Исследование устройства для реализации пропуска подачи топлива в дизельных двигателях

Полный текст

Введение Эффективным способом повышения топливной экономичности дизельных двигателей на режимах малых нагрузок и холостых ходов является метод отключения части цилиндров [1, 2], который иногда называют методом изменения рабочего объема двигателя, подразумевая его изменение, когда в работе остается часть цилиндров [3]. Недостатками метода являются ступенчатое изменение удельного расхода топлива (рис. 1), возрастание неидентичности по цилиндрам тепловой напряженности основных деталей двигателя (длительное прекращение подачи топлива в одни и те же цилиндры приводят к его охлаждению), увеличение неравномерности вращения коленчатого вала и др. При работе с пропуском отдельных подач топлива указанные недостатки могут проявляться в значительно меньшей степени [4]. Рис. 1. Экспериментальные нагрузочные характеристики дизеля 2Ч105х120 с частотой вращения коленчатого вала 1100 мин-1 при работе: 1 - на всех цилиндрах; 2 - на одном цилиндре; 3 - с пропуском подач топлива Цель исследования Исследование и разработка устройства для реализации пропуска подачи топлива. Материалы и методы Исследования проводились на топливном насосе высокого давления 4УТНИ. Теоретические исследования велись с использованием комплекса моделирования электромагнитных задач - Elcut. Результаты и обсуждение Пропуск подачи топлива можно считать частным случаем метода отключения цилиндров. Суть метода заключается в том, что при переходе дизеля на режимы малых нагрузок и холостых оборотов прекращается подача топлива не в одном и том же цилиндре, а во всех цилиндрах поочередно. При этом удельный расход топлива меняется плавно и позволяет дополнительно получить экономию (заштрихованная зона на рис. 1). Для реализации даны метода регулирования топливная система дизеля должна позволять пропускать отдельные цикловые подачи топлива. Это возможно лишь при электронном управлении топливоподачей. Множество ныне эксплуатируемых дизельных двигателей оснащены электронно-управляемыми системами топливоподачи, однако из-за конструктивных особенностей не всегда целесообразно перенастраивать систему на работу с пропуском подачи топлива. В связи с этим наибольший интерес представляют электронно-управляемые устройства (клапаны), которые можно внедрить в штатную систему топливоподачи [5, 6]. Практический интерес представляют клапаны кольцевого типа, в которых функцию силового и запирающего элемента выполняет само разрезное кольцо, а гнездом для кольца служит цилиндрическая поверхность [7-9]. На рис. 2 представлено разработанное устройство с кольцевым клапаном для работы с пропуском подачи топлива. Устройство работает следующим образом. Для пропуска подачи топлива в цилиндр на обмотку электромагнита 9 до начала подачи топлива плунжером подается управляющее напряжение от ЭБУ. При этом кольцо открывает канал 8 и сливает топливо в линию низкого давления. При обесточивании обмотки электромагнита кольцо возвращается в исходное положение благодаря своей упругости. Если на обмотку электромагнита напряжение не подано, то кольцо остается плотно прижатым к гнезду и не пропускает топливо на слив. При этом нагнетаемое топливо из полости Б поступает через нагнетательный клапан 5 к форсунке и впрыскивается в цилиндр. Поскольку клапан монтируется в линию высокого давления, к электромагниту предъявляются требования по надежности, быстродействию и развиваемой силе притяжения. Размеры электромагнита ограничиваются требованиями уменьшения объема внутриклапанной полости. На рис. 3 представлено два возможных варианта исполнения электромагнитов перепускного устройства, отличающихся расположением магнитных силовых линий. Угол τ определяет положение сливного канала относительно середины зазора между кромками кольца. При изменении этого угла будет меняться и противодействующие электромагниту силы. Например, при малых значениях угла можно избавиться от силы трения и значительно уменьшить силу давления топлива и силу упругости. Таким образом, угол τ будет определять эффективность работы электромагнита. С целью определения оптимального угла τ расположения электромагнитов и сравнения их по развиваемой силе притяжения были проведены программы не расчеты с использованием комплекса моделирования электромагнитных задач Elcut. В расчетах использовалась модель магнитного нестационарного поля в декартовых координатах. Решалась оптимизационная осесимметричная задача при постоянном зазоре 0,4 мм между якорем (кольцом) и сердечником электромагнита без учета влияния противодействующих сил и вихревых токов в сердечниках. На обмотку электромагнитов подавался импульс напряжения величиной от 6 до 36 В продолжительностью до t = 30 мс при различных сечениях провода и количестве витков обмотки. Сила притяжения Fэм оказалась максимальной при предполагаемом сечении медного провода 0,312 мм2 с количеством витков 100 (суммарным активным сопротивлением Ra = 0,6 Ом). Зависимости Fэм от напряжения на обмотках электромагнитов и угла τ изображены на рис. 4. Как видно, по развиваемому усилию предпочтительным оказался электромагнит второго варианта. Он развивал большую силу притяжения при любых задаваемых напряжениях и углах τ. Экспериментально сила притяжения электромагнитов, изготовленных с теми же размерами и параметрами обмотки, определялась при помощи рычажно-весового динамометра (рис. 5) с учетом противодействующих сил: силы давления топлива Fдт в полости клапана, упругости кольца Fупр, трения кромки кольца о поверхность гнезда Fтр, силы инерции Fи, гидравлического и магнитного залипаний Fгм, а также веса грузов Fгр. Во внутриклапанной полости поддерживалось постоянное давление топлива 0,2 МПа. Величина давления фиксировалась манометром. Величина тока в обмотках электромагнитов определялась по падению напряжения на шунте с помощью аналогово-цифрового преобразователя. Ток в обмотках составил 10, 20 и 60 А при подаче на них напряжений 6, 12 и 36 В, соответственно. Подбором веса грузов Fгр определялись максимальные силы притяжения электромагнитов, необходимые для открытия сливного канала на 0,4 мм. Эксперименты проводились при различных напряжениях на обмотке электромагнитов и углах τ от 0 до 180 град. Результаты эксперимента представлены на рис. 6. С увеличением напряжения в обмотках электромагниты могли преодолеть больший вес грузов, т.е. сила их притяжения пропорционально возрастала (рис. 6, а), запас мощности увеличивался. Особенно у электромагнита второго варианта. При изменении угла τ от 0 до 180 град сила притяжения сначала возрастала аналогично расчетным данным (рис. 6, б), а затем уменьшалась. Причиной уменьшения является возрастание противодействующих сил со стороны кольца. При τ ≈ 40...60 град перемещается только кромка кольца, исключается сила трения, уменьшаются силы давления топлива, упругости кольца и инерции. А при τ ≥ 60 град перемещается вся свободная половина, увеличивая сначала силы давления топлива, инерции, затем силы упругости и трения. Из сравнения экспериментальных графиков с расчетными рис. 4 следует, что значительная часть сил притяжения электромагнитов порядка, составляющая 70-75 %, затрачивается на преодоление сопротивления клапана и теряется из-за вихревых токов в сердечниках и нагрева обмотки. Таким образом, для перепускного устройства целесообразным является использование электромагнита второго варианта с расположением его под указанным углом τ = = 40...60 град. На рис. 7 представлены осциллограммы давления топлива у штуцера форсунки секции насоса, оборудованной предлагаемым устройством пропуска подач топлива. Как видно из данных, предлагаемое устройство позволяет пропускать различное количество подач топлива в цилиндр двигателя (каждая вторая, третья и т.д.) благодаря достаточной силе притяжения электромагнита, быстродействию и надежности работы. Выводы Полученные экспериментальные данные по определению сил притяжения электромагнитов выявили возможность оптимизации формы и расположения электромагнита, в частности, позволили улучшить работоспособность клапана при малом сечении кольца (якоря), уменьшить противодействующие силы (исключив влияние сил трения) и получить большую мощность электромагнита. Рис. 2. Схема секции насоса высокого давления с электронно-управляемым перепускным устройством с кольцевым клапаном: 1 и 2 - плунжер насоса и его втулка; 3 - штуцер-переходник; 4, 7, 8 - каналы; 5 и 6 - клапан нагнетательный грибковый и его штуцер; 9 - электромагнит; Б - надплунжерное пространство; В - полость нагнетательного грибкового клапана; Г - полость кольцевого клапана; ЭБУ - электронный блок управления Рис. 3. Схемы электромагнитов перепускного устройства с магнитными силовыми линиями вдоль образующей кольца (а) и поперек нее (б): 1 и 2 - каналы сливной и подводящий; P1 и Р2 - давления топлива в канале 1 и во внутриклапанной полости; τ - угол, определяющий положение сливного канала относительно середины зазора между кромками кольца; Fэм - сила притяжения электромагнита Рис. 4. Зависимости сил притяжения электромагнитов первого (штриховые линии) и второго (сплошные) вариантов от напряжения (а), подаваемого на их обмотки и угла τ (б) Рис. 5. Схема рычажно-весового динамометра и электрической части: Т1 и Т2 - регулируемый лабораторный автотрансформатор и понижающий трансформатор; VD - диодный мост; С - конденсатор; D - защитный диод; Rш - шунт; К - ключ включения цепи Рис. 6. Экспериментальные зависимости максимального веса грузов, приложенных к электромагнитам первого (штриховые кривые) и второго (сплошные) вариантов от напряжения, подаваемого на их обмотку при τ = 50 град (а) и различных углов τ (б) Рис. 7. Осциллограммы давления топлива у штуцера форсунки при реализации: а - всех подач; б - каждой второй подачи; в - каждой третьей; г - четвертой; д - пятой

Об авторах

Д. Д Харисов

Башкирский государственный аграрный университет

Email: gaisin@inbox.ru
к.т.н. Уфа, Россия

Э. М Гайсин

Башкирский государственный аграрный университет

Email: gaisin@inbox.ru
к.т.н. Уфа, Россия

Список литературы

Дополнительные файлы