитов, которые для быстродействующих исполнительных устройств ТПА дизелей высокооборотных дизелей непригодны. Поэтому при расчете ТПА дизелей игнорирование влияния динамического гистерезиса, иными словами, без учета вихревых токов и поворота магнитных доменов, оказывается не корректным. Использование уточненной математической модели для расчета нестационарных электрических и магнитных процессов в быстродействующем ЭМП ТПА позволяет решить задачи о работе быстродействующего ЭМП в сопряженной задаче гидродинамики в малых зазорах и электромагнитных процессов. Такой подход не только делает моделирование более корректным, но и является единственным средством поиска оптимума при противоречивом действии на поведение ТПА различных, но связанных параметров.

В связи с этим, использование уточненной математической модели позволяет исследовать и оптимизировать конструктивные параметры ЭМП, магнитные свойства материалов, закон управления напряжением питания ЭМП и др. Таким образом, удается спроектировать новую ТПА с ЭМП, подтвердившую возможность улучшения показателей ТПА и дизеля.

Цель работы состоит в создании ТПА нового поколения для перспективных транспортных двигателей.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе ставятся и решаются следующие задачи:

1. Анализ основных направлений совершенствования ТПА, обосновывающих необходимость разработки типа ТПА с ЭМП с целью создания транспортных дизелей с уменьшенным расходом топлива и выбросом вредных веществ.

2. Создание простой и достоверной математической модели ЭМП управляющих клапанов ТПА.

3. Проверка математической модели ЭМП по экспериментальным данным.

4. Создание математической модели топливоподачи с учетом нестационарности процессов на основе решения сопряженной задачи гидродинамики и электромагнитных процессов.

5. Создание новой ТПА с ЭМП в целях улучшения экономических и экологических показателей работы дизелей.

Научная новизна работы заключается:

1. В предложении аппроксимирующих соотношений для описания магнитного насыщения и статического гистерезиса магнитомягких материалов на основе трех из четырех возможных справочных величин.

2. В предложении математической модели ЭМП ТПА, отличающейся корректным учетом нестационарных электромагнитных процессов.

3. В предложении математической модели сопротивления движению якоря со стороны поперечного вязкого движения топлива в зазоре ЭМП.

4. В осуществлении сопряженного решения задачи о гидродинамических и электромагнитных процессах в ЭМП ТПА для двигателей.

5. В обосновании важности учета нестационарных электрических и магнитных явлений для анализа ТПА дизелей с электронным управлением, в т.ч. динамического гистерезиса материалов ЭМП.

6. В получении новых результатов, описывающих поведение ТПА с электронным управлением и наличие оптимальных значений ее параметров.

Методы исследования. Для выполнения поставленных задач используется численное моделирование. Расчеты выполняются с использованием созданных автором программ для расчета электромагнитных и гидромеханических процессов в ЭМП в программном комплексе «Впрыск», а также с использованием ПК «Дизель РК». Известные и вновь полученные экспериментальные данные использовались для проверки моделей и расчетных результатов.

Достоверность и обоснованность научных положений работы обусловливаются: использованием общих уравнений для описания

механических, гидродинамических, электрических и магнитных явлений; совпадением расчетных результатов с опубликованными экспериментальными данными; согласованием полученных частных результатов с известными.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Подготовлена компьютерная программа для описания работы быстродействующего ЭМП и ТПА с электронным управлением с использованием созданных математических моделей.

2. Выявлены оптимальные значения характеристик управления ЭМП, обоснована целесообразность предварительного намагничивания.

3. Выявлены оптимальные значения конструктивных параметров ЭМП и ТПА с электронным управлением.

4. Созданы два проекта ТПА с ЭМП: ТПА с всесторонней оптимизацией и ТПА с максимальной унификацией со штатными приводом плунжера ТНВД и форсункой.

Апробация. Основные результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях и семинарах: XVII международный конгресс двигателестроителей (Украина, пос. Рыбачье, 2012); Международная научно-техническая конференция «6-е Луканинские чтения. Решение энерго-экологических проблем в автотранспортном комплексе» (Москва, 2013); Научный семинар «Чтения академика Васхнил В.Н. Болтинского» (Москва, МГАУ имени В.П. Горячкина, 2013); Всероссийский научно-технический семинар « ВНТС по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работы, из них 3 в изданиях по списку ВАК.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА РАЗРАБОТКИ ТОПЛИВОПОДАЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

1.1. Обзор современных и перспективных топливоподающих

аппаратур дизелей

Топливоподающая аппаратура (ТПА) с гидроуправляемой форсункой и механическим плунжерным приводом являются наиболее распространенной. Эта штатная ТПА конструктивно осуществляется в виде многоплунжерного топливного насоса высокого давления (ТНВД), распределительного ТНВД или насос-форсунки. В штатной ТПА цикловая подача топлива изменяется за счет переменного активного хода плунжера. При перекрытии верхней кромкой впускного окна начинается сжимание топлива, при открытии нижней кромкой выпускного окна происходит вытекание топлива из надплунжерной полости. Управление штатной ТПА осуществляется использованием механического центробежного регулятора частоты вращения в большинстве режимов работы. Штатная ТПА с электроклапанным управлением (ЭКУ) позволяет значительно улучшить показатели работы ТПА [1,2].

Преимущества ТПА с ЭКУ заключаются в том, что такая ТПА позволяет гибко изменять угол опережения впрыскивания (УОВ), формировать внешнюю скоростную характеристику, в некоторых системах -управлять давлением и характеристикой впрыскивания, обеспечить минимальную неравномерность подачи по цилиндрам, проводить двухразовое или многоразовое впрыскивание.

Современный дизель рабочим объемом цилиндра 1...2 л распространенно использует индивидуальный ТНВД или насос-форсунку с ЭКУ [3 ... 5]. В качестве дозирующего устройства ТНВД применение ЭКУ позволяет повысить эффективность управления фазовыми параметрами

впрыскивания по сравнению с традиционной ТПА [6, 7]. Насос-форсунка с ЭКУ обладает своим достоинством по управлению параметрами впрыскивания. За счет меньшего объема линий высокого давления насос-форсунка быстрее реагирует на управляющие сигналы ЭКУ, чем форсунка соединяется с насосной секцией посредством нагнетательного трубопровода. При работе насоса-форсунки вследствие отсутствия нагнетательного трубопровода волновые явления в топливном проводе незначительны, поэтому расчет ее рабочего процесса можно проводить с приемлемой точностью. По сравнению со индивидуальным ТНВД большая сложность применения насос-форсунки обусловлена необходимостью разработки блока и головки цилиндров дизеля. Это требует применения усиленных деталей и повышает значительные материальные затраты.

Для всех модернизированных ТПА реализуются автоматические функции воздействия на амплитудные параметры впрыскивания. Его применение является неизбежным способом для эффективного управления интенсивностью впрыскивания топлива в ТПА с механическим приводом плунжера ТНВД. Электрический сигнал определяет этот электромагнитный дозирующий клапан.

Компании «Navistar» и «Caterpillar» совместно выпустили ТПА типа HEUI (Hydraulically actuated Electronically controlled Unit Injection). В настоящее время уже несколько миллионов дизелей разных размерностей и назначения применяют ТПА типа HEUI. Гидроуправляемая форсунка и мультипликатор давления (усилитель давления) составляют ТПА типа HEUI (рис. 1.1). Мультипликатор давления является основным элементом ТПА типа HEUI, который представляет собой две прецизионные плунжерные пары со связанными плунжерами разных диаметров.

В ТПА типа HEUI коэффициент мультипликации находится в пределах от 5 до 7. Это позволяет при давлении питания мультипликатора всего порядка 20 МПа добиться максимального давления впрыскивания до 135

МПа. В дальнейшем, при незначительном повышении давления питания максимальное давление впрыскивани�