New opportunities to improve the fuel supply system with a battery fuel system

Full Text

Введение Современные исследования по совершенствованию конструкции и рабочего процесса аккумуляторных топливных систем (АТС) направлены на повышение энергоэффективности дизелей и их соответствие ужесточающимся требованиям к составу отработавших газов. Большое внимание уделяется организации процессов смесеобразования и сгорания двигателей в условиях их форсирования увеличением давления наддува и номинальной частоты вращения коленчатого вала. В этой связи одними из перспективных направлений совершенствования АТС являются: повышение давления впрыскивания до 300 МПа и выше [1, 2]; организация двух и более кратной подачи топлива за цикл; управление формой характеристики впрыскивания [3, 4] и распределением топлива по зонам камеры сгорания дизеля в соответствии с режимом его работы (зональное смесеобразование). Цель исследований Цель экспериментальных исследований заключалась в оценке влияния повышения давления впрыскивания на форму и строение струи впрыскиваемого топлива. Полученные сведения необходимы для дальнейшего уточнения существующих математических моделей, описывающих процессы истечения топлива из распылителя электрогидравлической форсунки (ЭГФ). Поскольку впрыскивание топлива вызывает существенные колебания давления на входе в форсунку, была проведена расчетная оценка влияния управляемых параметров впрыскивания на колебательный процесс в каналах ЭГФ. Расположение входных кромок распылива-ющих отверстий в сочетании с управлением движением запирающей иглы распылителя ЭГФ обеспечивает управление распределением топлива по зонам камеры сгорания дизеля в соответствии с режимом его работы. Цель проведенных исследований - оценка влияния положения входных кромок на параметры, определяющие процесс впрыскивания топлива. Объект и результаты исследований Для проведения исследований были отобраны два варианта ЭГФ с электромагнитным приводом управляющего клапана (рис. 1). Вторая форсунка ЭГФ № 2 (рис. 1, б) отличается от первой ЭГФ № 1 (рис. 1, а) наличием топливного аккумулятора, встроенного в корпус, и конструкцией управляющего клапана, разгруженного от силы давления топлива [1, 2]. Расходные характеристики (зависимость количества цикловой подачи топлива подачи от продолжительности управляющего импульса, подаваемого от блока управления на электромагнит клапана ЭГФ), определялись взвешиванием порции топлива, собранной за контрольное число циклов. Расходная характеристика ЭГФ № 1 показана на рис. 2. Несмотря на устойчивую работу ЭГФ № 1 при рак = 200 МПа дальнейшее повышение давления в топливном аккумуляторе вызвало отклонения от нормальной работы форсунки: - при давлении рак = 250 МПа и выше у ЭГФ наблюдается увеличение расхода топлива на управление; - повышенный расход вызывает сильный нагрев топлива, самой форсунки и ТНВД. Температура корпуса в зоне управляющего клапана, в котором происходит дросселирование топлива, достигает 130 °С; - работа форсунки становится нестабильной (низкая межцикловая стабильность) и требуется высокая мощность на привод ТНВД (более 7,5 кВт). Одной из причин описанных отклонений данных является создание давлением топлива осевой нагрузки на клапан в направлении обратном действию пружины, прижимающей клапан к седлу. При р = 250 МПа и выше ак усилие пружины становится недостаточным для преодоления давления и, как следствие, нарушается герметичность закрытого клапана и процесс его посадки на седло. При работе ЭГФ № 2 в диапазоне давлений р = 100...300 МПа нарушения ее рабочего ак процесса не наблюдались. Расходная характеристика ЭГФ № 2 приведена на рис. 3. По сравнению с ЭГФ № 1 привод данной форсунки оказался более быстродействующим. Для ЭГФ № 1 изготовлен опытный одно-струйный распылитель с диаметром распыливающего отверстия 0,12 мм для проведения видеорегистрации струй топлива. На рис. 4 показаны результаты обработки фотографий топливных струй, полученных при открытии электромагнитного клапана ЭГФ № 1 одинаковым управляющим импульсом длительностью т = 0,7 мс. Представленные результаты получены при впрыскивании топлива в воздушную среду без противодавления. Видеорегистрация струй проводилась в проходящем через нее свете высокоскоростной видеокамерой с частотой 5000 Гц. ак При давлении в аккумуляторе 50 МПа угол конуса ядра струи, состоящего из распадающихся на капли макрообъемов топлива, составляет 3...6° (рис. 4, а) и корреспондируется с результатами, полученными ранее в МАДИ -3...5° [5]. При увеличении давления впрыскива- 3 < ш о 3 < ш DQ О X ния угол конуса ядра растет: так, при 150 МПа он составляет 7...9° (рис. 4, б), а при 250 МПа -9...100 (рис. 4, в). Повышение давления в аккумуляторе способствует снижению угла пограничного слоя струи, содержащего смесь воздуха и капель топлива, - с 22...27° при 50 МПа (рис. 4, а) до 17...18° при 250 МПа (рис. 4, в). В процессе впрыскивания наибольшие колебания пограничного слоя струи относительно ее оси зарегистрированы при рак = 50 МПа (рис. 4, а), их можно приблизительно оценить в пределах 10°. Затем, с увеличением рак колебания ядра уменьшаются и становятся практически незаметными при 250 МПа (рис. 4, в). Впрыскивание топлива вызывает существенные колебания давления топлива в форсунке. В результате наложения волн при многократном впрыскивании возможно как усиление, так и гашение колебательного процесса. Если вторую подачу осуществлять на заднем (увеличение давления) фронте волны или в зоне минимума, происходит гашение колебаний. При второй подаче на переднем (падающем) фронте волны или в зоне максимума колебания усиливаются. Для оценки влияния интервала Дт между управляющими импульсами двукратного впрыскивания на величину цикловой подачи второй порции при давлениях 200...300 МПа проведены расчетные исследования. Расчетный анализ рабочего процесса ЭГФ № 2 проведен с применением программного комплекса, разработанного в МАДИ. Моделировались два одинаковых управляющих импульса длительностями т1 = т2. При этом т1 выбирался из условия обеспечения величины количества топлива Q « 3...4 мг, поданного за первое впрыскивание. Результаты расчета работы ЭГФ № 2 представлены на рис. 5. С увеличением давления рак волновой процесс и его влияние на топливоподачу усиливаются. При давлении рак = 200 МПа разброс цикловых подач второй порции составляет Q2 = 2,36...4,62 мг, а при рак = 300 МПа -Q2 = 1,58^6,63 мг. Проведены исследования предложенного способа изменения формы характеристики впрыскивания воздействием на управляющие импульсы, подаваемые на управляющий электромагнитный клапан электрогидравлической форсунки. Длительность предварительного импульса определяет амплитуду предварительного этапа характеристики впрыскивания, а интервал между предварительным и основным импульсом - амплитуду между предварительным и основным этапами характеристики впрыскивания (рис. 6). Интервал между основным и дополнительным импульсами тока подбирается таким образом, чтобы дополнительный этап характеристики впрыскивания начинался после окончания основного, но без интервала между ними. Технический результат предлагаемого изобретения - обеспечение управления формой характеристики впрыскивания при одновременном упрощении и удешевлении конструкции электрогидравлической форсунки по сравнению с существующими аналогами. Применение предлагаемого способа обеспечило формирование как предварительных (режим 7, рис. 7), так и последующих (за основным) впрыскиваний (режимы 7 и 8). С помощью формирования управляющих импульсов тока возможно получение ступенчатой характеристики впрыскивания (режим 9). .а X 3 < ш о Для оценки влияния положения входных кромок на параметры, определяющие процесс впрыскивания топлив проведена серия экспериментов с различными вариантами конструкции распылителей (рис. 8). Вариант № 1 отличался расположением входных кромок 4 распыливающих отверстий 3 на поверхности колодца распылителя в подыгольном объеме 5. Характерная особенность варианта № 2: входные кромки распыливающих отверстий расположены на запирающем конусе 6. У обоих вариантов распылителей одинаковые диаметры распыливающих отверстий. 0.06 0.1 0.14 0.18 0.22 Рис. 9. Коэффициенты расхода топлива через распиливающие отверстия распылителей: вариант № 1;----------------- вариант № 2 3 < ш DQ О X С увеличением высоты подъема иглы y наименьшее значение коэффициента расхода цс топлива через распыливающие отверстия при всех y было у варианта № 2 (рис. 9). Полученные результаты объясняются следующим. У распылителя варианта № 2 поток топлива при втекании в распыливающие отверстия совершает больший поворот (на 30°) на высокой скорости. Это создает большую энергию турбулентных пульсаций потока, что обеспечивает более мелкое распыливание топлива. Ниже представлен вариант опытного распылителя (рис. 10), выполненный на базе серийного изделия Ногинского завода топливной аппаратуры. Этот распылитель корректирует подачу топлива по зонам камеры сгорания с учетом режима работы дизеля, особенностей его конструкции и рабочего цикла. Конструкция распылителя предусматривает отверстия двух групп - 3 и 4. Входные кромки 5 отверстий первой группы с коэффициентом расхода [1С1 расположены в подыгольном объеме 6, а входные кромки 7 отверстий второй группы (коэффициент расхода [1С2) - на запирающей конической поверхности 8 корпуса распылителя. соответ- Коэффициенты расхода [i 1 и [i Результаты сопоставления значений [1С1 и 1С2 показаны на рис. 11. Сравнение проведено для двух значений числа кавитации КС (отношение разности давлений на входе и выходе из канала распыливающего отверстия к давлению на выходе из канала) при различных подъемах иглы у. личаются и зависят от положения иглы. При y > 0,2 мм цс1 > цс2 на 10 ... 20 %, при y < 0,1 мм цс1 > цс2 в 2...3 раза. Это создает предпосылки к коррекции подачи топлива по распыливающим отверстиям и, следовательно, по зонам камеры сгорания с учетом режима работы дизеля. Показанная на рис. 10 конструкция распылителя дает возможность более эффективно использовать весь воздух, находящийся в камере сгорания. Отверстия первой группы с цс1 ориентируются на дальние стенки камеры сгорания, расположенной в поршне, а отверстия второй группы с цс2 - на ближние. Выводы 1. При увеличении давления впрыскивания угол конуса ядра струи, состоящего из распадающихся на капли макрообъемов топлива, растет: так, при 50 МПа он составляет 3.6°, а при 250 МПа - 9...10°. Повышение давления в аккумуляторе способствует снижению угла пограничного слоя струи, содержащего смесь воздуха и капель топлива, с 22.27° при 50 МПа до 17...18° при 250 МПа. 2. С увеличением давления в аккумуляторе рак волновой процесс и его влияние на то-пливоподачу усиливаются. Так, изменение интервала между впрыскиваниями при работе форсунки ЭГФ № 2 с давлением рак = 200 МПа привело к разбросу цикловых подач второй порции Q2 = 2,36...4,62 мг, а при рак = 300 МПа - Q2 = 1,58...6,63 мг. 3. Предложенный способ изменения формы характеристики впрыскивания воздействием на управляющие импульсы, подаваемые на электромагнитный клапан форсунки, обеспечивает формирования как предварительных, так и последующих (за основным) впрыскиваний. С помощью формирования управляющих импульсов тока возможно получение ступенчатой характеристики впрыскивания. 4. В распылителях с двумя группами отверстий (корректирующий распылитель) коэффициенты расхода отверстий в подыгольном объеме цс1 и на запирающем конусе рс2 существенно отличаются и зависят от положения иглы. При y > 0,2 мм ц > рс2 на 10 ... 20 %, при y < 0,1 мм цс1 > цс2 в 2...3 раза. Это создает предпосылки к коррекции подачи топлива по распыливающим отверстиям и, следовательно, по зонам камеры сгорания с учетом режима работы дизеля.

About the authors

A. Yu Dunin

Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI)

Email: dvs@madi.ru
PhD in Engineering

L. N Golubkov

Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI)

Email: dvs@madi.ru
DSc in Engineering

V. I Mal'chuk

Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI)

Email: dvs@madi.ru
PhD in Engineering

P. V Dushkin

Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI)

Email: dvs@madi.ru
PhD in Engineering

I. E Ivanov

Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI)

Email: dvs@madi.ru
DSc in Engineering

References

Supplementary files