автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Улучшение показателей топливной аппаратуры с удвоенной скоростью вращения кулачкового вала и электронным управлением

РГ5

ил

п

193'!

.МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО - ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ФЕДОРОВСКИЙ Александр Борисович

УЛУЧШЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ С УДВОЕННОЙ СКОРОСТЬЮ ВРАЩЕНИЯ КУЛАЧКОВОГО ВАЛА И ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

(05.04.02 - Тепловые двигатели)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА

Работа выполнена на кафедре автотракторных двигателей Московского государственного автомобильно-дорожного . института (технического университета).

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Голубков J1.H.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Кутовой В.А.

- кандидат технических наук Калашников A.C.

Ведущая организация - НАМИ

Защита состоится /биюи-з 1994 г. в 10 часов на заседании специализи рованного совета К 053.30.09 ВАК РФ при Московском государственно» автомобильно-дорожном институте (техническом университете) по адресу 125829, ГСП-47, Москва, А-319, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверснно( печатью организации, просим направлять в адрес специализированного совета.

Автореферат разослан 1994 г.

Телефон для справок 155 - 03 - 28

Ученый секретарь

специализированного совета ■

кандидат технических наук,

профессор Власов В.М.

Если Вы купили недорогой и хороший компьютер, значит Вы купили его в фирме

CORPORATION

W<&G4ZB3LgK - МОСКЖЖ

Судите сами I

I ПРОЦЕССОР | ТАКТОВАЯ I ЧАСТОТА КЕШ ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ 1 ЖЕСТКИИ ДИСК СТОИМОСТЬ | (с сопроцессором) В USD 9 * В

|згб SX ■ 33 2 170 915 К

|383 DX-40 12S 4 170 1050 |

§4(6 DX • 33 256 4 210 1400 В

Р 48F DX2- 66 258 4 250 1Б50 В

а СОСТАВЕ ВСЕХ КОМПЬЮТЕРОВ : МЫШЬ 3 КНОПКИ; 2 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПОРТА /1 ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ; ДИСКОВОДЫ 1.44+1.2; МОНИТОР SVGA /ЗЕРНО 0391 КАРТА 256 Кбл&т; КЛ АВИАТУРА РУСЛ ЛАТ. -101 КЛАВШИХ

ГАРАНТИЙНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ -12 МЕСЯЦЕВ входит в стоимость компьютера Ш

Звоните: 456-73-42,456-65-20. Факс: 456-35- 75 Приезжайте: Москва, Сенежская jjl, дом 1/9. метро "Вод ный стадион"

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

C,Cr,CD - скорость движения топлива, то же на радиусе г и диаметре D; а - скорость звука; D - наружный диаметр клапана; d,dT,dTM - внутренний диаметр седла; топливопровода и моделирующего топливопровода; F(t),W(t) - прямая и обратная волны давления; F,Fnp,F3 - сила, сила пружины, сила залипания; ir - площадь топливопровода (в свету); J - удельный импульс удара; К - фактор гидравлического сопротивления; Км - коэффициент молекулярного сцепления; L - длина топливопровода; шк - масса подвижных частей клапана; п - частота зращения кулачкового вала насоса; Р,Р),Р2 - текущие значения давления топлива; Р0 - остаточное давление; ДР - перепад давления; Pj - вероятность ¡алиаания; г - произвольный радиус клапана; S - площадь посадочной площадки <дапана; t - время; Vp,V0CT - объем разгрузки, остаточный свободный объем; /K,V3MKp - объем камеры и полный объем распределителя; Vnoc - скорость юсадки клапана на седло; X - текущее значение абсциссы; Qu - цикловая 110-1ача; ак - коэффициент сжимаемости топлива; Д - полный ход клапана; 6Х - знание межцилиндровой неравномерности топливоподачи; е0 - объемное удержание газовой фазы; ф - угол поворота кулачкового вала, насоса; (ц!) - эк-щвалонтное проходное сечение клапана; р - плотность топлива; тр - время ¡агитационного разрушения катушки электромагнита.

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АСНИ - автоматизированная система научных исследований; ЛВД - линия 1ысокого давления; МНТ - межцилиндровая неравномерность топливоподачи; ШЗ - предпосадочный зазор; ТА. - топливная аппаратура; ТНВД - топливный iacoc высокого давления; ТС - топливная система; ТС-2п - топливная система с ■двоенной частотой вращения; ЭМ - электромагнит; ЭМКР - электромагнитный лапанный распределитель; ЭСУ - электронная система управления,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее десятилетие-развитие автомобильного изелестроения в большей степени стало определяться законодательными юрмами на дымность, токсичность отработавших газов, уровень шума и тремлением к повышению топливной экономичности.

Все это ставит новые сложные задачи перед дизелестроением.

Предполагается, что основным средством решения этих задач, особенно в словиях повышения давления наддува, является улучшение' процесса месеобразсвания путем сокращения • продолжительности подачи топлийа, -одбора соответствующей дальности проникновения топливных струй и лучшения качества распиливания вследствие увеличения давления прыскивания топлива.

Для обеспечения высоких показателей дизеля необходимо высокое качество управления топливоподачей. Требуется учитывать все большее число различных факторов и осуществлять управление топливоподачей на различных режимах по все более сложным законам. . Современные механические регуляторы не в состоянии удовлетворить эти требования в полной мере. Поэтому дальнейшее развитие не мыслимо без применения электроники.

Одним из перспективных направлений развития топливных систем является.топливная аппаратура с удвоенной скоростью вращения кулачкового вала насоп и электронным управлением (типа ТС-2п).

Совершенствование топливных систем требует проведения трудоёмкой и сложной исследовательской работы. Поэтому представляется актуальной разработка специализированной системы научных исследований топливной аппаратуры дизелей на базе отечественной вычислительной техники.

Цель работы; Исследование Путей .,лучшения показателей двигателей путем дальнейшего совершелствования топливных систем типа ТС-2п; конструкции распределителя и электронной системы управления. Определение влияния параметров ТС-2п на показатели дизеля.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились по. методикам и- программам, разработанным автором с использованием современной вычислительной техники. Экспериментальные исследования проводились как на безмоторных стендах в МАДИ, так и на полноразмерных дизелях. КамАЗ. Безмоторные испытания проводились с использованием разработанной с участием автора АСНИ ТА на стендах Моторпал, Bosch и Хартридж. Кроме стандартных методик и устройств применялись разработанные автором методика вероятностных оценок залипания, датчик частоты вращения и датчик подъема иглы форсунки.

Научная ' новизна. Предложена Новая методика моделирования процессов в электромагнитном клапанном распределителе (ЭМКР). с предпосадочными зазорами. Метод гидродинамического расчета ТА дополнен учетом конструктивных особенностей ТС-2л.с ЭМКР. Разработана методика определения влияния межцилиндровой неравномерности топливоподачи (МНТ) на показатели дизеля. Установлена количественная связь между "чувствительностью" двигателя к МНТ и кривизной протекания его характеристик. Предложена классификация распределителей, и выделены наиболее перспективные признаки. Доказано, что ТС-2п с электронным управлением имеет преимущества по сравнению с базовыми образцами топливной аппаратуры. Выявлено й изучено явление залипания клапана ЭМКР.

Практическая ценность. Разработанный опытный образец ТС-2п обеспечивает увеличение объемной скорости подачи и повышение давления впрыскивания топлива до 120 мПа при уменьшении материалоемкости на 34%, стоимости на 29%, при меньших диаметрах длунжера по сравнению с базовыми образцами. Показатели 8-цилиндрового дизеля КамАЗ с опытным образцом ТС-2п не уступают показателям, полученным с серийной ТС. Изучено явление залипанин клапана ЭМКР и предложен эффективный способ устранения этого4 явления. Метод гидродинамического расчета ТС-2п дополнен учетом эалипания и конструктивных особенностей ЭМКР с предпосадочными зазорами. Предложена методика расчета влияния МНТ на показатели дизеля. Показано, что "чувствительность" двигателя к МНТ можно определить на стадии проектирования- Разработана электронная система управления ЭМКР, в основу которой положен принцип вычисления моментов срабатывания ЭМКР по сигналам от одного датчика. Разработаны магниторезисторный датчик частоты вращения и пьезокерамический датчик подъема иглы форсунки. На базе аппаратуры международного стандарта КАМАК разработана автоматизированная система экспериментальных исследований топливных систем дизелей, полностью автоматизирующая проведение эксперимента и обработку результатов.

Реализация работы. Разработанные в диссертационной работе рекомендации и конструктивные разработки ТС-2п с ЭМКР приняты во внимание при проведении работ по совершенствованию ТА в НАМИ и ЯЗТА. Методики расчетов и экспериментальных исследований внедрены в ПИИ и МАДИ, Алгоритмы, н схемы электронных систем управления, а также датчики частоты вращения . подъема иглы форсунки приняты во.ВНИИЭП для практического использования. Акты о внедрении приведены в приложении. .

Апробация работы. Диссертационная работа рассмотрена! на заседании научно-технического семинара при кафедре автдтракторных двигателей МАДИ в 1994 году и рекомендована к защите. Основные результаты работы обсуждались на 47+51-й научно-исследовательски и научно-методических конференциях МАДИ и заслужили положительные оценки.

Публикации Результаты работы изложены в трёх статьях,- трёх отчетах, получено два авторских свидетельства на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введений, 5. глав, общих вызодов и 10 приложений. Она содержит 130 страниц оснозного текста, 59 рисунков, 2 текста программ и 16 таблиц. Библиография включает 135' наименований, в том числе 35 иностранных.

содержание работы

flftREM ХПЦЪЩ посвящена обзору современного состояния вопроса и постановке задач исследования,

Наиболее высокую экономичность при заданных мощностных и экологических показателях обеспечивают двигатели с высоким наддувом и объемным или комбинированным смесеобразованием, что требует дальнейшего повышения интенсивности топливоподачи. Интенсивное и короткое впрыскивание тоПл»;ва позволяет вследствие увеличения скорости тепловыде ния и уменьшения доли диффузионного сгорания улучшить топливную экономичность, уменьшить выбросы сажи н выбросы Частиц. .

Требования к идентичности подачи топлива по цилиндрам в основном предполагают обеспечение заданной равномерности цикловой подачи и начала впрыскивания топлива.. ■ ■

Значительная доля стоимости насоса приходится. на систему регулирования.' Механические регуляторы, отличающиеся высокой эффективностью при ■ простейших законах регулирования, при развитии функций регулирования значительно усложняют конструкцию. Пути преодоления недостатков традиционных систем регулирования фирмы-изготовнтелй видят В электронном управлении.

Задача улучшения массогабаритных показателей приводит к неослабевающему интересу конструкторов к насосам распределительного типа, применение которых позволяет в 1.5+2 раза уменьшить металлоемкость и габариты насоса.

Одним из видов плунжерных насосов распределительного типа является ТНВД с удвоенной частотой вращения кулачкового вала. Сохраняя массогабаритные преимущества ТНВД распределительного типа, он может быть форсирован по д«вденйю впрыскивания в большей степени, чем обычный многоплунжерный насос, та* как имеет значительно Меньшие вредные объемы. Кроме toro, он лишен такого недостатка распределительного ТНВД, как малый угол поворота вала ТНВД, отводимый на Подъем и опускание плунжера. Важно также отметить, что рассматриваемый тип ТНВД позволяет работать с меньшими диаметрами плунжера, что благоприятно сказывается на надежности и стабильности ТС. Однако развитие таких систем сдерживается отсутствием недорогих к надежных распределителей топлива.

Анализ большого количества разнообразных конструкций. позволил провести классификаций распределителе^. по конструктивным признакам и выделить из них Наиболее перспективные.

На основе анализа состояния вопроса в данной работе поставлен* следующие задачи:

1. Разработать более совершенную конструкцию топливной системы с удвоенной скоростью вращения кулачкового вала и электронным управлением, провести ее теоретические и экспериментальные исследования,

2. Дополнить метод гидродинамического расчета учетом новых конструктивных особенностей топливных систем с удвоенной скоростью вращения кулачкового валч (ТС-2п). . ^

3. Разработать электронную систему управления распределителями ТС-2п, обеспечивающую работоспособность системы во всем диапазоне рабочих режимов двигателя.

Отсюда вытекает необходимость теоретического и экспериментального исследования путей дальнейшего улучшения показателей ТС-2п. с электронным управлением, а также определение влияния параметров ТС-2Л на показатели дизеля.

Во второй глав? рассматриваются методы теоретического • и экспериментального исследований.

ТС-2п, как правило, обеспечивают лучшую межцилиндровую неравномерность топливоподачи (МНТ), но отдельные конструкций- распределителей (например, золотниковые) могут ухудшать МНТ. С цельй уЬтаковления зависимости между изменением выходных показателей двигателя и межцилиндровой неравномерностью топливоподачи 5Х было проведено аналитическое исследование.

Под выходным. параметром V следует понимать значений мощности, дымности отработавших газов, токсичности и т.д. Под Входным параметром X следует понимать цикловую подачу топлива, угол опережения 'впрыскивания топлива и т.д.

При допущении, что внутри интервала [Хт(П;Хта)[) значения X распределены равномерно, изменение У будет равно

/2 г

(1)

где 51, =8

•т

2

' 2 0,2

¡(К)'

ы

коэффициент, учитывающий число цилиндров двигателя I,

Значения коэффициента в зависимости от числа цилиндров дзнгателя приведены в табл.1.

Число цилиндров 2 4 6 8 Ю 12 более 12

1.0 0.556 0.467 0.429 0.407 0.394 0.35

Как видно из уравнения (1), величина Б не зависит от значения функции, а зависит от ее второй производной (кривизны). Результаты сравнительного исследования влияния МНТ на показатели дизеля позволили сделать вывод о незначительных преимуществах, обеспечиваемых ТС-2п с этой точки зрения.

Для моделирования различных процессов, происходящих в ТС-2п, применялись различные методы гидродинамического расчета.

Метод, предложенный И.В.Астаховым и уточнённый в работах МАДИ, основан на численном решении волновых уравнений при допущениях, что движение топлива одномерное и изотермическое, а плотность топлива и скорость распространения импульса (волны) давления постоянны. Так как метод И.В.Астахова достаточно точно моделирует лишь основную фазу впрыскивания топлива, то в настоящей работе он использовался в тех случаях, когда не было необходимости моделирования процессов,' происходящих в ЛВД после впрыскивания (определение подвпрыскивания, остаточного давления, газовой фазы й.т.д.). >

В методе расчета, разработанном Л.Н.Голубковым, используется модель термодинамически равновесной пузырьковой среды, описываемая системой общих уравнений' сплошной псевдооднородной среды.- уравнением неразрывности для одномерного неустановившегося движения вязкой сжимаемой жидкости

(2)

д I д х

и уравнением И.А.Чарного для описания неустановившегося турбулентного движения вязкой жидкости, при допущении кваэистационарности гидравлического сопротивления трубы

д I дх

Необходимая для замыкания системы скорость звука может быть получена из уравнения Г.М.Ляхова.

Для численного интегрирования уравнений использовался метод крупных частиц, изложенный в работах О.М.Белоцерковского. В этом методе среда моделируется системой из крупных частиц, а расчет каждого временного шага разбивается на три этапа.

1. Эйлеров. этап. Рассчитывается движение жидкости в элементарной ячейке под Действием давлений без учета перемешивания (потока массы через границы ячеек нет). Для- обеспечения сходимости метода вводится псевдовязкость.

2. Лагранжев этап. На этом этапе определяются эффекты переноса, т.е. поток массы через границы элементарных ячеек.

3. Заключительный этап. Определяются (в новый момент времени) окончательные параметры среды с учетом перераспределения массы и импульса по длине топливопровода.

При расчете минимальный уровень давления не ограничивается. Вычисленное давление всегда больше нуля. Это связано с тем, что исходная величина д.-.я определения давления - плотность,

Введение переменной плотности приводит к необходимости при описании граничных услсий использования уравнений массового баланса', которые записываются аналогично уравнениям объемного баланса, но с учетом плотности.

Так как использование описанного метода позволяет более точно рассчитывать процессы, происходящие в конце и после окончания впрыскивания при наличии разрывов сплошности, то в настоящей работе метод П.Н.Голубкова применялся для моделирования рабочего процесса ТС-2п с мгнетательным клапаном, имеющим объемную разгрузку. Наличие ЭМКР в ТВД моделировалось увеличенным, диаметром топливопровода ёТ14, считывающим увеличение объема топлива в топливопроводе за счет объема

ЭМКР, исходя из уравнения к

•Агм

4

■л.

4

Для моделирования процессов, происходящих в ЭМКР С клапаном, шеющим предпосадочный зазор (ППЗ) (конструкция клапанного узла с ППЗ писана в 4-ой главе), была разработана методика, основанная ' на методе идродинамического расчета И.В.Астахова и состоящая из трех этапов.

1-Й этап: Определение гидродинамических параметров, потока в зоне лапана распределителя (схема расчета приведена на рис.1). .

Для объема Ук амеры ЭМКР мож-о записать уравпе-ие . объемного ба-анса, учитывающее гретекание топлива ч всех топливопро-дав и изменение 5ъема вследствие кнмания топлива.

1-,

с>, До), • \

РЛ с ч. Р,

а № г- . '1

К <-\л/, 1

Рис. 1. Схема для расчета гидродинамических процессов в ЭМКР с предПосадочнкм зазором

Добавляя известные решения волновых уравнений для каждого участка , </ф

топливопровода и учитывая, что Л = получим

6 п

dPk_ 1 dtp ~ 6п-ак ■ Vt 1

[/г С-Qx-Q2]

C=—[Po~f\ + 2F(t-L/a)]

ар

Pi=p0+[m-mo] m=jr a- p • a - w,(6

где Q - функция расхода

1 при?>р, -1 п ри lj[ < Р,

Г 1 П рй ij > Р2 "»"И при1

(4)

ри R < Pj , Система уравнений (4) позволяет определить перепады давлений

APi = Pj - Рк и ДР2 = Рг~ Рк< необходимые для второго этапа.

2-й этап. Определение сил, действующих на клапан со стороны жидкости. Рассмотрим течение жидкости в зазоре между седлом и клапаном (рис.2).

В нашем случае задача, имеет свои особенности, позволяющие принять допущение об отсутствии гидравлического трения: во-первых, перемещение клапана происходит перпендикулярно направлению течения жидкости (сил трения) в зазоре и, следовательно, силы трения не могут повлиять на движение клапана; во-вторых, параметры потока (скорость и перепад давления) рассчитываются по эмпирической Зависимости |Л = /(х,ДР), полученной по результатам проливни и учитывающей вязкость жидкости и гидравлическое трение.

Для кольцевой щели (рис.2), образованной кла-гшом и седлом, для сечений D-D и г-г можно записать уравнение Бернулли

■с;

Сго

5)

Рис. 2. Схемы для определения сил, действующих на клапан со стороны жидкости

Р(+р-у=Р„+р 2

Учитывая, что течение жидости Происходит по обе стороны клапана, и введя функцию

(У^дЫ

n-Dx J

АР,

после

соответствующих

преобразований получим ' АРГ = [/и1(л,ЛР1)-/(1|(Д - ЛР2)]- (1-(/?/г)2), где

Д- полный ход клапана.

Для определения силы Р, действующей на клапан вследствие перепада давлений ДРГ , проинтегрируем ДР, по площади клапана

Р = 2а • ТАР,• Г- ¿г = ![/„,<*.ДР,)-/и((Д -х,АР,)]■{?-——й- . (6)

Кромо того, необходимо учесть силу Р от действия давления на центральную площадку клапана (с двух сторон)

. . (?)

3-й этап. Расчет движения клапана под действием суммы сил Ж ~ А2 тк

Учитывая силы от потока жидкости (6), перепада давления (7), пружины Рор=/(д-) и переходя к координате <р, получим

£х=_1

Л2 .36п2

— •{§[/„, <*.ЛР, )-/^,(Д-х,ЛР2)]>

Совместное решение уравнений (4), (6), (7) и (8), дополняющее гидродинамический расчет ТС, позволяет определить параметры, описывающие движение клапана, скорость посадки на седло, моменты посадки и отрыва, время срабатывания, потери энергии на закрывание клапана, влияние на характеристику впрыскивания и т.д.. •

Для проведения экспериментальных исследований автором были разработаны автоматизированная система научных исследований топливной аппаратуры (АСНИ ТА) для безмоторной установки и АСНИ для проливочного стенда, полностью автоматизирующие процесс сбора и обработки информации. Изложены принципы и. этапы построения АСНИ ТА, даны анализ и метод подбора аппаратных средств под конкретные измерения. Приведены приемы программирования, примеры предварительной, активной и специальной обработки получаемых сигналов. . .

Третья глава посвящена исследованию процессов, происходящих, в ТС-2п с электромагнитным клапанным распределителем.

Объектом теоретического исследования являлась ТС-2п на базе ТА дизеля ЯМЗ-840. Целью этого исследования являлось определение

геометрических размеров деталей ТНВД с целью обеспечения максимального давления впрыскивания топлива до 120 МПа.

Исследования показали целесообразность применения секции с уменьшенным объемам штуцера (0,2см3). Были подобраны величины диаметров всасывающего окна гильзы и дросселирующих сечений (каналов) в плунжере. Показано также, что на режиме максимальной мощности (п=2100 мин1, Q„ =230 мм3 ) выбранная ТС обеспечивает максимальное давление в форсунке 120 МПа, продолжительность впрыскивания 22.9 град, среднее' давление впрыскив? чя 62 МПа.

Введение в топливопровод высокого давления ЭМКР приводит к увеличению объема ЛВД. Для исключения подвпрыскивания топлива при этом необходимо изменение объема разгрузки нагнетательного клапана. Для этого были проведены расчеты rio методу Л.Н.Голубкова, более точно моделирующему процессы, происходящие в ЛВД после окончания впрыскивания при наличии разрывов сплошности. '•

Результаты расчетов и экспериментальные данные для номинального режима работы ТС (n = 2I0Ó мин1, Qu = 230 мм3) показывают, что с увеличением объема разгрузки Vp остаточное давление Р0 меняется слабо (от • 0.1 мПа при Vp =70 мм3 , до 0.09 мПа при Vp =150 мм3 ). При этом наблюдается значительней- рост остаточного свободного объема Vocr (от 0 до 53 мм3 ) и количества газовой фазы е0(о+ 0 до 6 %). При VpS 107 мм3 работа ТС невозможна вследствие подвпрыскивания.

В Процессе исследований ТС-2п с ЭМКР было обнаружено явление залипания. Суть этого явления состоит в том, что в нужный момент времени клапан ЭМКР не отрывается от- седла - "залипает". Это приводит к нарушению работы ТС-2!п и в конечном итоге к впрыску топлива в цилиндр дизеля'в конце такта Выпуска.

Эксперименты с ТС-2п с ЭМКР показали, что объем разгрузки сильно влияет на вероятность залипания клапана ЭМКР. Граница и вероятность залипания были определены экспериментально. Работа ЭМКР на этом режиме без залипания Возможна только при Vp>125 мм3. Однако длительная работа ТС-2п с ЭМКР при Vp>125 мм3 .оказалась невозможна вследствие кавйтацйонного разрушения ^обмотки катушки электромагнита. Граница, кавитаций (е0=3%) и время тр разрушения катушек электромагнитов ЭМКР были определены экспериментально.

Проведенные расчеты н -эксперименты позволяют сделать вывод о том, что невозможно подобрать Нагнетательный клапан с объемной разгрузкой,

обеспечивающий работу ЭМКР на всех рабочих режимах без кавитаципнного износа и залипания одновременно.

Для изучения залипания были проведены экспериментальные исследования на безмоторной установке. Между ЭМКР и каждой ЛВЯ были установлены датчики давления. Обработка сигналов от датчиков давления производилась .с помощью АСНИ ТА.

Для определения вероятностных .оценок залипания записывалось N последовательных циклов работы и производился расчет оценок: £ = 2- м = 2- —■ Р = гяе:' * количество лишних впрысков;

N N ' N щ - количество пропусков.

Величина I. характеризует залипание клапана на седле, противоположном каналу, в котором установлен датчик, а величина М - на седле со стороны канала. Рэ характеризует сбой работы системы в челом.

Для выявления. причин залипания было выдвинуто несколько рабочих гипотез, объясняющих это явление.

Для опровержения или подтверждения каждой гипотезы (или их совместного влияния) были проведены специальные эксперименты, позволяющие выделить или, наоборот, устранить влияние отдельных факторов на залипание. В результате этих экспериментов было доказано, что причина залипания клапана заключается в силах, действующих на клапан со стороны топлива..

Во время впрыска под действием силы, прижимающей клапан к седлу, происходит выдавливание жидкостной пленки,.находящейся между седлсм и клапаном. Полагая, что после окончания впрыска жидкость между поверхностями посадочных поясков седла й клапана отсутствует, можно записать

= + (о2 - дя. ■. (9)

Важно отметить, что при полкой стабилизации остаточного давления (ДР=0) и устранении молекулярного сцепления (К„=0), сила Р,, действующая на клапан и мешающая отрыву клапана от седла, зависит от Р0. Так, при Ро=0.3 мПа сила ^=0.27 кг.

Из уравнения (9) видно, что (Ь2-^2) определяет чувствительность к величине Р0, а - к колебаниям Р„. Следовательно, для уменьшения залипания необходимо уменьшить (Ь2 -¿2) и с/2,а также стабилизировать и уменьшить остаточное давление.

Таким образом, анализ причин залипания позволил обосновать два Направления развития ТС-2п с ЭМКР. Первое направление .заключается в уменьшении и стабилизации остаточного давления Р„. В этом случае ТНВД необходимо укомплектовать нагнетательным клапаном постоянного остаточного

давления (например, клапан постоянного давления фирмы Bosch), который поддерживает счабильное остаточное давление во всем диапазоне рабочих режимов. Величина остаточного давления должна удовлетворять условию, при котором сила пружины/электромагнита была бы существенно больше силы F,. Второе направление заключается в изменении конструкции ЭМКР.

Первым этапом разработки новой конструкции ЭМКР стало применение пружины в виде плоской мембраны. Это позволило уменьшить одновременно {rf-d^nd1.

Значения членов уравнения (9) для конструкции г цилиндрической пружиной и с мембраной приведены в табп.2.

____Таблица 2

Члены уравнения (9) • С цмлиндричоской пружиной С мембраной

(D'-d*) 27 12

(fJ 9 4

Как видно из табл.2, чувствительность к залипанию конструкции с мембраной снижена более чем в лея раза. Однако, хотя вероятность залипания . стала существенно ниже, полностью устранить залипание при использовании серийного клапана не удалось.

Кардинальным способом решения проблемы залипания без изменении конструкции ТНВД является использование нового прнншШа действия ЭМКР, основанного на использовании для закрытия клапана части энергии переднего фронта волны давления, а для отрыва клапана от седла - колебательные явления в ЛВД. Это достигается путем введения в конструкцию предпосадочных зазоров (ППЗ) (конструкция ЭМКР с Г1ПЗ описана в 4-й главе). Проведенные экспериментальные исследования показали, что применение ППЗ полностью решает проблему залипания.

В момелт посадки клапана на седло происходит удар. Это приводит к износу (или разрушению) ' седла или клапана ЭМКР. Определить ■ работоспособность этого узла можно путем сравнения его с существующими работоспособными конструкциями.

Сравнение удобно производить по удельному импульсу удара Л (импульс

т • V

. массы, деленный на площадь контакта при ударе) 1 = —-——.

В табл.3, приведены данные об удельном импульсе удара для серийно выпускаемого нагнетательного клапана насос типа НД и исследуемых конструкций. Видно, что удельный импульс удара у исследуемых конструкций значительно меньше, чем у клапана НД. " ' 12

Параметр Нагнетатель -ный клапан нд Клапан ЭМКР с!=3мм; 0=6мм Клапан ЭМКР й=2мм; й=4мм Клапан ЭМКР с ППЗ

з ££ 176.0 57.3 72.6 2В.0

Особенно благоприятно выглядит клапан с ПЛЗ. Это объясняется очень малой величиной (0.1мм) перемещения клапана при разгоне и, следовательно, небольшой скоростью посадки.

ЭМКР с ППЗ может вызывать неравномерность цикловой подачи топливз между двумя каналами в основном по причйнам несимметричности гидрави)-чесхих сопротивлений каналов и величин ППЗ. Для определения потерн цикловой подачи топлива Д(Зи на закрытие клапана з зависимости от велччшш ППЗ и режима работы ТС были проведены исследования ТС-2п на базе ТА-42 (ЯМЗ) с нагнетательным клапэном с объемной разгрузкой V,, =120 мм3.

Полученные результаты показывают, что для реальных значений ППЗ (0.06+0.14 мм) величина ДСЗи находится в пределах 3+5 мм3 и не зависит от частоты вращения. Для изучения этого явления был проведен эксперимент но регистрации передних фронтов волн давления перед клапаном' ЭМКР для различных частот вращения.

Полученные данные показали, что с увеличением крутизны фрочта (частоты вращения) время закрытия, клапана Дт уменьшается. Количество топлива Д(?ц, перетекающего через ППЗ, зависит от времени закрытия клапана Дт и перепада давления ДР. Увеличение <!Р/<К приводит к увеличению ДР. однако Дт при этом уменьшается. Влияние ДР и Дт взаимно уравновешиваются, что и обеспечивает саморегулирование Д<Зи,.при изменении п.

Применение ТС-2п с ЭМКР с ППЗ приводит к изменению исходной МНТ 5,. Уменьшение вдвое числа секций ТНВД уменьшает МНТ, а неидентичность ППЗ увеличивает МНТ. Расчеты, проведенные на основании экспериментальных данных, показали, что на основном поле рабочих режимов эти два фактора взаимно уравновешиваются.

Четвертая глава посвящена разработке конструкции и электронной системы управления ТС-2п.

В качестве базовых объектов были приняты серийные ТНВД модели 332 дизеля КамАЗ-7408 и модели 42-441 дизеля ЯМЗ-840.

В результате оптимизации по методикам МАДИ были спроектированы и изготовлены кулачковые валы с многорадиусными профилями для ТС-2п на базе ТА-332 (КамАЗ) и ТА-42 (ЯМЗ).

Исходя из анализа существующих конструкций топливных систем с удвоенной скоростью вращения кулачкового вала и проведенных автором исследований процессов, происходящих в ТС-2п, была выбрана схема ТС-2п, показанная на рис.3.

р«с. з. Скм* оисшиы тс-хп с эмкр и «ттроикми упр«*.-««»»« Система состоит из

ТНВД 1, каждая секция которого имеет свой ЭМКР 3, соединенный линиями высокого давления 4 с двумя форсунками 5. Управление ЭМКР осуществляется

от электронного блока управления б (ЭБУ) на основе информации от датчика 7 положения распределительного вала 8' дизеля 9.

Автором была разработана. классификация распределителей и выделены наиболее перспективные признаки, на основе которых в МАДИ была разработана конструкция электромагнитного клапанного распределили топлива

(ЭМКР) с плоским зьпорным. органом в отдельном корпусе. Конструкция ЭМКР, представленная на рис.4, защищена авторским свидетельством.

По подводящему каналу 10 топливо через рассеивающую шайбу 6 поступает в камеру 12 с двусторонним плоским запор-

?ип. 4. Конструкция электромагнитного клапанного распределителя (ЭМКР). А С. № 1746056: 1- отводящий канал со стороны магнита; 2- штуцер; 3- катушка электромагнита; 4- возара гная пружина; 6- корпус ЭМКР; 6- рассеивающая шайба (компенсатор); 7-отводящий канал со стороны седла; в-седло; в- двусторонний плоский запорный орган; 10-впускной канал; 11- гайка крепления ЭМКР к насосу; 12- камера распределителя • .

ным органом 9. Последний совершает возвратно-поступательное движение под действием пружины 4 в одну сторону, а в другую • под действием катушки электромагнита 3 по сигналам блока управления. При этом плоские запирающие поверхности поочередно перекрывают отводящий канал I штуцера 2 и отводящий канал 7, проходящий через немагнитное седло 8 и корпус 5. Таким образом, топливо поочередно поступает в один из отводящих каналов I или 7, а затем через линии высокого давления в один из цилиндров дизелч согласно порядку их работы.

Так как перемещение клапана происходит . в период между впрыскиваниями, когда давление в системе мало, то для перестановки клапан? требуется небольшое усилие.

Распределитель прост в изготовлении, не имеет прецизионных детален и утечек топлиьа, имеет низкую массу подвижных частей и гидравлическое сопротивление. Ход клапана, геометрия проточной частч, параметры пружины и катушки электромагнита были оптимизированы.

Для устранения залипания, на основе данных математического моделирования процессов в ЭМКР с предгосадочными зазорами (ППЗ) <мтод моделирования приведен во 2-ой главе), автором была разработана конструкция клапанногб узла с ИПЗ, представленная на рис.5.

а - впрыск в канал со стороны Магнита; б - исходное положение;

в - положение клапана при действии только силы электромагнита; г - впрыск в канал ео стороны титанового седла . В исходном положении (рис.5,б) часть мембраны выходит на упор, й между седлом и клапаном остается Предпосадочный зазор (ППЗ). В момент

начала подачи топливо поступает в обе ЛВД одновременно, обтекая клапан с двух сторон. При »том, согласно уравнению Бернулли (5), на него начинает действовать сила (см. уравн.6), прижимающая клапан к седлу, Зазор между которым меньше. Клапан .прижимается К седлу, и впрыск происходит в канал со стороны магнита (рис.5,а). После окончания подачи, за счет разгрузки ЛВД, давление в камере ЭМКР падает ниже значения Р0- Под действием силы сжатой мембраны н возникшего перепада давпення клапан отрывается от седла на величину предпосадочного зазора, возвращаясь в исходное положение (рис.5.6). •

Под действием электромагнита клапан перемещается к седлу в сторону электромагнита до величины ППЗ (рис.5,в). Во время впрыскивания клапан прижимается к седлу и впрыск .происходит в канал со стороны титанового седла (рис.5,г). После окончания подачи клапан отрывается от седла на Величину ППЗ Трнс.5,»), а после выключения электромагнита возвращается в исходное положение (рис.5,б). .

Таким-образом, в период между впрыскиваниями оба седла остаются открытыми, обеспечивая выравнивание остаточного давления в обоих ЛВД и быстрое затухание- волновых процессов.

Электромагнит' не . участвует ■ непосредственно в процессах посадки/отрыва клапана на/от седла, а только "приближает" клапан к одному' И1 седел. Это позволяет в несколько раз уменьшить мощность катушки электромагнита и токи управления.

С учетом технологических требований оптимальным следует считать предпосадочный зазор Х=0.08 + 0.12 мм.

Упругий элемент клапана с ППЗ подвергается сложным изгибным напряжениям. Для обеспечения надежной работы было испробовано большое количество различных материалов и форм упругого элемента, в результате чего был выбран упругий элемент двойной жесткости, состоящий из двух пластин -основной и дополнительной.

Экспериментальные исследования зависимости силы, действующей на клапан со стороны упругого элемента от положения клапана, показали, что упругий элемент двойной жесткости обеспечивает самое высокое усилие отрыва клапана от седла и самое низког "усилие для перемещения клапана на участке работы электромагнита.

Ресурсные- испытания показали, что наилучшими характеристиками обладают клапаны, у которых осноиная пластина (толицыой 0.10 мм) выполнена из стали 50ХФА, а дополнительная (толщиной 0.20 мм) ■ ич сплава ВУС-5.

Для управления ЭМКР автором была разработана электронная система управления (рис.6), в которой моменты срабатывания электромагнитов расреде-лителей вычисляются

с

я

ЗГ

цифровым блоком на основе информации,

получаемой от датчи- _______

ка начала цикла 4- Чг тс^ тактного дизеля. Это достигается путем прогнозирований моментов срабатывания ЭМКР во время текущего оборота вала на основе информации о продолжительности предыдущего оборота вала. .. "

Д.В.С.

ь

у,

У.

У)

ф, у.

-0-1;

ЗвОах1.,ЗвО(1.«».

II I I I В I

Рис. С. Струпурнм схеме гпттронного блока управление

Для измерения, частоты вращения автором был разработай датчик, работающий на мйгниторезисторном эффекте. Основные достоинства нового датчика, по сравнению с широко применяемыми датчиками индуктивного гипа, заключаются в следующем: уровень сигнала не зависит от частоты вращения; отсутствует временная задержка сигнала; просто,тй питания и установки. ' •• В качестве обратной связи, позволяющей контролировать работу двигателя, несомненный интерес представляет характеристика подъема иглы форсунки. Периодичность подъема иглы определяет частоту вращения. Момент начала подъема - действительный угол опережений впрыска. В ряде работ показано, что сигнал о положении иглы форсунки позволяет определять величину цикловой подачи топлива с точностью ¿5%. Кроме того, по подъему иглы можно контролировать подвпрыск. Автором был разработан датчик подъема иглы на основе пьезоэлектрического эффекта. Датчик не содержит подвижных элементов, не требует питания, может устанавливаться в любую форсунку, обеспечивает высокий уровень сигнала, обладает хорошей помехозащищенностью и. линейностью в диапазоне. рабочих температур форсунки. •

В пятой главе представлены результаты моторных испытаний дизелей КамАЗ 84 12/12 с ТС-2п и с различной степенью МНТ.

Моторные испытания с ТС-2и проводились с целью определения работоспособности системы в условиях полноразмеркого двигателя.

Опытная ТС отличалась от серийной удвоенной частотой вращения, профилем кулачкового вела, увеличенной длиной топливопроводов и наличием ЭМКР с ППЗ (0 10/0.10 мм).

Анализ регулировочных характеристик показал," что оптимальный угол опережения впрыскивания при работе с опытной ТС упеличился по сравнению с исходным вариантом (на режиме п=1400 мин ! нч 4.5 град). Объясняется это даумя причинами. Во-первых, увеличенной длиной нагнетзтельного тракта опытной ТС, которая имеет дополнительные каналы в ЭМКР и большую длину топливопровода. Во-вторых, в начале нагнетания часть энергии топлива тратится на закрытие клапана с ППЗ, что. также способствует запаздыванию

начала впрыскивания.

Сопоставление нагрузочных характеристик, снятых на режимах п=2200 мин1 и . п=1400 мин-' (рис.7) при , работе дизеля с базовой и опытной ТС, показывает, что 1 результаты, полученные при 1 работе с ТС-2п, не уступают исходным. Характеристики' I близко совпадают как по топливной экономичности, так и по выбросам сажи. На режимах, близких к максимальному крутящему моменту, характеристики двигателя. с опытной ТС практически совпадают с

1 йзтч серийной ТС (ТА-332). Эти г 1ро

( результаты еще раз подтверж-, дают выводы, сделанный в ряде , работ, о том, что на режимах, близких к Мтах, серийная ТС

обеспечивает оптимальные характеристики впрыскиьання. Любое уменьшение или увеличение интенсивности эпрыскивания на этих режимах не приводит к улучшению показателей дизеля.

Средне« индикатор но», давление г., мГл. '

Ряс, 7. Нагрдочнш характеристик дизеля КамАЗ (ЬЧ12П2) при п» 1400 мин".

- ТА-332; ----ТС-2П

На режиме п=1000 мин-1 показатели двигателя с опытной ТС несколько лучше, чем с серийной. Это объясняется тем, что при снижении частоты вращения максимальное давление впрыскивания у серийной ТС снижается в большей степени, чем у опытной.

Моторные испытания дизеля КамАЗ с различной степенью МНТ проводились с целью определения влияния степени МНТ на основные показатели дизеля КамАЗ Ы0, и К. Полученные результаты показывают,

что влияние МНТ определяется величиной 6, и характером протекания характеристики (¡у/(1х, что подтверждает пр?вомсрность результатов аналитического исследования с использованием зависимости (I).

ВЫВОДЫ

1. Проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов, происходящих в разработанном о^азце ТС-2п. Показано, что опытная ТС имеет ряд преимуществ по сравнению с серийной ТС: уменьшение массогабарнтных и стоимостных показателей; снижение нагруженности привода деталей плунжера; увеличение максимальных давлений впрыскивания до 120 мПа; возможность (за исключением необходимости изменения профиля кулачка ТНВД) использовать серийно выпускаемые детали.

2. Предложенная конструкция электромагнитного клапанною распределителя отличается отсутствием утечек топлива и низким гидравлическим сопротивлением проточной части.

3. Установлено и 'исследовано явление эалиЛяния клапана ЭМКР. На основе анализа причин задирания разработана методика расчета этого процесса и ' предложены эффективные способы его устранения. Метод гидродинамического расчета дополнен учетом новых конструктивных особенностей ТС-2п с ЭМКР.

4. Разработана методика определения влияния межцилнндровой неравномерности .топливоподачи на показатели дизеля. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что изменение показателей дизеля зависит не только от велнчняы МНТ, но и от характера протекания зависимостей этих показателей от цикловой подачи.

5. Созданная электронная система управления ТС-2п, в основу которой положен принцип вычисления моментов срабатывания ЭМКР по сигналам от одного датчика, обеспечивает стабильную работу ТС во всем диапазоне рабочих режимов и имеет высокую надежность.

6. Разработанные и . использованные при проведении исследований магниторезисторный датчик частоты вращения и пьезоэлектрический датчик

подъема иглы форсунки могут быть применены как при исследованиях ТС дизелей, так и в самой конструкции ТС с электронным управлением.

7, На базе отечественной вычислительной техники и аппаратуры -международного стандарта КАМАК разработана автоматизированная система экспериментальных исследований топливных систем дизелей, позволяющая полностью автоматизировать проведение эксперимента и обработку полученных результатов.

8, Моторные испытания дизеля КамАЗ показали, что в области малых нагрузочных режимов новая ТС-2п обеспечивает снижение расхода топлива на 3+5 г/кВтчас. При подборе диаметра, числа и направления сопловых отверстий распылителя форсунки эту область можно расширить в сторону больших- нагрузок.

9, В условиях производства ТС-2п обеспечит снижение материалоемкости нз 34% и себестоимости на 29%.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Голубков Л.Н.. Федоровский А.Б., и др. Результаты исследования неравномерности подачи топлива в цилиндры дизеля / / Совершенствование рабочих процессов и конструкции автомобильных и тракторных двигателей: Сб.науч.тр./МАЛИ. М., 1989

2. Федоровский А.Б. Дальнейшее разиитие конструкций топливных. систем с удвоенной частотой вращения // Улучшение показателей работы автомобильных и тракторных двигателей: Сб.науч.тр./ МАДИ. М., 1990

3. Голубков Л.Н., Федоровский A.B., и др. Топливная система многоцилиндрового дизеля. A.C. №1657714 от 22.02.91 (приоритет от 10.03.89)

4. Федоровский А.Б. Электронное управление распределителями топливной системы с удвоенной частотой вращения // Совершенствование автомобильных и гракторныхдвигателей:.Сб.науч.тр. / МАДИ. Мл 1992

5. Голубков Л.Н., Фёдоровский А.Б., и др. Топливная система многоцилиндрового дизеля. A.C. №1746036 от 08.03.92 (приоритет от 05.09.89)