Assessment of influence of the Common Rail system high-pressure fuel pump design on regularity of fuel supply to a fuel accumulator

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Первостепенное направление развития современного двигателестроения направлено на снижение показателей токсичности отработавших газов, повышение топливной экономичности, увеличение литровой мощности и снижение шума и вибраций, воздействующих на человека. Одним из средств решения данной задачи может служить совершенствование параметров топливоподачи [1-3].

Характеристика впрыскивания топлива электрогидравлической форсункой непосредственно влияет на процесс горения в дизеле. Для поддержания стабильной характеристики впрыска топлива форсункой необходимо обеспечить бесперебойную подачу топлива в топливный аккумулятор в необходимом объеме. Так же крайне важно поддерживать необходимое давление в аккумуляторе, которое определяет давление впрыскивания топлива форсункой в цилиндр. Большие колебания давления в аккумуляторе будут приводить к различной цикловой подаче, что отрицательно скажется как на экологических, так и на экономических параметрах дизеля.

Топливный насос высокого давления (далее ТНВД) нагнетает топливо под необходимым давлением. Из-за своей конструкции подача топлива происходит порционно, что вызывает нежелательные волновые явления.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью работы является определение влияния конструкции ТНВД аккумуляторной топливной системой типа Common Rail на неравномерность топливоподачи в топливный аккумулятор и оценки возможности снижения колебаний топлива для повышения стабильности цикловой подачи форсунки.

ПРОВЕДЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для оценки волновых явлений высокого давления была испытана на безмоторном стенде опытная полнокомплектная топливная система типа Common Rail, ТНВД которой имел рядную схему исполнения с двумя секциями, с одновершинным кулачковым валом. Результаты представлены на рис. 1.

 

Рис. 1. Размах колебания высокого давления в аккумуляторе с форсунками.

 

Из рис. 1 следует, что размах колебаний давления в топливном аккумуляторе достигает 17 МПа, в среднем 8 МПа. График неравномерный, что говорит о неодинаковой характеристике впрыска форсунок. Для исключения влияния форсунок на пульсации давления в топливном аккумуляторе дополнительно была испытана система без форсунок на давлении 180 МПа и номинальном режиме работы. Результаты представлены на рис. 2.

 

Рис. 2. Размах колебания высокого давления в аккумуляторе без форсунок.

 

Из рис. 2 видно, что размах колебаний давления в топливном аккумуляторе достигает 10 МПа, график равномерный. На основании чего можем сделать вывод о возможности оптимизации конструкции ТНВД с целью снижения пульсаций давления в аккумуляторе и, впоследствии, повышении точности цикловой подачи форсунки.

Схему выбора количества секций ТНВД и их поочередную работу ранее во много определяла компоновка двигателя и прочности деталей ТНВД. В зависимости от мощности дизельного двигателя и его исполнения ТНВД имеют 3-х лучевую схему или рядную, с количеством секций от 1 до 4, и даже более. При большом литраже дизеля в целях унификации возможно применение в топливной системе 2-х и более ТНВД.

В настоящее время всеми производителями топливной аппаратуры активно используются различные решения по повышению надежности ТНВД, такие как, например, применение износостойких покрытий с минимальным коэффициентом трения для плунжерных пар, роликовых толкателей, эксцентриковых нажимных шайб валов (призм) и т.д. Также классические бронзовые подшипники скольжения опор валов уступили свое место композитным многослойным материалам с тефлоновым покрытием, которое выдерживает значительно большие окружные скорости и удельные нагрузки. Все это в совокупности дает большие возможности по выбору количества секций, диаметров и ходов плунжеров, выбора одновершинных или многовершинных кулачков для достижения не только минимальных габаритов ТНВД, но и более равномерной накачки топлива в аккумулятор и снижения нагрузки на привод ТНВД.

При выборе конструктивного исполнения ТНВД в первую очередь рассматривается вопрос о том, какой привод организован на двигателе для насоса. В ряде случаев на двигатель, который ранее имел механическую топливную систему, устанавливают аккумуляторную топливную систему Сommon Rail без изменения передаточного отношения вращения вала ТНВД и коленчатого вала двигателя. Вследствие чего вал ТНВД вращается в 2 раза медленнее по отношению к коленчатому валу, и для получения необходимой производительности ТНВД необходимо либо применять ускоряющий редуктор, либо увеличивать количество насосных секций на рядной компоновке ТНВД. Однако все эти действия приводят к увеличению деталей и габаритов как ТНВД, так и двигателя в целом.

Хорошим решением в таком случае является применения роликовых толкателей совместно с двух-, трех- вершинным кулачком на вале ТНВД, что обеспечивает при минимальных габаритах насоса необходимую производительность ТНВД. В этом случае отпадает необходимость большого изменения привода ТНВД, организованного на двигателе или необходимость применения ускоряющего редуктора. При этом снижается неравномерность потребления мощности, затрачиваемой на ТНВД, и несколько снижается амплитуда колебания давления в аккумуляторе.

Современные двигатели, разработанные изначально под аккумуляторную топливную систему, имеют ускоренный привод ТНВД, т.е. привод с частотой вращения либо равной частоте вращения коленчатого вала, либо превышающей ее. В таком случае возможно применение как роликового толкателя, так и цилиндрического с нажимной призмой, являющегося более простым и технологичным в изготовлении. Стоит учитывать, что, повышая обороты вала насоса, существует возможность уменьшить габариты насоса, повысить равномерность подачи, обеспечить более надежную пусковую подачу, облегчить условия работы подшипников скольжения. Для справки: авиационные ТНВД работают при частотах до 16–20 тыс. об/мин. Ограничения их быстроходности обуславливаются условиями наполнения плунжерных полостей, безударностью работы толкателей, вибрациями от неуравновешенности. Число насосных секций обеспечивает равномерность подачи и крутящего момента. Не существует разумных аргументов для использования в ТНВД дизеля небольшой мощности с числом насосных секций, больше четырех. При такой схеме сильно снижается прочность вала ТНВД [4, 5].

С целью определения влияния конструкции ТНВД на наполнение топливного аккумулятора и колебания давления топлива в аккумуляторе были исследованы в специализированном программном обеспечении основные распространенные варианты исполнения ТНВД с одинаковой геометрической производительностью около 230 л/ч на номинальном режиме работы (частота вращения вала ТНВД одинаковая для всех случаев и составляет 3200 об/мин):

• 3-х лучевой ТНВД (3 секции расположены под 120º по отношению друг к другу, одновершинный эксцентриковый кулачок), d/h=8/8 мм;
• рядный 2-х секционный ТНВД (работа секций происходит поочередно через каждые 180º по отношению друг к другу, одновершинный эксцентриковый кулачок), d/h=8/12 мм;
• рядный 2-х секционный ТНВД с двухвершинным кулачком (работа секций происходит поочередно через каждые 90º по отношению друг к другу), d/h=6/10,5 мм;
• рядный 2-х секционный ТНВД с трехвершинным кулачком (работа секций происходит поочередно через каждые 60º по отношению друг к другу), d/h=6/7,1 мм.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для достижения быстрого и точного регулирования давления в топливном аккумуляторе с помощью блока дозирующего, установленного в ТНВД, необходимо, чтобы насос подавал как можно меньше цикловые подачи секций насосных в аккумулятор. Чем меньше будет цикловая подача секции насосной, тем меньше произойдет заброс давления в топливном аккумуляторе, т.к. блок дозирующий имеет некую задержку на срабатывание, электронная система управления двигателя считывает всю входную информацию с датчиков и потом подает управляющий сигнал. С этой целью были рассмотрены мгновенные производительности секций насосных вышеуказанных исполнений ТНВД. Результаты исследований представлены графически на рис. 3 и 4.

 

Рис. 3. График мгновенной производительности секций насосных рядных 2-х секционных ТНВД с одно- и двухвершинными валами.

 

Рис. 4. График мгновенной производительности секций насосных 3-х лучевого ТНВД и рядного 2-х секционного насоса с трех вершинным валом.

 

Схема рядного 2-х секционного насоса с эксцентриковым валом (одновершинный кулачок) менее приемлема, если судить по неравномерности нагнетания топлива в аккумулятор (см. рис. 1) по сравнению с аналогичной схемой, но с двухвершинным кулачком. Мгновенная цикловая подача секции в первом случае достигает 600 мм³, что в 2 раза больше, чем для схемы с двухвершинным кулачком, и при этом частота подачи топлива в 2 раза ниже (количество подач порций топлива секций насосных в аккумулятор за единицу времени).

Достоинством рядной схемы насоса с двухвершинным кулачком является возможность работы насоса на меньших частотах вращения вала насоса относительно ТНВД с одновершинным валом. Применение данного типа насоса возможно на дизелях от привода классического насоса, где частота вращения вала насоса в 2 раза ниже частоты вращения коленчатого вала двигателя. Применение в этом случае ТНВД с одновершинным валом может быть нецелесообразно ввиду необходимости увеличения хода и диаметра плунжера секций, что снизит надежность насоса в целом.

Схема 3-лучевого насоса является приемлемой с точки зрения неравномерности нагнетания топлива в аккумулятор и является распространенным вариантом применения в дизелестроении (см. рис. 4). Мгновенная цикловая подача секции достигает 400 мм³ что в 1,5 раза ниже мгновенной цикловой подачи рядного 2-х секционного ТНВД с одновершинным валом. При этом частота подачи топлива в аккумулятор в 1,5 раза выше. Это позволяет получить более плавное регулирование давления в топливном аккумуляторе.

ТНВД с 3-х лучевой схемой исполнения значительно уступает по неравномерности 2-ух секционным насосам, у которых вал имеет двух- и трехвершинные кулачки. мгновенная цикловая подача у них не превышает 300 и 200 мм³ соответственно, что является наиболее приемлемой схемой исполнения насоса с точки зрения равномерности накачки топлива в топливный аккумулятор и нагрузки на привод ТНВД. Последнее позволяет достичь наиболее точного и быстрого регулирования давления в топливном аккумуляторе и в свою очередь, повысить точность цикловой подачи электро-гидроуправляемой форсунки в дизеле. Необходимо отметить, что в случае применения схемы рядного ТНВД с трехвершинным валом сложность изготовления вала насоса и повышенные требования точности прецизионной насосной пары вызваны повышенными скоростями трения плунжера.

ВЫВОДЫ

При адаптации или проектировании новой топливной аппаратуры необходимо уделять должное внимание волновым явлениям. Колебания давления в контуре низкого и высокого давления дизельной топливной системы могут вызывать шум и повреждения деталей. Они влияют на функциональные характеристики и надежность. Анализ колебаний можно проводить не только по раздельности, но и в комплексной топливной системе, так как необходимо учитывать влияние на параметры колебаний отдельных компонентов системы. Для рассмотрения отдельных компонентов и взаимовлияния компонентов топливной системы между собой на теоретическом уровне можно использовать специализированное программное обеспечение.

На основании вышеприведенных исследований рассмотрены различные конструкции ТНВД системы Common Rail, оценены их достоинства и недостатки по отношению друг к другу.

Анализ рассмотренных схем исполнения ТНВД системы Common Rail показал существенное преимущество ТНВД рядной схемы исполнения с двух- и, особенно, с трехвершинным валом. Однако существуют большие сложности изготовления вышеуказанных деталей и присутствуют повышенные скорости трения плунжера. Применение таких схем исполнения насосов оправданы в дизеле, где организован малооборотный привод ТНВД, и идет речь не только о переводе двигателя на аккумуляторную топливную систему, но и стоит задача по увеличению мощности дизеля.

Распространенная классическая схема исполнения ТНВД с оптимальными среднестатистическими колебаниями накачки топлива в аккумулятор и простотой изготовления является 3-ех лучевая схема исполнения насоса.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. С.А. Тютиков – поиск публикаций по теме статьи, проведение исследований, написание текста рукописи; С.П. Кулманаков – редактирование текста рукописи, утверждение финальной версии. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. S.A. Tyutikov ― search for publications on the topic of the article, researching, writing the text of the manuscript; S.P. Kulmanakov ― editing the text of the manuscript, approval of the final version. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work.

Competing interests. The authors declare no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Sergey P. Kulmanakov

Altay State Technical University

Email: spk_ice@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7063-9307
SPIN-code: 4673-3445

Cand. Sci. (Tech.) Associate Professor of the Internal Combustion Engines Department

Russian Federation, Barnaul

Sergey A. Tyutikov

Altay State Technical University

Author for correspondence.
Email: tytikov-c@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0383-3281
SPIN-code: 8413-4705

Russian Federation, Barnaul

References

Supplementary files